Công nghệ phún xạ chùm tia ion (IBS) đã phát triển mạnh mẽ quang học laser UV trong 25 năm qua nhờ khả năng lắng đọng màng quang học chất lượng cao cho các ứng dụng laser tia cực tím (UV) (xem Hình 1). Quang học chất lượng cao điều khiển và định hướng chùm tia laze và rất quan trọng đối với hiệu suất và tuổi thọ của laze. Y sinh học, xử lý chất bán dẫn, vi cơ và các ứng dụng laser UV khác tiếp tục phát triển nhờ công nghệ IBS.
Trong khi phim quang học UV phải đối mặt với nhiều thách thức, sự ra đời của công nghệ IBS đã giúp tạo ra phim quang học UV chất lượng cao.
Đáp ứng những thách thức của Quang học Laser UV
Những thách thức mà quang học laser UV phải đối mặt gồm hai phần: tăng cường khả năng hấp thụ, làm giảm công suất laser và tăng cường tán xạ, làm giảm cường độ của tia laser. Phim quang học có thể bị hỏng thêm nếu ứng suất phim, tính năng cân bằng hóa học hoặc mật độ phim không được tối ưu hóa. Lớp phủ là liên kết yếu nhất và lớp phủ quang học sẽ được tối ưu hóa nếu cải tiến các bước xử lý chính như thiết kế lớp phủ quang học, làm sạch chất nền, lắng đọng và xử lý sau lắng đọng.
Nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào các khía cạnh sản xuất khác nhau của lớp phủ quang học, bao gồm lựa chọn mục tiêu, áp suất oxy, năng lượng phún xạ và thời gian ủ, với mục tiêu cải thiện chất lượng lớp phủ quang học cho hệ thống IBS (xem Hình 2) [1]. Ảnh hưởng của các điều kiện xử lý khác nhau và quá trình ủ sau lắng đọng trên màng mỏng quang học HfO2 và SiO2 đã được nghiên cứu trong những năm gần đây. Các thông số được phân tích bao gồm:
-Ảnh hưởng của mục tiêu phún xạ kim loại và điện môi đến tính chất UV;
-Ảnh hưởng của áp suất riêng phần oxy (O2) đến tính chất cân bằng hóa học và màng;
-Ảnh hưởng của nguồn ion và năng lượng chùm tia đến tính chất màng và lắng đọng;
-Ảnh hưởng của quá trình ủ đến tính chất cân bằng hóa học, ứng suất và màng.
Dự án này tại Veeco tập trung vào lớp phủ quang học trong laser Nd: YAG. Màng oxit có thể được phun ra từ các mục tiêu oxit hoặc kim loại. [2] Mục tiêu kim loại có độ hấp thụ thấp hơn nhưng tốc độ phún xạ cao hơn. Tốc độ phún xạ cao hơn sẽ cải thiện hiệu quả phủ miễn là các thông số màng khác được thỏa mãn. Khi lắng đọng màng mỏng HfO2, áp suất riêng phần của O2 là một thông số quan trọng của quá trình và nếu áp suất riêng phần của O2 không đáp ứng yêu cầu thì màng dễ bị khiếm khuyết về cấu trúc. Đặc biệt, sự thiếu hụt oxy tạo ra các trạng thái điện tử ở vùng cấm phụ gây ra sự phá hủy tia laser đối với các thành phần quang học. Màng HfO2 không cân bằng có hàm lượng oxy thấp có khả năng hấp thụ cao và mờ đục, không thể đáp ứng yêu cầu của quang học tia UV.
Năng lượng chùm ion và ủ
Năng lượng chùm ion là một yếu tố quá trình quan trọng khác. Khi mạ màng SiO2, việc giảm năng lượng chùm ion sẽ làm giảm sự hấp thụ của màng SiO2, từ đó nâng cao hiệu suất của hệ thống laser. Tuy nhiên, điều này phải trả giá. Việc giảm năng lượng chùm ion giúp cải thiện chất lượng màng nhưng cũng làm giảm tốc độ lắng đọng, ảnh hưởng đến năng suất. Trong quá trình SiO2, việc sử dụng chùm tia phụ giúp tăng tốc độ truyền tải.
Đối với màng HfO2, khả năng chống lại tác hại của tia laser giảm khi tăng năng lượng chùm tia phụ. Rõ ràng, việc tối ưu hóa năng lượng phún xạ đóng một vai trò quan trọng đối với chất lượng của màng.
Ủ cũng đóng một vai trò quan trọng trong chất lượng của phim, vì đây là một bước quan trọng để đạt được mức tổn thất thấp nhất và khả năng chống lại tác hại của tia laser cao nhất. Trong quá trình phún xạ, các màng lắng đọng phải chịu ứng suất nén và các khuyết tật do lắng đọng năng lượng cao. Ủ giúp giải phóng lực căng và loại bỏ các liên kết lủng lẳng được tạo ra trong quá trình phún xạ.
Quá trình ủ cũng làm thay đổi một chút tỷ lệ cân bằng hóa học của màng. Lý tưởng nhất là quá trình ủ sẽ làm giảm ứng suất màng và mang lại các đặc tính quang học tối ưu. Nghiên cứu của Veeco đã chỉ ra rằng quá trình ủ có thể cải thiện các đặc tính của màng lắng đọng, nhưng ủ quá lâu hoặc ở nhiệt độ quá cao cũng có thể gây bất lợi. Khi điều kiện ủ không thích hợp, độ nhám bề mặt tăng lên và màng có thể kết tinh. Số lượng lớp và thành phần của màng quang học có thể khác nhau đối với các ứng dụng laser UV khác nhau, do đó thời gian ủ cần được tối ưu hóa cho từng lớp.
