（光学工程专业论文）50110nm高反射率多层膜的设计、制备与检测.pdf

摘要 摘要 天体物理、大气物理、空间通讯和空间天气预报对波长小于l1 0n m 的真空 紫外与极紫外波段高反射镜有着特殊需要。然而设计这一波段的反射镜相当困 难，主要是由于所有材料对这一波段都强烈吸收，单层膜和常规的多层膜反射 镜都不能满足实用要求。因此，寻找合适的方法提高这一波段的反射率显得尤 为重要。2 0 0 1 年，l a r r u q u e r t 提出了亚四分之一波长多层膜思想，可以有效解决 强吸收材料在某一波长处的反射问题。然而，至今人们对于宽波段强吸收高反 射率膜层并没有傲深入研究。本论文将亚四分之一波长多层膜思想应用于宽带 多层膜的设计，摸索了制备工艺，制备了宽带高反多层膜样品，对提高宽波段 强吸收材料的反射率做了一定的尝试。 论文简要阐述了5 0 1 1 0n m 强吸收波段亚四分之一波长多层膜的设计方法。 这种膜系是由强吸收材料叠加而成，每层膜光学厚度小于四分之一个波长。与 常规周期多层膜相比，这种膜系更适用于提高强吸收波段的反射率。利用该方 法设计了5 0 啪处高反射多层膜，并以此为初始条件通过l e v e n b e r g - m a r q u a r t 优化 方法完成了5 0 1 1 01 1 1 1 1 强吸收波段宽带高反射率s w c o 多层膜的设计，其平均反 射率达到4 5 。采用直流磁控溅射方法制备了s 价w c o 多层膜，用x 射线衍射仪 ( x r d ) 对膜层结构进行了测试，并进行了厚度和粗糙度拟合，结果表明制作出的 多层膜结构与设计结构基本符合。 关键词：亚四分之一波长；多层膜；极紫外；高反射率；磁控溅射 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e a n de u vs p e c t r a lr e g i o nb e l o w1 1 0n mh a sb e c o m i n gai n t e r e s t i n g r e s e a r c ha r e ad u et oa p p l i c a t i o n so f d i f f e r e n tf i e l d s ，s u c h 勰s o l a rp h y s i c s ，a t m o s p h e r e p h y s i c s ，s p a c ec o m m u n i c a t i o na n ds p a c ew e a t h e rf o r e c a s t h o w e v e r , i ti sd i f f i c u l tt o d e s i g nt h eh i g hr e f l e c t i v i t ym i r r o ri nt h i ss p e c t r a lr e g i o n t h er e a s o ni st h er e f l e c t i v i t y o fs i n g l el a y e ra n ds t a n d a r dm u l d l a y e r sc a nn o tm e e tt h ea p p l i c a t i o nd e m a n dd u et o t h eh i 曲r a d i a t i o na b s o r p t i o no fa i lm a t e r i a l si nt h i ss p e c t r a lr e g i o n c o n s e q u e n t l y , i t i si m p o r t a n tt of i n ds u i t a b l em e t h o dt o 甜l a n c et h er e t e n t i v i t yi nt h i ss p e t r a ll e g i o n i n2 0 0 1 ，l a r r u q u e r tp r o v i d e dan e w d e s i g nm e t h o do fs u b q u a r t e r - w a v em u l t i l a y e r s w h i c hi se f f e c t i v et o 豇l h a n c et h er e f l e c t i v i t ya tc e r t a i nw a v e l e n g t h b yn o w , t h e r e s e a r c ho fb r o a db a n dh i 曲r e f l e c t i v i t ym i r r o r sh a sn o tb e e nm a d ed e e p l y t h ep a p e r a t t e m p t t o d e s i g na n df a b r i c a t eb r o a db a n dm u l t i l a y e r sb yt h e m e t h o do f s u b q u a r t e r - w a v em u l t i l a y e r s t h ed e s i g nm e t h o do fs u b - q u a r t e r - w a v em u l t i l a y e r sw i t he n h a n c e dn o r m a l r e f l e c t a n c ei nt h es t r o n ga b s o r b i n gr a n g e5 0 - 11 0n nh a sb e e np r e s e n t e d t h e m u l t i l a y e r sc o n s i s t e di n t h es u p e r p o s i t i o no faf e wl a y e r so fs t r o n ga b s o r b i n g m a t e r i a l s t h eo p t i c a lt h i c k n e s so fe a c hl a y e ri nt h em u l t i l a y e r si sl e s st h a n q u a r t e r - w a v et h i c k n e s s c o m p a r e d t ot h es t a n d a r d m u l t i l a y e r s 。t h i sm u l t i l a y e r s t r u c t u r em o r es u i t st o n _ h a n o er e f l e c t a n c eo fs t r o n ga b s o r b i n gw a v e l e n g t hr a n g e t h e l l i g hr e f l e c t a n c em u l t i l a y e r ss i w c ow a sd e s i g n e da tw a v e l e n g t ho f5 0 蛳b yu s i n g t h i sm e t h o d , a n dt h e n o p t i m i z e db a s e d o nt h i si n i t i a lc o n d i t i o nb yu s i n g l e v e n b e r g - m a r q u a r ta l g o r i t h m i naw i d ew a v e l e n g t hr a n g e5 0 - 1 1 0l i r a t h e c a l c u l a t e dr e s u l t ss u g g e s tt h a tt h er e f l e c t a n c eo f t h em u l t i l a y e ri s 豳h i g h 4 5 t h e s a m p l ew a sf a b r i c a t e db yu s i n gah i g hv a c u u md i r e c tc u r r e n tm a g n e t r o ns p u t t e r i n g t h e n , t h em u l t i l a y e rw a sc h a r a c t e r i z e db ya1 0 wa n g l ex - r a yd i f f r a c t i o n t h er e s u l t s s u g g e s t e dt h a tt h ef a b r i c a t e dm u l t i l a y e rs t r u c t u r em e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：s u b q u a r t e r - w a v em u l t i l a y c r , e u v ；r e f l e c t i v i t y ；m a g n c t r o ns p u t t e r i n g 申请同济大学工学硕士学位论文 5 0 1 lo n m 高反射率多层膜的设计、 制备与检测 ( 国家自然科学基金项目编号：1 0 4 3 5 0 5 0 ) 培养单位： 一级学科： 二级学科： 研究生： 指导教师： 理学院 物理 光学工程 李存霞 王占山教授 二oo 七年二月 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 自2 0 世纪5 0 年代以来，人们开始了对光学多层膜的研究【“。经过几代人的 不懈努力，多层膜的研究与应用几乎遍布了整个电磁波谱 2 5 ，如图1 1 所示。 从红外到软x 射线以至于波长更短的硬x 射线波段，多层膜都以其特有的优势 在科学研究与技术应用领域发挥着不可替代的作用。然而，电磁波谱中，在极 紫外与真空紫外约t 0 - 2 0 0 加1 波段，人们的研究并不深入。主要是因为材料在这 一波段具有不同于其他波段的吸收特性，研制符合应用要求的多层膜光学元件 有一定困难。即便如此，人们还是可以采用常规的多层膜结构在小于5 0n l n 和 大于1 1 0a m 波段实现了光学元件的反射率增强。然而在5 0 1 1 0n n a 强吸收波段， 长期的研究工作却难有突破。主要是因为所有材料在这一波段的吸收特性尤其 明显，几乎可以吸收全部辐射光。正是这种强吸收特性，使得常规的多层膜难 以产生适合的光学特性。近年来，随着空间科学与技术的发展，真空紫外与极 紫外波段光谱在天体物理，大气物理，太阳光谱学以及卫星表面膜层的温度控 制等众多领域有着迫切的应用需要【4 】，同时在同步辐射光学系统以及皿微米光刻 技术【5 l 中也突显出重要的研究价值。要在这些领域进行研究工作，性能良好的 5 0 - 1 1 0 姒波段高反射镜是必备的光学元件。因此，科学技术的进步迫切需要人 们致力于5 0 1 1 0n l n 强吸收波段高反射镜的研究。 图1 15 0 1 1 0n l m 波段在电磁波谱中的位置 f i g u r e1 1t h ep o s i t i o no f s 0 1 1 0m i nt h ew a v e l e n g t hr a n g eo f l i g h t l 第1 章绪论 1 25 0 1 1 0n m 波段反射镜的发展 对于5 0 1 1 0n m 波段高反射镜的研究并不是一蹴而就的，人们做过许多尝 试。在波长9 0 1 2 0n m 波段，单层金属膜如a u 、p t 、珉o s 、r h 以及单层s i c 薄膜的反射率约为2 0 到5 0 6 1 ，难以满足实用要求。非氧化的a l 膜在8 5 眦 到1 2 0n m 波段会产生接近于9 0 的反射率f 7 捌。但是由于m 膜暴露在空气中很 容易氧化，大大降低膜层的反射率。为了利用材料m 在这一波段良好的反射特 性，h u n t e r 等人于1 9 7 1 年首次采用舢加保护膜m g f 2 或l i f 的方法来抑制a t 膜的氧化， 9 , 1 0 , 1 1 从而使光学元件满足天文观测的需要。此后的二十多年时间里， 对这一波段的研究没有任何进展。1 9 9 4 年l a r r q u e r t 对舢加m g f 2 和l i f 多层膜 暴露在空气中的氧化程度进行了研究 t 2 j 3 1 ，结果表明在8 2 6 1 2 0 眦波段，m 加m g f 2 和l i f 保护层在不同的充氧流量下会发生不同程度的氧化，尤其在波长 相对较短的8 2 6 1 0 4 8 衄波段，由膜层氧化导致的反射率下降比长波段更为明 显。这种影响必然限制光学元件的使用寿命i 。除此之外，由于m g f 2 和l i f 分 别在波长大于1 1 5n i n 和1 0 5i l r n 波段具有较少的吸收，可使膜层在大于此波段 产生很好的反射效果，但是在其余波段反射率并不理想。在这种情况下l a r r q u e r t 于1 9 9 8 年发表了自己的研究结果，将在5 0 1 2 1 6n i r l 波段反射率相对较高的s i c 和b 。c 应用于反射率研究，使用两种以上材料对提高这一波段的反射率进行了 多种膜系设计【”j 一种是在制备技术已经成熟的a i m g f 2 膜层上分别镀制s i c 或b 4 c 构成a t m 2 s i c 和a i m g f 2 b 4 c 多层膜，其在9 1 2i l i n 波长处的反射率 分别达到4 1 8 和4 0 7 ，比单层的s i c 或b 4 c 薄膜反射率有明显增加。第二种 设计方案是在玻璃基板上从外到内依次镀制s i c 1 3 4 c d l c ( 金刚石炭) ，这三种 材料在5 0 1 1 0 啪波段均有较大的吸收，且其排列特点是折射率依次增加，这样 的多层膜结构其反射率可达3 9 4 。第三种设计方案是将前两种设计方案相结 合，将第一种设计方案中的外层材料用d l c b 4 c ，s i c 来代替，构成 a l m g f 2 i ) l c , b 4 c s i c 多层膜，其反射率高于前两种设计方案，达到4 4 6 。从 而利用高吸收材料实现了9 1 2n n l 波长的反射率增强。由于多层膜膜层数较少， 所以在整个5 0 - 1 2 1 6 n m 波段有较好的展宽特性【1 6 1 ，反射率随着波长的增加逐渐 增大。尽管5 0n m 波长处的反射率不到2 0 ，但是多种材料构成的多层膜可以 提高反射率是显而易见的。2 0 0 1 年，l a r r q u e r t 在此基础上提出了一种新的设计 思想，即用亚四分之一波长多层膜提高某一波长处的反射率 1 7 , 1 8 1 。这一设计思想 2 第1 章绪论 是用多种强吸收材料叠加构成多层膜，每层膜的光学厚度小于入射光波长的四 分之一。与常规的由两种材料组成的多层膜相比，这种由多种材料组成的亚四 分之一波长多层膜结构更加有利于提高某一波长处的反射率。这是因为亚四分 之一波长多层膜每一膜层的厚度相对较小，减少了对入射光的吸收，同时也使 得更多的界面有机会参与反射，提高了入射光的反射效率。更为重要的是皿四 分之一波长多层膜设计方法可以提供一种直观的选材规则，解决了多种材料如 何选材的问题，且可以确定出每一膜层的厚度，从而得到反射率结果。利用这 样的设计思想，l a r r q u e r t 给出了8 3 4 r i m 波长处的高反膜设计结果。单层s i c 薄 膜在8 3 4 m 处反射率为3 6 3 ，而利用亚四分之一波长多层膜设计方法得到的 s i c b 4 c c ，s i c b 4 c c m g f 2 ，s i c ，b 4 c ，c a 也0 3 瓜i 驴2 多层膜结构反射率依次为 3 9 5 ，4 0 9 和4 1 o 。相对于单层膜而言，亚四分之一波长多层膜的反射率 有明显增加。而且在5 8 4 n m 和9 1 2 r i m 波长处使用亚四分之一波长多层膜亦有 非常明显的增反作用【1 9 1 。所以亚四分之一波长多层膜提高反射率的作用是很明 显的，对于解决5 0 1 1 0n n l 强吸收波段的增反问题具有重要意义。2 0 0 2 年， l a r r q u e r t 又对亚四分之一波长多层膜设计方法做了迸一步发展，提出这种设计 方法不仅对于增强5 0 1 1 0n n l 波段某一波长处的反射率有效，同时对于波长小于 5 0n r n 的极紫外波段同样适用【2 0 1 。文献中对3 0 4 r i m 波长处高反膜的设计证明了 这一点。在不考虑材料之间的扩散渗透和化学反应的情况下，由两种材料a i o s 构成的多层膜反射率为4 4 6 ，由十种材料a 1 s i b b 4 c o s a u m o h f w g e 构 成的膜系反射率可增至5 3 6 。同时l a r r q u e t t 又利用亚四分之一波长多层膜理 论构建了更短波长1 1 3 r i m 和1 3 4 r i m 的高反射膜系【2 ，结果表明在波长较短的 极紫外波段，亚四分之一波长多层膜同样适用，多层膜的反射率会随着所用材 料数的增加逐渐增大。亚四分之一波长多层膜突破了传统的两种材料构建多层 膜的思维定势，利用多种吸收材料来实现某一波长处的高反射率。它不仅适用 于提高5 0 1 1 0n n l 强吸收波段的某一波长处的反射率，同时也非常适用于增强 波长小于5 0 蛳的适度吸收波段的反射率。至此，利用亚四分之一波长多层膜 对5 0 - 1 1 0 姗强吸收波段某一波长的增反问题己初步得以解决，然而到目前为止 还没有相关文献对这一波段的宽带高反射进行报道。 3 第1 章绪论 1 j5 0 1 l o n m 波段反射镜的应用价值 本项目发展起来的技术，主要是高精度薄膜厚度控制技术以及真空紫外薄 膜技术，对我国羼步辐射应用和真空紫外天文学的发展有重要的应用价值，且 对于等离子体物理，受控核聚变等领域的研究工作具有巨大推动作用。 1 4 本文的研究内容 由于我国i c f 诊断制靶镀膜装置中需要用到5 0 1 1 0m 波段高反射镜解决实 验监控问题，同时也结合我国的空间遥感器的未来需要，本文进行了5 0 1 1 01 1 i n 高反射率多层膜的设计、制各与检测，具体内容包括以下几个方面： l5 0 - 1 1 0r t n 高反射率多层膜的设计。在5 0 1 1 0 础波段，采用亚四分之一 波长多层膜的选材方法，找到合适的高反射镜的材料组合，用l a r r u q u e r t 的方法【2 2 】 即每层厚度取最佳反射率的方法确定每层膜的厚度，采用平坦型评价函数，运 用l e v e n b e r g - m a r q u a r t 优化算法设计得到s i f w c o 宽带高反膜； 2 5 0 - 1 1 0n l t l 高反射率多层膜的制备。在高反射镜的研制过程中，根据高反 射镜工作波段和对性能的要求，采用磁控溅射方法完成。在磁控溅射方法制作 时，研究不同工艺参数对膜层结构、膜层表界面枢糙度、反射率的影响，得到 较好的工艺参数。在一定的工艺条件下，采用三种材料两两定标的方法，确定 出不同材料的溅射速率，进行了多层膜的制备； 3 样品的检测及结果分析。制备的多层膜通过两种方法进行检验，其一是 x 射线衍射仪的结构测试，其二是合肥国家同步辐射实验室的反射率测量。对x 射线掠入射反射测试曲线进行拟合，结果表明制备的多层膜与设计结果基本符 合，界面粗糙度小，对多层膜反射率影响不明显。 4 第2 章5 0 1 1 0m 高反射率多层膜的设计 第2 章5 0 1 1 0n e l l 波段高反射率多层膜的设计 2 1 引言 波长小予1 1 0n l n 的真空紫外与极紫外波段有许多重要的光谱线，其对天体 物理、大气物理、空间通讯和空间天气预报的应用具有重要意义。由于这一波 段，没有任何透明材料，所以，要想利用这些光谱线，高反射率镜是关键。一 般而言，高反射镜的工作原理和设计方法是以多界面的多光束干涉理论为基础 的f 2 3 捌。最简单的提高反射率的方法是在基片上镀制单层膜。在基片上镀以光学 厚度为四分之一波长的高折射率膜层后，反射率就会增大。但实际上由于单层 膜材料的折射率是有限的，可实现的最高反射率往往难以满足应用要求。为了 更加有效地提高反射率，人们采用了在基底上镀制周期性多层膜的方法。在基 底上镀制高低折射率交替的介质多层膜，每层膜厚度均为四分之一波长光学厚 度，从而得到更高的反射率周期性多层膜之所以能提高反射率，是因为从膜 层所有界面上反射的光束，当它们回到前表面时具有相同相位，从而产生相长 干涉。理论上，高低折射率材料的折射率之差越大，层数越多，则反射率越高。 实际上，由于膜层中的吸收散射损失，在膜系达到一定层数后，继续加镀多层 膜并不能提高其反射率，有时甚至由于吸收，散射损失的增加而使反射率下降。 近= 十年来，人们利用单层膜和常规周期性多层膜提高反射率方面做了许多努 力。当波长小于5 0 姗时，单层膜和常规正入射多层膜的制备工艺日趋成熟， 可获得高反射多层膜镜 2 5 , 2 6 。当波长大于1 1 0n m 时，由于存在透明材料如m g f 2 和l i f ，也可制备出性能优异的高反射率多层膜。但是在5 0 - 1 1 0n m 波段，所有 材料都是强烈吸收的，单层膜虽可增加一部分反射，但反射率难以满足实用要 求。常规周期多层膜中每层膜的厚度基本上是波长的四分之一，对5 0 - 1 0 0n m 的 辐射，一层波长四分之一的薄膜将吸收绝大部分入射光，故不能使用常规多层 膜增加反射率。因此，长期以来设计制各5 0 - 1 1 0 姗波段的高反射率膜层一直没 有取得突破性的进展。2 0 0 1 年，l a r r u q u e r t 提出了采用亚四分之一波长多层膜设 计某一波长处高反射镜的思想，使进一步提高极紫外与真空紫外波段的薄膜反 射率成为可能。亚四分之一波长多层膜是由多种高吸收材料叠加而成，这样， 5 第2 章5 0 1 1 01 1 1 1 1 - 高反射率多层膜的设计 亚四分之一波长多层膜具有针对吸收问题的优势，对于提高5 0 1 1 0n l p 波段强吸 收薄膜的反射率具有重要作用。 本章主要讲述5 0 1 1 0 姗波段高反射率多层膜设计的相关内容，包括以下 几个主要方面：亚四分之一波长多层膜设计方法介绍，高反射率多层膜膜层材 料的选取和膜层厚度的确定，最后给出优化设计结果。 2 2 亚四分之一波长多层膜设计方法 设计多层膜，需要解决两个问题，其一是膜系材料的选择，其二是膜层厚度 的分布。亚四分之一波长多层膜设计方法是由多层膜的反射率公式推导得出的， 可以同时确定多层膜膜层材料和膜厚分布。下面就对亚四分之一波长多层膜的 选材方法和膜厚确定方法做一简要介绍。 2 2 1 亚四分之一波长多层膜选材 常规多层膜是由两种材料构成的，为使其反射率达到最大值，通常其选材 应遵循以下原则【2 7 1 ： ( 1 ) 选择吸收系数尽可能低的材料： ( 2 ) 选择光学常数相差尽可能大的材料。 利用这样的选材原则，由材料光学常数的i k 图就可以选择薄膜材料。与常规多 层膜的选材方法不同，亚四分之一波长多层膜的选材方法可以方便地进行多种 材料的选择，并可以给出材料的排列顺序使反射率尽可能提高。亚四分之一波 长多层膜的选材原则是膜层材料的光学常数必须满足下面的条件 1 7 , 1 5 ： a 7 、r i m ( 云 ) 0 i f 2 ，3 l + i ( 2 1 ) 删v i - 1 其中a n i = n i + j - n , 表示第i + l 层和第f 层膜层材料光学常数的增量，n ：n f + i k t 表 示材料的复折射率。膜层编号从最外层到基片依次为j ，2 ，l + i 。根据复数 商的几何表示方法，把( 2 1 ) 式鲥豹关系转化为复角的关系为o a 鳓l - j a f o ￥ r , 即从a n l 到刎怯，的转角要取0n n y _ 间。体现在n - k 图上就是：选定最外层材料 后，在n - k 图上顺时针旋转就可以依次确定第2 到第工层材料，如图2 1 所示 理论上，依顺时针旋转，材料的光学常数满足选材原则，得到的多层膜反射率 6 第2 章5 0 1 1 0n m 高反射率多层膜的设计 最大；若逆时针旋转，得到的多层膜反射率最小。特殊地，对于由两种材料x 和y 构成的多层膜而言，若x 作为上层材料反射率低，反之将y 作为上层材 料反射率必然高。这样，亚四分之一波长多层膜的选材也可以方便直观地进行 两种材料的选择根据亚四分之一波长多层膜设计思想，要使膜系有较好的增 反效果，膜层材料的选择必须尽可能满足： ( 1 ) 选用膜层材料足够多： ( 2 ) 相邻膜层材料的光学常数相差足够大。 n 图2 1 波长5 0 i l 处各种材料光学常数的n - k 图 f i g 2 1o p t i c a lc o n s t a n t so f c o a t i n gm a t e r i a l sa t5 0r a n w a v e l e n g t h 要使这两个条件较好的得到满足，构建的多边形应将所有的备选材料包括 在多边形内部，即应该选择面积最大的多边形，由这个多边形顶点材料构成的 膜系反射率最大当然，包围在面积最大的多边形内部的材料也可以构建多边 形，且按顺时针旋转排列组成的多层膜同样有增反效果；依多边形顶点旋转一 周后可以继续旋转选材构建多层膜，只是这种增反效果就不是非常明显了。图 2 1 中多边形顶点对应的材料之间a n 较大，因此，由这些顶点材料组成的膜系 反射率最大。上述结论只是在理想情况下成立，在具体进行实验制备的时候， 并不是所有顶点材料都可以选择。材料的选择必须考虑到其物理化学特性是否 7 第2 章5 0 - 1 1 0t i m 高反射率多层膜的设计 稳定，相邻膜层材料之间是否会发生相互反应和扩散，这些条件限制了极紫外 与真空紫外波段设计高反射膜层材料的选择。 2 2 2 亚四分之一波长多层膜膜厚分布 亚四分之一波长多层膜不仅可以给出多层膜的材料选择规则，同时也可以 给出在确定的材料组合下多层膜的膜厚分布，进而计算得到多层膜的反射率。 亚四分之一波长多层膜的膜厚可由下式确定( 1 2 1 3 】： 一 i m ( a m a f 1 ) 鳓一斌渊 ( 2 2 ) 磊= 4 ：厅丁n l x l f ：2 ，3 三+ l ( 2 3 ) 。 、7 其中而表示膜层厚度。办表示光波在膜层中传播所发生的相位变化，其取 值范围 o 丸。 万 ( 2 4 ) 因此有 ， 0 ，。 詈 ( 2 5 ) 很明显，亚四分之一波长多层膜每一层薄膜的光学厚度都小于入射光波长的四 分之一因此，亚四分之一波长多层膜比常规周期多层膜在一定的光程内有更 多的界面，这些界面离薄膜表面的距离更近，入射光有更多的机会获得由多个 界面干涉产生的高反射，减少了入射光的吸收。在5 0 - 1 1 0n m 波段所有材料都具 有强烈的吸收特性，要提高这一波段的反射率，亚四分之一波长多层膜结构比 常规的周期多层膜更实用。 2 35 0 1 1 0n m 波段高反射率多层膜材料组合的选择 亚四分之一波长多层膜的选材方法是对某一波长而言的，利用这种选材方 法可以非常有效地确定多层膜材料组合来提高某一波长处的反射率。我们的设 8 第2 章5 0 1 1 0m 高反射率多层膜的设计 计目标是5 0 1 1 0n m 的宽波段，在这一波段，由于材料的强吸收作用，整个波 段反射率都很低。要有效提高反射率，一方面要尽可能减少材料的吸收，另一 方面要增强界面的反射率。这就要求膜系具有较少的膜层数和最佳的材料组合。 在5 0i r a l 附近，辐射穿透能力强，通常较少的膜层数是很难有效提高反射率的， 所以选择最佳的材料组合显得尤为重要。而且，在5 0 - 1 1 0n l n 波段内，随着波 长的增加，一般材料的反射率都是增加的。因此，设计5 0 1 - 1 0n m 宽带高反射 率多层膜，关键就在于5 0n l l l 波长处材料组合的选择和膜层数的确定。本文中， 我们以5 0n n l 为中心波长，绘制了5 0n l l l 波长处的n - k 图【2 酗，如图2 1 所示。 利用亚四分之一波长多层膜的选材方法来确定初始膜系。 根据亚四分之一波长多层膜设计思想，图2 1 中面积最大的多边形顶点对 应的材料之间a n t 较大，因此，由这些顶点材料组成的膜系反射率最大多层 膜材料的选择首先要确定最外层材料。我们计算了顶点材料的反射率，如表2 1 所示。 表2 1 一种材料的反射率 t a b l e2 1t h er e f l e c t i v i t yo f s i n g l e - l a y e rm i r r o r 材料反射率 s i0 0 1 8 s i c 0 1 2 6 w 0 。2 1 5 c 0 2 7 8 h 0 2 2 7 z r 0 1 4 1 c o0 0 5 7 a 10 0 1 8 其中c 的反射率最大，舢的反射率最小。考虑到在目标波段材料的吸收特 性，这里我们选择吸收最小且性能稳定的s i 作为第一膜层材料。根据选材规则， 9 第2 章5 0 ，1 1 0n m 高反射率多层膜的设计 以s i 为起点顺时针旋转，依次可以得到底层材料。以不同的顶点材料做为第二 层，用l a r r u q u e r t 的方法【2 9 。0 3 1 】计算得到两层膜的反射率，如表2 2 所示。从表 2 2 可以看出，将材料组合叠加起来，多层膜反射率会增加；在材料s i 下面加 第二种材料，所加材料本身的反射率越高则两层膜的反射率越大。对一个周期 而言，表2 2 中s v c 的反射率最大，s i a i 的反射率最小。 衷2 2 两种材料的反射率 t a b l e2 2t h e * e f f e c t i v i t yo f m u l t i l a y e r s 、i mt w om a t e r i a lc o m b i n a t i o n s 反射率 材料组合 一个周期两个周期三个周期 s 堋i c0 1 4 20 2 2 6o 2 7 4 s i 厢 o 2 6 4 0 3 4 9o 3 8 2 s 0 3 5 60 4 2 80 4 2 8 s m0 3 1 90 3 9 40 3 9 4 s i ，z r0 2 6 00 3 4 3 0 3 4 3 s 讷。o0 1 2 7 0 2 2 60 2 7 5 s 嫩l o 。0 3 l o 0 4 5 o 。0 5 9 若在s i s i c 下面再加第三种材料，计算得到不同材料组合的反射率如表2 3 所示。表2 3 中s 谲i c c 的反射率最大，s 潞i c a l 的友射率最小，并且材料组 合叠加的次数越多，反射率越大，并会逐渐达到饱和。在s i s i c w 下面再加第 四种材料，计算得到不同材料组合的反射率如表2 4 所示。表2 4 中s i s i c w c 的反射率最大，s 鸿i c ，w ，a 1 的反射率最小，并且材料组合叠加的次数越多，反 射率越大。同样。以吸收较少的s i 做为第一膜层材料，在s i 下面依次加w 、 h 、劾和c o 等膜层材料，并且计算反射率，得到的结果如表2 5 所示。由反射 率计算结果可以看出，随着膜层材料的增加，反射率会增大，并且新增加的膜 1 0 第2 章5 0 1 1 0m 高反射率多层膜的设计 层材料反射率越大，则会使整个膜系反射率越大。 表2 3s i s i c 系列三种材料的反射率 t a b l e2 3t h er e f l c c t i v i t yo f m u l t i l a y e r sw i t hs i s i cs e r i e st h r e em a t e r i a lc o m b i n a t i o n s 反射率 材料组合- 一个周期两个周期 三个周期 s i ，s i c ，w0 2 6 70 3 5 30 3 8 6 s 姻i c ，c0 3 6 1 0 4 3 3 0 4 5 6 s i s i c ，k0 3 3 60 4 1 6o 4 4 1 s l ，s i c ，z 10 3 0 50 3 9 10 4 2 0 s 嘏i c ，c o0 。2 3 70 3 3 50 3 7 4 s i ，s i c ， j0 1 5 50 2 5 3o 3 1 1 表2 4s i s i c 系列四种材料的反射率 t a b l e2 4t h er e f l e c t i v i t yo f m u l t i l a y e r sw i t hs i s i cs e r i e sf o u rm a t 曲lc o m b i n a t i o n s 反射率 材料组合 一个周期两个周期三个周期 s i s 、e 日t c0 3 6 1o 4 3 4o 4 5 6 s 鸿i c 月k0 3 4 30 4 1 9 0 4 4 3 s i s i c n f 陋0 3 4 1 0 4 2 3 0 4 4 9 s i ，s i c 帽r ，c o0 3 0 80 3 9 90 4 3 0 s i s 记f w f a l0 2 7 3o 3 7 40 4 1 8 1 1 第2 章5 0 ，1 1 0 衄高反射率多层膜的设计 表2 5s i ，w 系列三种材料的反射事 t a b l e2 5t h er e f l e c t i v i t yo f m u l d l a y e r sw i t hs i ws c d c st h r e em a t e r i a lc o m b i n a t i o n s 反射翠 材料组合 一个周期 两个周期三个周期 辚n | c 0 3 5 80 4 3 10 4 5 3 s j n v 恤0 3 4 1 0 4 1 60 4 4 0 s j 懈r 忆r0 3 3 8 0 4 2 00 4 4 6 s 矽酾bo 。3 0 5 0 ，3 9 50 4 2 6 洲| 峨0 2 7 0 0 3 7 00 4 1 3 衷2 6s i w 系列四釉材料的反射率 t a b l e2 6t h er c n c c t j _ v i t yo f m u l t i l a y e r sw i t hs i ws e r i e sf o u rm a t e r i a lc o m b i n a t i o n s 反射率 材料组合 一个周期两个周期三个周期 洲融 2 0 ，3 6 30 4 4 10 4 6 4 s i 舟f 位，c o 0 3 5 5n 4 3 70 4 6 2 s v 嫩n 日a 0 3 4 40 4 3 40 4 6 8 通过对不周材科组合反射率的计算。得到的结论是一致的：( 1 ) 组成多层 膜的材料数越多，则膜系的反射率越大：( 2 ) 多层膜周期数越多，反射率越大； ( 3 ) 组成多层膜的材料反射率越大，则膜系的反射率增加越明显。因此， 要提 高多层膜的反射率，一方面要增加多层膜的周期数，另外一方面要选取高反射 率的材料，并且尽可能使用多种材料。因此，在不考虑膜层间的相互扩散，渗 透和材料的稳定性的前提下，在5 0n n a 波长处要达到高反射率，最理想的材料 组合是s i ，c i r z r c o ，3 个周期时其反射率可以达到4 8 6 ，如表2 7 所示。 第2 章5 0 1 1 0n m 高反射率多层膜的设计 表2 7s i c 系列材料的反射率 t a b l e2 7t h er e f l e x i v i t yo f m u l t i l a y e r sw i 山s i s i cs e r i e sm a t e d a lc o m b i n a t i o n s 反射率 材料组合 一个周期 两个周期 兰个周期 s 忧0 3 5 60 4 2 8o 4 2 8 s i ，c m 0 3 6 4 0 4 3 6 o 4 3 6 黜c 融| 2 x0 3 8 3 o 4 5 7 0 4 7 9 s c 融| 2 x f c 00 3 9 60 4 6 4o 4 8 6 w a v e l e n g t h l n m 图2 2 波长5 0 1 1 0 n 1 n 材料组合s i w c o 的反射率曲线 f i g 2 2 t h er e f l e c t i v i t y c b f v c s o f s i w c o m u l t i l a y c r sf o r 5 0 一1 1 0 w a v e l e n g t h r a n g e 材料组合s i c i r z r c o a i 对于提高5 0n n l 波长处的反射率是最佳膜系，但 是由于其在目标波段反射率曲线不够平坦，主要是由于c 在1 0 0n m 附近有很 强烈的吸收造成的，所以对设计宽带高反膜而言并不是理想的膜层材料。我们 需要寻找一种膜系使其既在5 0 皿波长处有较高的反射，同时在其他波长处亦 具有较高反射。因此，我们利用除c 之外的其他反射率较高的膜层材料s i c 、 1 3 扫j；o旨正 第2 章5 0 1 1 0 高反射率多层膜的设计 w 、i r 、z r 和c o ，计算了在波长5 0n l n 处不同种材料组合的反射率，经过比较 发现材料组合s i w c o 和s i s i c w c o 在叠加两个周期时在5 0 1 1 0 b m 波段具有 相对平坦的反射率曲线，反射率曲线如图2 2 和图2 3 所示，我们将这两种材料 组合所对应的膜厚确定为设计初值。 图2 3 波长5 0 1 1 0 n m 材料组合s i s i c w c o 的反射率曲线 f i 晷2 3t h er c f l e c t i v i t yc t l i v e $ o f s i s i c w c om u l t i l a y e r sf o r5 0 - 1 1 0mw a v e l e n g t hr a n g e 2 45 0 1 1 0l l m 波段高反射率多层膜膜层厚度的优化 设计5 0 1 1 0m 波段高反射多层膜时在选定材料及排布顺序后，还要对 膜厚初值进行优化。本文利用l e v e n b e r g - m a r q u a r t 优化算法进行优化设计，并 且在优化过程中采用平坦型评价函数【2 3 1 f - - ( r i l l 一粕) 2 ) “2 ( 2 6 ) 丑 来获得反射率曲线比较平坦的多层膜结构，如式2 6 所示优化后材料组合 s 溯c 0 和s 淞i c 删c o 在5 0 1 1 0n m 波段具有几乎相同的反射率，因此我们最 终确定了三种材料s i 、w 和c o 两个周期叠加共六层膜s i w c o s i w c o 做为 最佳材料组合，膜系结构如表2 8 所示，对应的5 0 正入射反射率曲线如图2 4 。 理论设计多层膜膜厚约为几到十几纳米，平均反射率为4 5 ，标准偏差约为 1 4 参i；oo薯茁 第2 章5 0 1 1 0n m 高反射率多层膜的设计 3 9 。 表2 8 膜系结构 t a b l e2 8t h el a y e r - t h i c h 鲻d i s t r i b u t i o no f m u l t i l a y e r 编号材料厚度( m ) 1 s i8 9 6 2w1 1 5 7 3c o6 0 7 4 s i1 9 0 1 5w1 2 4 7 6c 01 1 6 8 w a v e l e n g t h l n m 图2 4s i w c o 多层膜5 。入射的反射率曲线 f i g 2 4t h ec a l c u l a t e dr e f l e c t i v i t yc i u v o f s i w c o s i w i c oc o m b i n a t o n sa tn o r m a li n c i d e n t a n g l eo f 5 。 1 5 鲁22e显 第2 章5 0 1 1 0n m 高反射率多层膜的设计 2 5 本章小结 本章首先简单介绍了亚四分之一波长多层膜的选材方法，对这种选材方法 得出的材料进行不同组合，计算反射率，然后运用l e v e n b e r g - m a r q u a r t 优化算 法对设计初值进行优化，从雨找到了宽带高反膜的最佳材料组合，并利用平坦 型评价函数进行平坦性优化，得出了宽带高反膜的设计结果。 1 6 第3 章5 0 1 1 0m 高反射率多层膜的制备 3 1 引言 第3 章5 0 1 1 0n m 高反射率多层膜的制备 制备多层膜依赖的是真空镀膜技术。真空镀膜就是在真空环境下利用物理 或化学手段将物质沉积在载体表面的一种工艺。对多层膜而言，最简单也是最 常用的镀制技术就是热蒸发，即利用物质受热后的蒸发或升华将其转化为气体 再沉积在基片表面。常见的蒸发源有三种：电阻加热蒸发源，电子束加热蒸发 源和激光加热蒸发源。还有一种普遍使用的方法是溅射法p 2 1 ，基本原理就是利 用经电场加速的高能正离子轰击固体表面。在