本發(fā)明涉及光學薄膜，特別是一種解決電子束沉積多層膜龜裂的臨界層應力的調控方法。

背景技術：

膜層應力是光學薄膜元件性能的參數之一，膜層應力會導致基底在鍍膜前后發(fā)生形變。當膜層張應力過大時，甚至會引起膜層龜裂，導致薄膜元件無法使用。膜層應力與膜系設計、沉積技術和沉積工藝密切相關。高功率應用的大尺寸薄膜元件通常采用電子束沉積技術制備，而電子束沉積技術制備的多層膜元件在膜層沉積過程和低濕環(huán)境下往往呈現較大的張應力，對于一定的張應力，當薄膜厚度超過臨界厚度，多層膜拉伸強度大于斷裂強度，將導致薄膜出現龜裂。以大尺寸偏振膜為例，其膜層厚度遠高于一般的反射膜，接近8μm，常易發(fā)生膜層龜裂問題。在美國nif、法國lmj原型、日本lfex和gekko裝置等大型高功率激光裝置的建設或運行過程中，均曾遭遇偏振膜龜裂的困擾。該問題得到最終解決的證據是2012年羅切斯特大學發(fā)表的學術論文(opticsexpress，20(15)：16596，2012)，采用的技術措施是利用al2o3膜層補償hfo2/sio2膜層應力。但該方法涉及三種材料，除增加了膜系設計難度以外，極大地增加了實際制備工藝難度。

技術實現要素：

本發(fā)明要解決的技術問題在于克服上述現有技術的不足，提供一種解決電子束沉積多層膜龜裂的臨界層應力的調控方法，該方法能夠解決電子束沉積較厚膜層時，因膜層張應力太大導致的膜層龜裂問題，且不會增加膜系設計難度和實際制備工藝難度。

本發(fā)明的技術解決方案如下：

一種解決電子束沉積多層膜龜裂的臨界層應力的調控方法，其特點在于：采用離子束輔助沉積技術沉積應力臨界層，采用電子束沉積技術沉積應力臨界層之外的其他膜層，包括以下步驟：

1)向計算機輸入參數：

包括設計波長λd、高折射率材料折射率nh、低折射率材料折射率nl、高折射率材料在沉積環(huán)境的應力σh、低折射率材料在沉積環(huán)境的應力σl、所需鍍制的膜系、薄膜的抗裂強度г、取決于裂紋特性的無量綱參數z、多層膜的楊氏模量ef、多層膜的泊松比vf；

2)計算應力臨界層所處層數：

①根據公式(1)依次計算第j層膜沉積完成后的多層膜應力σtj：

其中：j＝1、2……m，m為總膜層數，tj為第j層膜層的厚度系數；

②根據公式(2)依次計算膜層應力為σtj時的臨界層厚度hcj：

當hcj≤(t1/n1+t2/n2+...+tj/nj)×λd/4時，令臨界層判據fj＝1；否則，令fj＝0；

③輸出每層膜的臨界層判據；

3)基底清洗：對基底進行清洗并晾干；

4)薄膜制備：

①將基底加熱至120℃～250℃；當真空度優(yōu)于9.0×10^-3pa時，開始鍍膜：

②令m＝1，

③開始鍍制第m層膜：

如果fm＝0，采用電子束沉積技術鍍制該膜層，如該膜層為hfo2層，氧分壓為1.5×10^-2pa～5.0×10^-2pa，沉積速率為0.05nm/s-0.3nm/s；如該膜層為sio2層，氧分壓為本底真空至3.0×10^-2pa，沉積速率為0.3nm/s～1.0nm/s；

否則如果fm＝1，采用離子束輔助沉積技術鍍制該膜層，打開等離子體源，將等離子體偏壓設置為70v～170v，鍍完該膜層后關閉等離子體源：

④令m＝m+1，當m+1>m時，進入步驟⑤，否則返回步驟③，

⑤完成鍍膜。

本發(fā)明的技術效果：

本發(fā)明綜合采用電子束沉積技術和離子束輔助沉積技術，采用離子束輔助沉積技術沉積應力臨界層，采用電子束沉積技術沉積應力臨界層之外的其他膜層。

本發(fā)明能夠解決電子束沉積較厚膜層時，因膜層張應力太大導致的膜層龜裂問題，且不會增加膜系設計難度和實際制備工藝難度。

因此，本發(fā)明非常適合于膜層厚度大，易產生膜層龜裂的薄膜元件的制備。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中應力臨界層所處位置的示意圖。

圖2為沒有采用本發(fā)明方法制備的多層膜發(fā)生膜層龜裂的表面形貌圖，分別由顯微鏡(左)和掃描電鏡(右)表征。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明。

以高折射率材料為hfo2，低折射率材料為sio2，總膜層數為40，總厚度為8μm的多層膜為例，說明本發(fā)明解決電子束沉積多層膜龜裂的臨界層應力的調控方法，該方法包括下列步驟：

1)向計算機輸入參數：

包括設計波長λd、高折射率材料折射率nh(1.92)、低折射率材料折射率nl(1.44)、電子束沉積技術制備的高折射率材料在沉積環(huán)境中的應力σh(360mpa)、電子束沉積技術制備的低折射率材料在沉積環(huán)境的應力σl(-220mpa)、離子束輔助沉積技術制備的高折射率材料在沉積環(huán)境的應力σ″h(70mpa)、離子束輔助沉積技術制備的高折射率材料在沉積環(huán)境的應力σ″l(-400mpa)、所需鍍制的膜系(hlhlhlhlhlhlhlhlhlhl3hlhlhlhlhlhlhlhlhlhl)、薄膜的抗裂強度г(1.98j·m^-2)、取決于裂紋特性的無量綱參數z(1.976)、多層膜的楊氏模量ef(50gpa)、多層膜的泊松比vf(取hfo2和sio2的平均值，為0.22)。

2)計算應力臨界層所處層數：

①根據公式(1)依次計算第j層膜沉積完成后的多層膜應力σtj(j＝1、2……m，m為總膜層數)。

其中：tj為第j層膜層的厚度系數；

②根據公式(2)依次計算膜層應力為σtj時的臨界層厚度hcj；

當hcj≤t1+t2+...+tj時，令臨界層判據fj＝1；否則，fj＝0。

③輸出每層膜的臨界層判據，具體見表1。圖1所示為本發(fā)明實施例中應力臨界層所處位置示意圖。

表1.本發(fā)明中實施例中每層膜的臨界層判據

3)基底清洗：對基底進行清洗并晾干；

4)薄膜制備：

①將基底加熱至230℃；當真空度優(yōu)于9.0×10^-3pa時，開始鍍膜；

②開始鍍制第m(m＝1)層膜：

如果fm＝0，采用電子束沉積技術鍍制該膜層，如該膜層為hfo2層，氧分壓為1.8×10^-2pa，沉積速率為0.25nm/s；如該膜層為sio2層，氧分壓為4.0×10^-2pa，沉積速率為0.5nm/s；

否則如果fm＝1，采用離子束輔助沉積技術鍍制該膜層，打開等離子體源，將等離子體偏壓設置為100v，鍍完該膜層后關閉等離子體源；

③令m＝m+1，重復上述步驟②，直至鍍膜完成。

多次實驗表明：本發(fā)明綜合采用電子束沉積技術和離子束輔助沉積技術，采用離子束輔助沉積技術沉積應力臨界層，采用電子束沉積技術沉積應力臨界層之外的其他膜層。本發(fā)明能夠解決電子束沉積較厚膜層時，因膜層張應力太大導致的膜層龜裂問題，且不會增加膜系設計難度和實際制備工藝難度。圖2所示為利用顯微鏡和掃描電鏡表征的未采用本發(fā)明方法制備的多層膜發(fā)生膜層龜裂的表面形貌圖。