Die Ionenstrahlsputtern-Technologie (IBS) hat die UV-Laseroptik in den letzten 25 Jahren stark weiterentwickelt, da sie in der Lage ist, hochwertige optische Filme für Ultraviolett-(UV)-Laseranwendungen abzuscheiden (siehe Abbildung 1). Hochwertige Optiken manipulieren und richten den Laserstrahl und sind entscheidend für die Leistung und Lebensdauer des Lasers. Biomedizinische Anwendungen, Halbleiterverarbeitung, Mikrobearbeitung und andere UV-Laseranwendungen nehmen dank der IBS-Technologie weiter zu.
Während optische UV-Filme mit vielen Herausforderungen konfrontiert sind, hat die Einführung der IBS-Technologie die Abscheidung hochwertiger optischer UV-Filme ermöglicht.
Den Herausforderungen der UV-Laseroptik begegnen
UV-Laseroptiken stehen vor zwei Herausforderungen: einer Absorptionsverstärkung, die die Laserleistung verringert, und einer Streuungsverstärkung, die die Intensität des Lasers verringert. Optische Filme können weiter beschädigt werden, wenn Filmspannung, Stöchiometrie oder Filmdichte nicht optimiert werden. Die Beschichtung ist das schwächste Glied, und optische Beschichtungen können optimiert werden, wenn wichtige Verarbeitungsschritte wie das optische Beschichtungsdesign, die Substratreinigung, die Abscheidung und die Nachbearbeitung verbessert werden.
Unsere Forschung konzentriert sich auf verschiedene Produktionsaspekte optischer Beschichtungen, einschließlich Targetauswahl, Sauerstoffdruck, Sputterenergie und Glühzeit, mit dem Ziel, die Qualität optischer Beschichtungen für IBS-Systeme zu verbessern (siehe Abbildung 2) [1]. In den letzten Jahren wurden die Auswirkungen unterschiedlicher Prozessbedingungen und Nachbehandlungsglühen auf optische HfO2- und SiO2-Dünnfilme untersucht. Zu den analysierten Parametern gehören:
-Auswirkung metallischer und dielektrischer Sputtertargets auf die UV-Eigenschaften;
-Auswirkung des Sauerstoffpartialdrucks (O2) auf die Stöchiometrie und die Filmeigenschaften;
-Die Wirkung ionenunterstützter Quellen und Strahlenergie auf Film- und Abscheidungseigenschaften;
-Die Auswirkung des Glühens auf Stöchiometrie, Spannung und Filmeigenschaften.
Dieses Projekt bei Veeco konzentriert sich auf optische Beschichtungen in Nd:YAG-Lasern. Oxidfilme können von Oxid- oder Metalltargets gesputtert werden. [2] Metalltargets haben eine geringere Absorption, aber höhere Sputterraten. Eine höhere Sputterrate verbessert die Beschichtungseffizienz, solange andere Filmparameter erfüllt sind. Bei der Abscheidung dünner HfO2-Filme ist der O2-Partialdruck ein entscheidender Prozessparameter. Wenn der O2-Partialdruck die Anforderungen nicht erfüllt, sind die Filme anfällig für Strukturfehler. Insbesondere Sauerstoffmangel erzeugt elektronische Zustände unterhalb der Bandlücke, die zu Laserschäden an optischen Komponenten führen. Ungleichgewichtige HfO2-Filme mit niedrigem Sauerstoffgehalt sind stark absorbierend und undurchsichtig und können die Anforderungen der UV-Laseroptik nicht erfüllen.
Ionenstrahlenergie und Glühen
Die Ionenstrahlenergie ist ein weiteres kritisches Prozesselement. Beim Plattieren von SiO2-Filmen verringert die Verringerung der Ionenstrahlenergie die Absorption des SiO2-Films und verbessert dadurch die Leistung des Lasersystems. Allerdings ist dies mit Kosten verbunden. Während die Verringerung der Ionenstrahlenergie die Filmqualität verbessert, verringert sie auch die Abscheidungsrate, was sich auf die Produktivität auswirkt. Beim SiO2-Prozess hilft der Einsatz eines Hilfsstrahls, die Übertragungsrate zu erhöhen.
Bei HfO2-Filmen nimmt die Widerstandsfähigkeit gegen Laserschäden mit zunehmender Hilfsstrahlenergie ab. Offensichtlich spielt die Optimierung der Sputterenergie eine entscheidende Rolle für die Qualität des Films.
Auch das Tempern spielt eine Schlüsselrolle für die Qualität des Films, da es ein entscheidender Schritt ist, um den geringsten Verlust und die höchste Beständigkeit gegen Laserschäden zu erreichen. Während des Sputterprozesses unterliegen die abgeschiedenen Filme aufgrund der hochenergetischen Abscheidung Druckspannungen und Defekten. Das Glühen trägt dazu bei, die Spannung zu lösen und lose Bindungen zu beseitigen, die während des Sputterprozesses entstehen.
Der Glühprozess verändert auch leicht das stöchiometrische Verhältnis des Films. Im Idealfall sollte das Tempern die Filmspannung reduzieren und zu optimalen optischen Eigenschaften führen. Untersuchungen von Veeco haben gezeigt, dass das Tempern die Eigenschaften der abgeschiedenen Filme verbessern kann, aber auch ein zu langes Tempern oder eine zu hohe Temperatur kann schädlich sein. Wenn die Glühbedingungen nicht richtig sind, nimmt die Grenzflächenrauheit zu und der Film kann kristallisieren. Die Anzahl der Schichten und die Zusammensetzung optischer Filme können je nach UV-Laseranwendung variieren, daher sollte die Glühzeit für jede Schicht optimiert werden.
