高品质光学镀膜:二氧化硅,二氧化钛,五氧化二钽

高品质光学镀膜:二氧化硅,二氧化钛,五氧化二钽
由于溅射原子的高能量,离子束溅射薄膜的密度和所使用的体材料的密度非常相似。 在每次的工艺过程之间,这个密度具有极高的重复性。 请注意有可能沉积许多具有非晶态或者半晶态的材料。 对于光学镀膜来说,这通常是非常有利的,因为它降低了双折射的影响。

光学镀膜的一个主要特点是它的表面质量。 表面质量决定了光学器件本身的性能。 高品质的光学镀膜起始于光滑的超级抛光的光学基板,其均方根粗糙度是0.05纳米。常规镀膜会在增加光学基板表面的粗糙度,粗糙度取决于所使用的技术。 例如,蒸发技术沉积的薄膜表面均方根粗糙度典型值是1纳米,而离子辅助沉积技术获得的表面均方根粗糙度典型值是0.4纳米。 离子束溅射沉积的薄膜表面均方根粗糙度和超级抛光的基板相当, 为0.05纳米。

高品质的光学镀膜应具有低的光损耗。 光学镀膜内的损耗来自散射和吸收。 离子束溅射产生的薄膜具有很低的总损耗,以至于需要精密的仪器来测量它们。已经有两个独立的研究组公布其测量的镜子的损耗小于百万分之二。 这两个小组都使用牛津仪器离子束溅射沉积系统来制作镜子。

  • Laser Bar Facet
  • 高品质镜面
  • 双波长增透膜
  • 注释
激光棒镜面镀膜
激光器的谐振腔是由一些镜面所构成的。激光束会从最高效率的一个镜面穿透发射出来,因此必须在一端对光束进行限制,而另一端使光束最低损耗地出射。
这可通过在反射面增加一层增反膜(HR),在出射面增加一层增透膜(AR)实现。
 laserbar
 由于激光棒谐振腔各个面镀膜的情况不同,因此激光棒必须安装在一个可靠的装置上,首先对一个面进行沉积镀膜,然后把激光棒翻转,对另外一个面进行沉积镀膜,同时要保证之前那个面不会被污染。  sh3000

离子束溅射沉积

  • 无灯丝射频(RF)源
  • 无灯丝辅助射频源
  • 无灯丝苯基-萘基胺

 

 ib_www_as
 通过时间控制器或晶体振荡器在40毫秒内关闭进行工艺控制
• Al2O3 大于 20 nm/ min
• Si 大于 20 nm/ min
• SiO2 大于 20 nm/ min
• Ta2O5 大于 25 nm/ min
均匀性优于 +/- 2 %
 典型的离子束溅射装置布局图
对于激光棒的镀膜,我们使用直接沉积的方法:
- 这样侧壁的沉积量最少
-得到均匀的沉积面厚度和轮廓

使用Ionfab500进行RIBD制备高品质镜面

工艺参数
  • 反应气体:Ar, O2
  • 沉积托盘: 四个10"托盘
  • 性能参数总结:
mirrorcoat 

工艺参数: 

参数/工艺

镜面镀膜

SiO2速率(SiO2

0.56.6nm/min

Ta2O5速率(Ta)

15.4nm/min

TiO2速率(Ti)

0.53.3nm/min

10”托盘上的均匀性[±%]

<±2%

均匀性的重复性[±%] 

<±2%

折射率的重复性[±%] 

<±0.001 R.I.

SiO2/ Ta2O5 mirror2 镜面损耗

<40ppm

表面粗糙度增量

<0.02nm

初始衬底的均方根(RMS

<0.07nm RMS

注释:
损耗是在洁净间里对合适的衬底进行测量得出的

hqmc
50ppm mirror的损耗值是在装入Ionfab500前测量的 

Optofab3000
双波长增透膜的厚度使用白光光学监视器(WLOM)进行校准

dc_spect
双波长增透膜膜厚使用Cary 500分光光度计(以玻璃为参考)进行测量
投射率(%)VS波长(nm)
工艺细节 
  • 镀膜方法:8层增透膜(AR,400mA)
  • 薄膜材质:Ta2O5 SiO2
  • 反应气体:氩气,氧气
  • 沉积速率:>125Å/min (SiO2),5Å/min (Ta2O5)
  • 均匀性:<±0.5% 超过75mm的厚环, <0.2% 超过10mm的厚环放置在半径5mm的衬底中心处
  • 氧气辅助O2,600W 等离子体带光阑
  • 衬底:直径1"的熔硅玻璃放置在直径8"的托盘中

dwar_small 

运行中的白光光学监视器截图

 增透膜性能:

  • 透射率:99.815% (波长532nm)
  • 9.390% (波长1064nm)

评价
  • 沉积速率均匀性定义:
    ± ((最大值-最小值)/(2平均值))100%
  • 所有镀层溅射时间一样
  • 系统校准使用白光光学监视器(WLOM)的QW沉积
附加注释:
1. 需要对处理室进行常规的清洁和调节,有时需要对处理室进行清洗。
2. 均匀性测量标准定义:
晶片内部均匀性测量如下图所示5个点的数据: 不同批次的均匀性(重复性)通过求取连续5个批次的晶片的平均值获得。 
 uniformityschematic184

 within wafer

折射率均匀性的计算方法如下:
runtorun
折射率均匀性的计算方法如下:
ri
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