Al2O3薄膜在高重复频率266纳米紫外皮秒激光辐照下的损伤阈值性能

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Damage-threshold performance of Al 2O 3 films under high-repetition-rate 266 nm ultraviolet picosecond-laser irradiation

Al?O?薄膜通过电子束蒸发与离子辅助沉积工艺优化及高温退火处理，显著提升高重复率紫外激光下的损伤阈值，其中IBAD-EB工艺使单层薄膜损伤阈值达30.9 kW/cm2（EB为9.5 kW/cm2），退火后EB工艺薄膜氧化完整损伤阈值达27.9 kW/cm2。抗反射涂层经退火后损伤阈值分别提升5.62倍（EB工艺）和3.81倍（IBAD-EB工艺）。研究揭示了离子辅助与退火协同优化Al?O?薄膜损伤机制，为高重复率紫外激光涂层设计提供理论依据与实践指导。

　　

王梦蕾|王坤|刘启新|张伟莉|赵如晨|张磊|邵玉川

中国科学院高功率激光材料重点实验室薄膜光学实验室，上海，201800，中国

摘要

氧化铝（Al₂O₃）薄膜作为高功率紫外（UV）激光系统的关键涂层材料，由于其优异的光学性能和抗损伤能力，对激光输出的稳定性至关重要。本研究采用电子束蒸发（EB）和离子束辅助沉积电子束（IBAD-EB）技术制备了Al₂O₃薄膜，并进行了高温退火处理。结果表明，IBAD-EB工艺通过离子束的辅助作用提高了薄膜的密度，并引入了氧气，氧气的电离改善了薄膜的化学计量比，降低了吸收率，从而使Al₂O₃单层薄膜的损伤阈值提高到30.9 kW/cm²，比EB制备的薄膜（9.5 kW/cm²）提高了3.25倍。退火后，EB沉积的Al₂O₃薄膜完全氧化，其损伤阈值进一步提高至27.9 kW/cm²（提高了2.9倍），而致密的IBAD-EB薄膜的损伤阈值变化不大。在Al₂O₃/SiO₂抗反射涂层中，退火处理使EB制备的薄膜损伤阈值提高了5.62倍（达到55.6 kW/cm²），IBAD-EB制备的薄膜损伤阈值提高了3.81倍（达到36.2 kW/cm²）。本研究阐明了离子辅助和退火作用在高频紫外皮秒激光辐照下优化Al₂O₃薄膜损伤性能的机制，为高频紫外激光涂层设备的工艺设计提供了理论和实验指导。

引言

由于深紫外（DUV）激光具有短波长、高光子能量和出色的聚焦能力，因此被广泛应用于激光材料加工、辐射测量、半导体检测、高能光子生成和波导直接写入等领域[[1], [2], [3], [4]]。随着半导体制造技术向3纳米及更小节点的发展，对光刻系统的成像分辨率、稳定性和缺陷控制的要求也越来越严格。对于半导体晶圆检测系统，检测灵敏度（即散射光强度）与光源波长的四次方成反比；因此，使用更短的波长可以显著提高系统的灵敏度。同时，为了避免对晶圆表面的损伤，通常选择连续波或高频准连续DUV光源[5,6]。然而，产生高频种子光具有挑战性，通常通过两种方法实现：直接生成或低频种子光的频率倍增，这需要非线性频率转换晶体和多级光学元件来进行传输和光束整形。为了最小化菲涅尔衍射，通常在非线性晶体和光学元件上沉积光学涂层，以提高光学性能、减少损耗并提高激光损伤阈值[7]。因此，迫切需要制备高性能和高损伤阈值的DUV激光涂层。

在DUV领域，光学涂层技术面临诸多挑战，如材料的高吸收和散射以及高缺陷敏感性。最常用的氧化物涂层材料是氧化铝（Al₂O₃）和二氧化硅（SiO₂），它们形成了互补的折射率体系。研究表明，通过优化氧化物涂层的沉积工艺，可以制备出具有高光学性能、致密薄膜结构、良好机械应力适应性和优异环境稳定性的DUV光学薄膜[[8], [9], [10]]。Kaiser等人[11]（1995年）采用电子束蒸发（EB）技术制备了高纯度Al₂O₃/SiO₂高反射涂层，其在KrF准分子激光（248 nm，30 ns）辐照下的激光损伤阈值为16 J/cm²，吸收率低于0.1%，显著优于传统工艺。2008年，Grilli等人[12]采用射频溅射技术制备了Al₂O₃/SiO₂高反射涂层，在263 nm（Ce:氟化物激光）下表现出优异的性能，透射率超过90%，单脉冲损伤阈值为7–10 J/cm²，光学损耗小于3%。2015年，Marszalek等人[13]采用热蒸发技术制备了Al₂O₃/SiO₂双层抗反射涂层，在290 nm处的反射率为1.1%，比裸石英基底（3.6%）低61%。这种双层涂层使透射率提高到98%，使其能够成功应用于紫外（UV）医疗设备和激光技术。近年来，关于高频激光对Al₂O₃薄膜损伤的研究取得了进展：2011年，G.Abromavicius等人[14]使用离子束溅射技术在LBO晶体上制备了多种抗反射涂层，并系统比较了ZrO₂-SiO₂混合物和Al₂O₃/SiO₂材料系统在355 nm、6 KHz激光下的抗损伤性能。研究发现，基于Al₂O₃/SiO₂的涂层的激光损伤阈值低于ZrO₂/SiO₂混合物制备的涂层。这一结果可能归因于Al₂O₃薄膜的化学计量比不完全和微观结构不均匀。此外，由于LBO晶体的热敏感性，Al₂O₃薄膜的光学性能和抗损伤能力无法通过退火处理得到改善。2025年，Atko?aitis等人[15]通过S-on-1激光诱导损伤阈值测试和光热共路径干涉测量系统，系统研究了单层Al₂O₃、HfO₂和ZrO₂电介质涂层在355 nm、10 ps、1 MHz高频紫外激光下的损伤行为。研究发现，Al₂O₃涂层的颜色变化损伤阈值仅在10⁶脉冲后出现，在整个测试范围内（高达10¹⁰脉冲）未发生灾难性损伤。其吸收率大约比ZrO₂和HfO₂低两个数量级，并表现出显著的非线性吸收响应，即吸收率随激光强度的增加而显著增加。同时，退火处理使薄膜对累积吸收更加耐受，需要更高的吸收剂量才能引发损伤。这些结果表明，Al₂O₃在高频激光应用中具有优异的抗损伤耐久性。值得注意的是，尽管Al₂O₃/SiO₂系统在DUV应用中取得了显著进展，但尚未有研究报道Al₂O₃薄膜在高频266 nm皮秒激光环境中的应用。

因此，本研究采用EB和IBAD-EB技术制备Al₂O₃薄膜，并进行退火处理，以阐明离子辅助和退火作用在高频紫外皮秒激光条件下优化Al₂O₃薄膜损伤性能的机制，从而为高频紫外激光涂层设备的工艺设计提供理论和实验指导。

样本制备

在本研究中，使用Syruspro 1110涂层系统（Leybold Optics，德国）制备了Al₂O₃薄膜样品。蒸发源采用高纯度Al₂O₃固体颗粒（纯度99.99%）。涂层制备采用EB和IBAD-EB两种方法，两者的区别在于是否使用离子辅助。沉积过程中的初始真空压力约为9 × 10^?6 mbar，而Al₂O₃涂层沉积时的真空压力约为2 × 10^?4

沉积工艺和退火处理对Al₂O₃薄膜光学性质的影响

薄膜的透射率和反射率直接反映了其光学性质，可以通过UV–VIS分光光度计进行测量；而折射率和消光系数决定了薄膜的透射率和反射率。在本研究中，使用MCalc软件根据基底和单层Al₂O₃薄膜的透射率，通过Cauchy模型（1）[18,19]和指数模型（2）[20]反推出折射率和消光系数

结论

本研究系统阐明了EB、IBAD-EB以及后续退火处理在266 nm高频紫外皮秒激光辐照下调节Al₂O₃薄膜激光损伤阈值（LIDT）的协同机制。结果表明，IBAD-EB通过高能离子轰击提高了薄膜密度，并通过电离氧优化了化学计量比（O/Al = 1.49），从而显著降低了吸收缺陷，使单层Al₂O₃薄膜的初始激光损伤阈值达到30.9 kW/cm²

CRediT作者贡献声明

王梦蕾：撰写——原始草案、方法论、数据整理、概念构思。王坤：软件开发、实验研究。刘启新：监督、软件开发、实验研究。张伟莉：撰写——审稿与编辑、项目管理、方法论、概念构思。赵如晨：监督、资源调配。张磊：监督、资源调配。邵玉川：监督、项目管理、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。