等离子体辅助电子束蒸发反应沉积技术PIA-EB-Hf法制备的单层HfO2激光薄膜残余应力与化学计量比的调控

【作者】 付朝丽； 杨勇； 马云峰； 黄政仁；

【机构】 中国科学院上海硅酸盐研究所；

【摘要】 二氧化铪（HfO₂）具有较高的折射率、较宽的透明波段（在351nm至1064nm范围内吸收较小）、良好的热稳定性、化学稳定性和机械特性,因此常作为抗激光损伤薄膜材料,广泛应用于高功率激光系统中。我们采用等离子体辅助电子束蒸发金属铪Hf并充氧反应的方法即PIA-EB-Hf法制备了均匀平整的单层氧化铪薄膜。由于化学计量比失配导致的强吸收和高残余应力造成的力损伤是HfO₂薄膜的主要激光损伤机制,因此薄膜残余应力和化学配比的调控对实现高激光损伤阈值至关重要。我们引入正交实验的手段,全面研究了沉积速率、沉积温度、充氧量和充氧位置以及APS离子源放电电流和偏压对薄膜残余应力和0/Hf化学配比的影响,并通过优化制备出高化学配比和低应力的薄膜,为进行后处理技术以及激光损伤研究奠定了基础。研究显示,PIA-EB-Hf法制备的薄膜残余应力均为压应力,且受沉积速率与离子源偏压的影响较为显著,其中随沉积速率增大,应力减小,但沉积速率过大,薄膜的均匀性变差;离子源偏压越大,薄膜结构向（-1 1 1）面结晶取向越明显,晶粒越小越致密,使残余应力很大。对于0/Hf配比的影响,沉积速率、离子源放电电流、充氧量均呈现出先增后减的趋势;0/Hf配比随离子源偏压增大而下降,但偏压高至160V化学配比反而有所增大,推测可能是结晶取向或者反蒸发过程中粒子重组造成的,但过高的偏压不利于薄膜均匀性。温度对薄膜性能的影响主要体现在促进粒子间反应、促进结晶取向、晶型转变、反蒸发、改善薄膜均匀性等,不同温度范围发挥的作用不同,因此对内应力和化学配比的贡献不同。更多还原