椭偏仪在HfO₂薄膜光学常数测量中的应用

随着光电技术的发展，光学薄膜不仅需要良好的光学性能，还需具备电磁屏蔽、激光防护等特性。在众多膜料中，氧化物因硬度高、性能稳定而备受青睐。其中，HfO₂薄膜具有透射范围宽、折射率高、禁带宽度大、激光损伤阈值高等优点，广泛应用于日盲紫外滤光片、增透膜、高反膜、分光膜及抗激光薄膜等领域。研究表明，以金属铪为原料制备的HfO₂薄膜缺陷密度低、抗激光损伤能力强。然而，薄膜的性能受制备工艺影响显著，因此有必要进行工艺优化。

本文以金属铪为原料、氧气为反应气体，采用电子束热蒸发技术沉积HfO₂单层膜，通过正交实验探究蒸发束流、工作真空度、沉积温度对其光学特性和激光损伤阈值的影响。Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域,在材料光学特性分析领域具有重要地位。

实验过程与方法

基底采用石英玻璃和硅片，镀膜前用醇醚混合液（3:1）清洁。实验中使用电子束蒸发金属铪，同时向真空室充入氧气。预熔发现，蒸发束流约150 mA时铪开始熔化，经预镀实验将束流范围定为170~200 mA。监控波长532 nm，采用光电极值法控制膜厚为λ/2。

HfO₂薄膜制备的工艺因素与水平表

工作真空度通过氧气流量调节，范围为1.2×10⁻²~1.8×10⁻² Pa，对应充氧量分别为3~5 sccm、6~8 sccm、9~11 sccm。沉积温度范围为140~180 ℃。为减少实验量，设计了三因素三水平的正交实验，共9组样品（S1~S9）。因素A（蒸发束流）水平为170、185、200 mA；因素B（工作真空度）水平为1.2×10⁻²、1.5×10⁻²、1.8×10⁻² Pa；因素C（沉积温度）水平为140、160、180 ℃。具体组合按正交表排列。

实验结果与分析

HfO₂薄膜透射率图

采用分光光度计测量透射率光谱。9组样品的透射率峰值波长均在550 nm左右，峰值基本重合，最低点透过率在79.11%~81.8%之间。

HfO₂薄膜折射率色散曲线

HfO₂薄膜消光系数色散曲线

椭偏仪测得样品在1064.4 nm处的折射率介于1.8818~1.9132之间，消光系数在3.71×10⁻⁵~8.55×10⁻⁵之间，均相差不大。激光损伤测试（1-on-1方式，1064 nm单脉冲）得到S1~S9的阈值分别为18.4、20.7、22.2、21.1、17.5、19.7、13.5、18.9、16.8 J/cm²。其中第6组（A₂B₂C₁）消光系数最低（3.43×10⁻⁵），但折射率也较低（1.8825）。

HfO₂薄膜正交实验激光损伤测试图

为确定最佳工艺参数，对消光系数和折射率进行极差分析。以蒸发束流为例，将水平I（170 mA）的三组、水平II（185 mA）的三组、水平III（200 mA）的三组分别求和，计算极差。结果显示：蒸发束流的消光系数极差最大（8.67×10⁻⁵），是影响光学特性的最主要因素；工作真空度极差次之（5.18×10⁻⁵），是次要因素；沉积温度极差最小（3.47×10⁻⁵），影响不显著。对于折射率，工作真空度的极差最大（0.0464），也支持上述排序。

进一步确定最佳参数：

蒸发束流：170 mA时消光系数总和最低，且折射率与其它水平差别不大，故选170 mA。

工作真空度：1.8×10⁻² Pa时消光系数最小，且折射率总和高于1.2×10⁻² Pa，故选1.8×10⁻² Pa。

沉积温度：140 ℃时消光系数总和最小，但与160 ℃相差不大，而160 ℃时折射率更高，故选160 ℃。

因此，最佳工艺参数组合为A₁B₃C₂，即蒸发束流170 mA、工作真空度1.8×10⁻² Pa、沉积温度160 ℃。

以激光损伤阈值为指标进行极差分析，同样发现蒸发束流极差最大（12.1），工作真空度次之（5.7），沉积温度最小（5.4）。阈值随束流增大而降低，随工作真空度降低（充氧量升高）而升高，随温度升高而降低。最佳参数组合同样为A₁B₃C₂。

最佳参数组折射率和消光系数色散图

采用最佳参数制备样品S10进行验证。测得在1064.4 nm处折射率为1.8896，消光系数为3.07×10⁻⁵，激光损伤阈值为23.1 J/cm²（1064 nm，10 ns）。结果优于正交实验各组，证明分析正确。

相同脉冲能量下HfO₂薄膜的损伤形貌

损伤形貌观察显示，随着激光损伤阈值提高（S1→S4→S10），损伤斑面积和深度减小。高脉冲能量下出现多光子电离现象，产生气泡；损伤斑周围点状烧蚀可能源于薄膜制备过程中的缺陷吸收能量。

综上所述，通过正交实验分析可知，蒸发束流是影响电子束热蒸发制备HfO₂薄膜光学特性与激光损伤阈值的最主要因素，工作真空度次之，沉积温度影响不显著；获得的最佳工艺参数组合为蒸发束流170 mA、工作真空度1.8×10⁻² Pa、沉积温度160 ℃，且制备高质量薄膜时蒸发束流应随氧气流量增大而增大。采用该最佳参数制备的HfO₂薄膜，经椭偏仪测量，在1064.4 nm波长处折射率达1.8896，消光系数为3.07×10⁻⁵，同时单脉冲激光损伤阈值（1064 nm，10 ns）为23.1 J/cm²，表现出优良的光学性能和抗激光损伤能力。

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原文参考：《基于铪制备HfO₂薄膜的工艺优化及光学特性》