近紫外(NUV)是波长范围在300～380 nm的紫外光线[1], 广泛应用于集成电路液晶显示、晒版、LED、固化、医疗生化等领域。特别是随着微电子等产品的超微细化, 在微电子、超精密器件等产品的制造过程中, 需要提高成品率的半导体器件、液晶显示元件、光学制品等制造中, 紫外线表面处理技术已成不可缺少的技术手段。而近紫外区宽带反光镜在紫外光学系统中是收集汞灯光源发出的光线、提高工作表面紫外光照度以及均匀性的重要光学元件。

本文针对紫外光学系统中紫外反光镜的使用要求, 并结合汞灯发光光谱, 提出了反光镜的光谱曲线要求。进而选取Ta2O5、SiO2两种高、低折射率薄膜材料进行镀制, 通过正交试验法确定两种薄膜材料的光学常数, 优化设计膜系, 制备了波长在300～450 nm宽带高反射率紫外反射膜。

根据汞灯光源的发光光谱, 并结合紫外光学系统中对365 nm、405 nm、436 nm谱线的反射率要求, 提出近紫外区超宽带反光镜薄膜的光谱曲线指标如下:R > 93%@300~450 nm; Tavg > 85%@500~1 000 nm。达到反射紫外光, 滤除紫外光学系统中不需要的可见及红外光的目的[2]。

汞灯光源发光光谱及膜系目标光谱见图 1。

依据反光镜薄膜的光谱要求, 应选择近紫外光波段消光系数小、透明度高、相互匹配、机械牢固度和化学稳定性好的材料。在300～1 000 nm区间常用高折射率薄膜材料主要有HfO2和Ta2O5等, 一般情况下HfO2薄膜折射率n=1.95(λ=0.55 μm)相对较低, 会使膜系中膜层的数量增加, 虽然HfO2薄膜的折射率会随着沉积速率的增大而有所提高, 但会产生较高的吸收能力进而影响近紫外光的反射率, 如果采用较低的沉积速率则会增加镀制时间和成本; Ta2O5薄膜的透明区波长范围为0.3～10 μm, 其折射率n=2.1(λ=0.55 μm), 该膜料机械性能极为牢固, 强碱也不能将它腐蚀, 所以其还可以作为保护涂层, 特别是在高温环境中的应用[3]。所以高折射率材料选择Ta2O5, 与之匹配的低折射率薄膜材料有MgF2和SiO2等, 但MgF2薄膜在累计厚度超过1.4 μm时, 会由于张应力较大而导致膜层皴裂。而SiO2薄膜的折射率、机械牢固度、膜层内应力和化学特性等都非常稳定。所以为了保证膜层与基底之间结合牢固, 最终确定选用Ta2O5和SiO2两种高、低折射率材料。

Ta2O5薄膜的光学常数随沉积工艺条件如真空度、沉积速率、基片温度、离子辅助等的不同而不同。本文采用正交实验法[4-5], 深入开展Ta2O5薄膜在不同镀膜温度、不同离子辅助(IAD)能量条件下, 300～1 000 nm波长范围内的折射率、消光系数等光学性能研究工作, 然后根据正交实验表(见表 1、表 2)所得的结果进行分析, 确定镀制Ta2O5薄膜的最佳工艺参数。

Ta2O5紫外薄膜材料光学性能研究在EPD-1300镀膜机上进行。即在石英玻璃表面分别镀制460 nm厚度的Ta2O5薄膜, 然后进行透过率测试, 测试的透过率曲线见图 2。

从图 2可以看出, 在300～1 000 nm波长范围内, 透过率平均值均在88%以上, 极值点透过率约为93.8%, 接近石英玻璃基片的透过率, 其中, 6号试样的平均透过率最高, 达到88.8%, 尤其在300～500 nm有较高的透过率。同时可以看出, 三个参数对近紫外区透过率影响重要程度依次为离子辅助能量、温场、沉积速率。

根据实验号6的透过率曲线中的极大值和极小值, 运用包络线法, 它是在一定的光谱范围内, 把极大值和极小值分别用包络线相连, 得到曲线T+(λ)和T-1(λ), 在基片折射率n已知的情况下, T+(λ)和T-1(λ)唯一确定薄膜的光学常数[6]。计算出的Ta2O5的折射率、消光系数如表 3所示。

由于在计算Ta2O5薄膜的光学常数过程中已经确定了沉积工艺条件中的温场、离子辅助的工艺参数, 因此在确定SiO2薄膜的光学常数, 正交试验时只考虑沉积速率这一试验因素, 运用包络线法计算出的SiO2折射率、消光系数[7]如表 4所示。

针对近紫外区宽带高反射率的光谱要求, 传统的规整膜系是无法达到设计要求的, 必须在规整膜系基础上进行优化设计。膜系在优化设计过程中应当考虑到在满足薄膜的光谱要求下, 尽量减少膜系的层数以减少镀制的误差累积, 避免出现过薄层( < 10 nm)导致厚度难以精确控制, 避免出现膜层灵敏度[8]过高的单层膜, 保证镀制生产的重复性。

利用商业膜系设计软件TFCalc对基础膜系进行变尺度优化[9], 最终膜系共41层, 最薄层为39层(d=16.45 nm), 第一阶膜层灵敏度见图 3所示, 所有膜层灵敏度均在可控范围内。得到的优化设计的光谱曲线如图 4所示, 由图 4可知优化设计曲线满足:R > 93%@300~450 nm; Tavg > 85%@500~1 000 nm的指标。

薄膜制备工作是在北京中方盖德公司制造EPD1300型真空镀膜机上完成的, 该镀膜机配有EEG-10型电子枪2台, WSL-15离子源2台, 气体流量计3台, 加热温度最高可达350 ℃, 同时配有MDC360膜厚控制仪, 具备制备宽带近紫外膜的能力。主要制备过程如下:

镀前过程:将反光镜用超声波清洗机清洗干净, 装入夹具, 放在基片架上, 抽真空, 并开启加温装置, 对基片进行加热, 烘烤温度设定为300℃; 行星式转动机构转速设定为8 r/min; 当真空室压力不大于2.0×10-2Pa时, 对Ta2O5与SiO2两种膜料进行预熔处理, 去除膜料中残存气体和杂质; 当真空室压力低于4.0×10-3Pa时, 开启流量计, 充入比例为3:1的氧气与氩气的混合气体, 同时接通两个霍尔离子源的电源, 轰击玻璃表面, 对基片进行蚀刻, 起到活化基片表面和离子清洗的目的。

镀膜过程:多层膜厚度参数输入到晶控仪中, 利用石英晶体监控技术来控制介质膜层的镀制厚度。使用电子枪将Ta2O5与SiO2两种膜料交替沉积在基片内表面, 整个镀制过程中应用离子辅助沉积技术, 它可以提高沉积粒子的迁移率, 从而增加膜层的致密度, 保证膜层光学特性的稳定。

制备的宽带近紫外反光镜光谱指标采用cary300紫外-可见分光光度计进行测试, 测试结果如图 5。从多次制备的测试结果来看, 符合R＞93%@300～450 nm, Tavg＞85%@500～1 000 nm的近紫外区超宽带反光镜膜系的设计指标, 较常规近紫外冷反射镜[2]的反射率有大幅提高。

附着力试验:附着力试验按环境试验GB/T 26331—2010附着力试验的规定进行。在反光镜膜层表面粘贴宽度为12～13 mm, 剥离强度不小于6.86 N(2 cm宽)的胶带, 以垂直于膜层表面方向的力沿胶带一端快速拉起, 目视检验膜层表面, 未发现膜层发生变化。

高温试验:将反光镜放置于烤箱中, 加热至400 ℃±5 ℃, 恒温30 min, 在烤箱中自然冷却后取出, 目视检验膜层表面。若无其他规定, 烘箱温度变化率不超过3 ℃/min。然后进行附着力试验, 试验后未发现膜层发生变化。

浸泡试验:浸泡试验按环境试验GB/T 26331—2010中浸泡和煮沸试验的规定进行。将反光镜完全浸入水中, 24 h后, 目视检验膜层表面。然后进行附着力试验, 试验后未发现膜层发生变化。

本文采用Ta2O5和SiO2作为高低折射率材料, 以规整周期膜系为基础, 并结合商用膜系设计软件TFCalc进行变尺度法优化, 实现了该近紫外区宽带高反射率反光镜膜系的设计, 并分析了膜层敏感度, 该膜系膜层敏感度相对较低, 保证了镀制可重复性。采用电子束真空镀膜及双离子辅助沉积的方法, 制备紫外区宽带高反射率反光镜, 经过测试分析和环境试验, 该薄膜性能稳定, 易于批量生产。通过客户使用反馈完全满足其使用要求, 达到国外同样产品的生产水平。