脉冲激光沉积类金刚石膜红外增透技术研究

作者:杨雪;汪怡平;郭延龙;曹海源;米朝伟;田方涛 刊名:红外与激光工程 上传者:李炜

【摘要】针对传统方法制备类金刚石(DLC)膜存在的3~5μm波段红外透过率低这一难题,采用飞秒脉冲激光沉积(PLD)法在红外材料硅基底上镀制DLC膜。重点考查了靶材与基片的间距、背景气压、激光单脉冲能量、负偏压、温度以及掺硅量等工艺参数对其透过率的影响,经过大量的实验与优化分析,总结出一套有效的脉冲激光沉积DLC膜工艺来制备优良的光学保护增透膜。相比传统工艺,大大提高了3~5μm波段的平均红外透过率,在硅基底上单面镀制DLC膜的最高红外透过率达到了68.2%,与理论最高值的68.7%仅相差0.5%。

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0引言在一般的红外光学系统中,35m波段常用的红外材料如硅、锗、硫化锌等,存在透过率低、硬度低、机械性能差、易被划伤、化学稳定性差、热导率低、易被腐蚀等不良特性。类金刚石(DLC)膜是一种具有高硬度、低摩擦系数、耐腐蚀性好、良好的光学透过性和化学稳定性的硬质薄膜材料,在起到保护作用的同时还可提高窗口的红外透过率。DLC薄膜在机械、电子、光学和医学等领域里都得到了广泛的应用[1-4]。自1985年Nagel等人最先报道用脉冲激光沉积(PLD)法制备类金刚石膜以来,PLD法以可室温沉积、不含氢、附着力好、易掺杂、易通入背景气体、沉积速度快、可控性好等一系列优点深为众多研究工作者所青睐[5-6]。激光沉积DLC膜的研究表明:激光波长、能量、功率密度、背景气体、偏压以及温度等都对DLC膜的性能有着重要的影响。文中采用飞秒脉冲激光器并通过改变工艺参数进行了大量的镀膜实验,总结出一套有效的脉冲激光沉积DLC膜工艺来制备高红外透过率的光学保护增透膜的方法。1实验方法脉冲激光沉积法是采用高能脉冲激光聚焦烧蚀碳靶,形成等离子体,从而沉积出类金刚石膜的制备方法。国内外众多研究表明,在功率密度一定的情况下,激光波长越短越好;而在波长一定的情况下,功率密度存在一个较高的最佳值。对于纳秒激光,功率密度通常不够高,从而限制了DLC膜性能的提高。因此,采用超短脉冲激光提高功率密度来进一步改善脉冲激光沉积DLC膜的性能,已成为该领域重要的发展方向。为此,文中采用美国光谱物理公司生产的SpitfireProXP型Ti:Sapphire飞秒脉冲激光器作为激光源,其中心波长为800nm,脉冲宽度为120fs,重复频率为1kHz。真空沉积室的外形尺寸为准450mm的球体,极限真空度为610-5Pa。靶材托有4个,靶由电机带动自转且可公转换靶。实验中石墨靶材自转,同时小角度往复公转,这样可以保证靶材均匀烧蚀且靶材的利用率较高。基片台可做垂直线性移动,使得基片台与靶材托轴线间距在080mm范围内可调,石墨靶面与基片均可绕各自的轴线旋转。实验装置如图1所示。图1脉冲激光烧蚀沉积薄膜实验系统示意图Fig.1Schematicofpulselaserablationdepositionofthinfilmexperimentalsystem由于采用的是重复频率为1kHz的飞秒激光,光束脉宽极窄,在石墨靶的亚表面能量损失小,能产生高能量密度的等离子体;同时,其脉宽小于声子与电子之间的能量交换时间,对靶材表面的热损伤区域小,可以有效地避免大颗粒的产生,提高沉积薄膜的质量;另外,高的重复频率可以提高薄膜的沉积速率,薄膜平均生长速率可达85nm/min。实验使用的基片是抛光硅晶体片,在沉淀薄膜前,基片经有机溶剂和去离子水反复清洗。然后将其安装在不锈钢基座上,打开真空系统控制总电源,将基片安装在基片支架上,之后用一金属挡板挡住基片(以防调节靶材时多余的等离子体污染基片),将石墨靶材嵌入到一个转动的圆盘里,打开激光器,调整光路和靶材位置使聚焦后的激光焦点照射在石墨靶材上,关闭激光器。最后关闭真空靶室,打开机械泵和真空度测量仪,当真空度下降到1.010-1Pa时,打开分级冷却水继续抽真空,并打开基片温度控制电源,设置温度为室温,当真空度下降到1.010-4Pa时,打开激光器和靶材的旋转马达电源,当温度稳定在设定值时,等体稳定喷射,移开金属挡板,开始沉积薄膜。沉积时间直接影响薄膜的厚度,根据实验要求选择沉积时间。2实验结果与讨论激光沉积DLC膜的研究表明:激光波长、能量、功率密度、背景气体、偏压以及温度等都对D

参考文献

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