Al2O3与LaF3薄膜在193nm波段的特性研究

论文摘要

近年来，准分子激光器快速发展，并得到广泛应用，推动了紫外薄膜研究的发展。大多数材料在紫外波段呈献明显的吸收，目前对193nm紫外薄膜的研究主要集中在氟化物和少数的氧化物上。氧化物和氟化物在短波吸收、表面微结构、结晶状况、光学稳定性、应力等方面有较大的差异。本课题以193nm薄膜中主要的高折射率材料氟化物LaF3和氧化物Al2O3为研究重点，对比研究了沉积速率和基板温度等工艺因素对薄膜各项特性的影响。课题设计分析了多层介质高反射膜的光学特性。对比了Al2O3和LaF3材料在紫外区的光学特性，LaF3在193nm附近的吸收损耗明显小于Al2O3。LaF3在205nm附近的消光系数约为8.1×10-4，Al2O3的消光系数约为2.5×10-3。Al2O3在190nm附近己靠近短波吸收限。然而，Al2O3具有优异的光学稳定性，制备完成后和半年后测试的透射率基本吻合。LaF3单层膜在制备后的两天即出现了明显的透射率下降和波长漂移现象。当沉积速率为0.2nm／s时，Al2O3薄膜获得最好的光学特性。速率增加至1nm／s时，Al2O3单层膜在200nm波长附近的透射率下降了10％以上。光学损耗的研究表明，失氧造成的吸收是引起Al2O3在200nm波长以下损耗增加的主要原因。为了获得良好的光学特性，有必要将沉积速率控制在0.5nm／s以下。沉积速率对LaF3单层膜光学特性的影响不明显，即使在沉积速率为5nm／s的条件下，LaF3薄膜仍保持了良好的光学特性。对薄膜表面微结构的研究表明，Al2O3薄膜的相关长度l比LaF3薄膜的相关长度，小，因此Al2O3单层膜的散射光分布在较大的立体角内，LaF3薄膜的散射光集中于镜向反射或透射光线附近。在同样的工艺条件下制备的Al2O3薄膜的表面粗糙度比LaF3表面粗糙度大，按照标量散射理论计算，Al2O3薄膜的总积分散射比LaF3大。LaF3表面粗糙度随基板温度升高而增大。XRD测试发现，电子束蒸发制备的Al2O3单层膜和SiO2单层膜是非晶态，LaF3单层膜含有非晶结构，但是在局部区域有晶体析出。对多层膜的理论计算表明，LaF3/MgF2多层膜在193nm的理论反射率可达99％。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 紫外薄膜研究的兴起与发展
• 1.1.1 准分子激光器的发展
• 1.1.2 紫外薄膜研究的发展与研究重点
• 1.2 紫外薄膜的特征
• 1.3 常用的紫外薄膜材料与制备方法
• 1.3.1 常用的紫外薄膜材料
• 1.3.2 制备紫外薄膜的基板
• 1.3.3 紫外薄膜的制备方法
• 1.4 评价紫外薄膜的主要参数
• 1.5 本课题的研究内容和特色
• 参考文献
• 第二章 单层膜的制备与测试方法
• 2.1 引言
• 2.2 实验方案
• 2.2.1 实验设计
• 2.2.2 实验设备
• 2O₃单层膜制备步骤'>2.2.3 Al₂O₃单层膜制备步骤
• 3单层膜制备方法'>2.2.4 LaF₃单层膜制备方法
• 2.3 本课题使用的紫外熔融石英基板光学特性的测试分析
• 2.4 测试仪器与计算方法
• 2.4.1 分光光度计
• 2.4.2 包络线法
• 2.4.3 Zygo干涉仪
• 2.4.4 SPI3800N原子力显微镜
• 2.4.5 XRD测试
• 2.5 其它常用的测试与标定方法
• 2.5.1 光学特性测试
• 2.5.2 微结构测试
• 2.5.3 薄膜成分分析
• 参考文献
• 第三章 单层膜实验结果分析
• 3.1 引言
• 2O₃与 LaF₃等不同材料的比较'>3.2 Al₂O₃与 LaF₃等不同材料的比较
• 3.2.1 不同材料在紫外区的透射特性比较
• 3.2.2 不同材料在紫外区的光学常数的比较
• 3.2.3 不同材料薄膜表面颗粒的比较
• 3.2.4 粗糙度（RMS）的比较与标量散射理论分析
• 3.2.5 不同材料薄膜结晶状况的比较
• 2O₃单层膜实验结果分析'>3.3 Al₂O₃单层膜实验结果分析
• 2O₃单层膜光学特性的影响'>3.3.1 沉积速率对 Al₂O₃单层膜光学特性的影响
• 3.3.2 光学损耗分析
• 2O₃单层膜光学特性的影响'>3.3.3 基板温度对 Al₂O₃单层膜光学特性的影响
• 3.3.4 光学特性随时间的变化关系
• 2单层膜实验结果分析'>3.4 SiO₂单层膜实验结果分析
• 3.4.1 沉积速率对光学特性的影响
• 3.4.2 光学特性随时间的变化关系
• 3单层膜实验结果分析'>3.5 LaF₃单层膜实验结果分析
• 3.5.1 沉积速率对薄膜光学特性的影响分析
• 3.5.2 光学特性随时间的变化关系
• 3.5.3 沉积速率与结晶状况的关系研究
• 3.5.4 沉积速率的稳定性对薄膜应力的影响
• 3.5.5 基板温度对薄膜表面粗糙度的影响
• 3.5.6 基板温度与结晶状况的关系研究
• 3.5.7 薄膜表面缺陷分析
• 3.6 总结
• 参考文献
• 第四章 多层膜理论设计与分析
• 4.1 引言
• 4.2 多层介质高反膜的理论基础
• 4.3 多层介质高反膜的设计方法
• 4.4 多层介质高反膜的设计结果分析
• 3/MgF₂多层膜设计结果'>4.4.1 LaF₃/MgF₂多层膜设计结果
• 4.4.2 高折射率材料的消光系数对薄膜反射率极限的影响分析
• 4.4.3 多层膜制备要点分析
• 4.5 结论
• 参考文献
• 第五章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 工作展望
• 硕士期间完成的学术论文
• 致谢