eng
Выпуск #2/2026
С.В.Сидорова, Д.С.Трекушевский, А.Д.Купцов
ТОНКИЕ ПЛЕНКИ ОКСИДОВ ДЛЯ ЛАЗЕРНЫХ ЗЕРКАЛ
ТОНКИЕ ПЛЕНКИ ОКСИДОВ ДЛЯ ЛАЗЕРНЫХ ЗЕРКАЛ
Просмотры: 423
Получено: 13.03.2026 г. | Принято: 17.03.2026 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2026.19.2.144.152
Научная статья
ТОНКИЕ ПЛЕНКИ ОКСИДОВ ДЛЯ ЛАЗЕРНЫХ ЗЕРКАЛ
С.В.Сидорова1, к.т.н., доц., ORCID: 0000-0002-3002-1246 / sidorova@bmstu.ru
Д.С.Трекушевский1, студ., ORCID: 0009-0001-9728-9183
А.Д.Купцов1, асп., ORCID: 0009-0002-3997-9722
Аннотация. Представлены результаты обзора источников информации по тематике лазерных зеркал. Обобщены и структурированы данные по материалам брэгговских зеркал, приведены характеристики L- и H-слоев. Обоснован выбор материалов для создания лазерного зеркала на многослойной оксидной пленке. Приведены результаты отработки режимов осаждения наноразмерных тонкопленочных слоев оксида кремния и оксида титана. Описаны режимы и представлены результаты исследования толщин покрытий оксида кремния и оксида алюминия. Методом полного факторного эксперимента обработаны экспериментальные данные. Получены уравнения регрессии, описывающие зависимость толщин оксидных слоев от режимов магнетронного распыления. Показана многослойная структура, состоящая из чередующихся слоев оксида кремния и оксида титана.
Ключевые слова: лазерное зеркало, брэгговское зеркало, оксид кремния, оксид титана, кварцевое стекло, магнетронное распыление, уравнение регрессии
Для цитирования: С.В. Сидорова, Д.С. Трекушевский, А.Д. Купцов. Тонкие пленки оксидов для лазерных зеркал. НАНОИНДУСТРИЯ. 2026. Т. 19. № 2. С. 144–152. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2026.19.2.144.152.
ВВЕДЕНИЕ
Лазерные зеркала широко используются в современных лазерных системах для генерации лазерного луча и его позиционирования. Классической является конструкция зеркала, состоящая из тонкой металлической пленки, расположенной на стеклянной подложке. Однако с развитием лазерных технологий и усложнением систем, использующих лазерное излучение, возникла потребность в зеркалах с низким коэффициентом поглощения. На смену металлическим зеркалам пришли многослойные диэлектрические зеркала, чья структура представляет собой брэгговский отражатель [1–3]. В последнем за счет явления конструктивной интерференции достигается высокий коэффициент отражения зеркала, близкий к единице.
Диэлектрические (брэгговские) лазерные зеркала представляют собой одномерный фотонный кристалл, состоящий из нескольких пар слоев прозрачных материалов [1]. Фотонный кристалл – это периодическая структура, которая позволяет влиять на распространение излучения в одном или нескольких направлениях. Каждый фотонный кристалл обладает фотонной запрещенной зоной (ФЗЗ) – областью частот, не пропускаемых структурой фотонного кристалла [2]. Устройство брэгговской решетки основано на явлении конструктивной интерференции (рис.1).
Оно состоит из нескольких пар L- и H-слоев (периодов зеркала), сформированных на подложке с высокой пропускной способностью света. Оптическая толщина каждого слоя подбирается равной четверти средней длины волны λ ФЗЗ [3]:
. (1)
Из-за этого оптические пути IA и IB различаются ровно на одну длину волны, поэтому разность фаз между двумя волнами, отраженными от H-слоя, составляет 2π, то есть разность фаз отсутствует. В то же время разница в оптическом пути лучей, отраженных от L-слоев, составляет половину длины волны и смещает фазу на π, однако ввиду перехода из более плотной оптической среды в менее плотную фаза отраженного луча дополнительно смещается на π и суммарно смещение составляет 2π. В результате все отраженные волны имеют одинаковую фазу этому лучу и отраженные лучи света совпадают по фазе и усиливают друг друга, что обеспечивает высокий коэффициент отражения, который может превышать 99,99% [1, 3]. Ширина ФЗЗ брэгговского зеркала пропорциональна разности показателей преломления материалов [1].
Именно так работает диэлектрическое зеркало для видимого или ИК-диапазона лазерного излучения. Однако при переходе в УФ-диапазон коэффициент отражения такой конструкции снижается. Во-первых, со снижением длины волны меняется показатель преломления [4, 5]. Это означает, что при отклонении длины волны от заданной условие (1) не работает, и ФЗЗ такого зеркала значительно уменьшается. Во-вторых, при уменьшении длины волны возрастает проникающая способность излучения, и даже самые прозрачные материалы поглощают УФ-излучение [1]. Это определяет основные требования для материалов зеркала – стабильность показателя преломления в УФ-диапазоне, большая разница в показателях преломления и низкие потери на поглощение.
На сегодняшний день достаточно распространены брэгговские зеркала для видимого и ИК-спектров лазерного излучения, но гораздо меньше – отражатели для УФ-спектра. Это связано с тем, что материалы функциональных слоев зеркала значительно меняют свои оптические свойства при уменьшении длины волны. Потенциал применения диэлектрических зеркал для УФ-лазеров, в частности, лазеров ближнего УФ-диапазона в микроэлектронике, спектрометрии и биомедицинских технологиях определяют актуальность разработки технологии их изготовления.
Ключевой операцией технологии создания лазерного зеркала является формирование многослойной структуры из тонких пленок оксидов с разными показателями преломления.
Целью работы является обобщение информации и отработка режимов формирования слоев диэлектрического лазерного зеркала.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Выбор материалов для брэгговского лазерного зеркала сделан на основании обзора источников информации и связан с задачами, которые решаются в лаборатории "Нано- и микротехнологии" кафедры "Электронные технологии в машиностроении" МГТУ им. Н.Э.Баумана.
Основным требованием к материалу заготовки является высокое пропускание в УФ-спектре, так как излишнее отражение будет вносить помехи в отражаемый луч, а излишнее поглощение излучения может привести к разрушению зеркала. Наиболее распространенным материалом подложки диэлектрических зеркал является кварцевое стекло (SiO2) [6, 7]. Оно обладает высоким коэффициентом пропускания света и диапазоном пропускаемых волн. Однако для работы с УФ- и ИК-спектрами необходимо подбирать соответствующие марки зеркал, так как пропускание в этих диапазонах сильно зависит от технологии изготовления [6–8]. В табл.1 представлены основные марки кварцевых стекол и их пропускная способность в различных областях спектра длин волн от экстремального УФ- до ИК-диапазонов.
Из данных табл.1 видно, что для работы в ИК-спектре предпочтительно использовать марку IR Vitreosil, а для работы в УФ-спектре целесообразно применять стекла марки Spectrosil и OH Vitreosil. С учетом потребности в создании зеркала для УФ-спектра следует привести российские аналоги этих стекол. Для Spectrosil ближайшим аналогом является стекло марки КУ-1, с тем уточнением, что пропускание свыше 90% начинается на длине волны в 180 нм, свыше 99% – на длине в 220 нм. Аналогом для OH Vitreosil может выступать стекло марки КУ-2, его характеристики примерно соответствует указанным в табл.1 значениям пропускания [7, 8].
Наиболее распространенными материалами для формирования функциональных слоев брэгговских зеркал являются прозрачные L- и H-оксиды [4]. Наибольшее распространение среди L-оксидов получил оксид кремния SiO2. Его повсеместное использование в лазерных зеркалах обуславливается одним из самых низких показателей преломления в видимом спектре (n = 1,44–1,50) [1, 3, 4]. Альтернативой может выступать оксид алюминия Al2O3, ввиду меньших потерь на поглощение и большей термоустойчивости [9, 10]. Сведения о различных физических свойствах оксидов кремния и алюминия приведены в табл.2 [3, 4, 9–13].
Наиболее подходящим L-оксидом для проектируемого изделия был определен оксид кремния SiO2. Такой выбор был сделан исходя из ряда преимуществ SiO2 перед Al2O3. Во-первых, низкий показатель преломления обеспечит более широкую ФЗЗ для выбранной длины волны излучения и лучшую отражательную способность одного периода зеркала. Во-вторых, низкая диэлектрическая проницаемость и меньший тангенс угла диэлектрических потерь позволит напылять пленки оксида кремния быстрее, чем пленки оксида алюминия при одинаковой толщине. При этом большие потери на поглощение компенсируются большей теплоемкостью, что обеспечит соответствующую оксиду алюминия термическую устойчивость.
Среди материалов, подходящих для изготовления H-слоев, встречаются следующие оксиды: ZrO2, TiO2, Ta2O5, HfO2, Nb2O5. Оксид циркония ZrO2 является наиболее термически устойчивым и обладает показателем преломления n = 1,8–2,1 [4]. Однако наиболее распространенным является оксид титана TiO2. Он менее термически стабилен, однако обладает достаточно высоким показателем преломления n = 2,3 ÷ 2,5 и может улучшить свои характеристики после термической обработки [7, 9]. Оксид ниобия Nb2O5 также используется для создания лазерных зеркал, и обладает сравнительно высоким показателем преломления n = 2,15–2,50 [14–16]. Сведения о различных физических свойствах H-оксидов приведены в табл.3 [14–17].
В качестве H-оксида планируется использовать оксид титана TiO2. Такой выбор обусловлен высоким показателем преломления материала, который может быть повышен при проведении технологической операции термического отжига. Несмотря на то, что оксид титана обладает худшими диэлектрическими свойствами по сравнению с аналогами, например, с ZrO2, отжиг пленок которого потребует более мощного источника нагрева; термическая обработка пленок TiO2 является более простым в реализации процессом, так как необходимый фазовый переход осуществляется при наименьшей температуре. Кроме того, TiO2 обладает меньшей, по сравнению с другими H-оксидами, но достаточно высокой теплоемкостью. В совокупности эти два свойства позволяют использовать менее мощное нагревательное оборудование для получения наиболее высокого показателя преломления для получения высоких оптических характеристик зеркала.
Основные требования, предъявляемые к технологическому оборудованию, делятся на требования к вакуумному оборудованию, к равномерности получаемых покрытий, а также к мощности нагревательного оборудования.
Для того чтобы соблюсти условие равенства длин оптических путей лазерного луча в L- и H-слоях зеркала, суммарное отклонение толщины многослойной структуры не выходило за пределы рассчитанных границ ФЗЗ, которые составляют 285–452 нм для длины волны 350 нм. По результатам расчетов предельные отклонения для L-слоя составляют – 5,2 и 8,5 нм, а для H-слоя – от -10,8 до 15,5 нм. Таким образом, допуск для каждого функционального слоя зеркала ограничивается этими значениями.
Кроме того, для достижения необходимых оптических свойств получаемых покрытий необходимо провести термообработку посредством термического отжига изделия. Мощностные характеристики нагревателя должны быть достаточными, чтобы осуществлять нагрев подложки до 500 ⁰C в течение часа для каждого слоя.
Апробация технологии производилась в лабораторных условиях на вакуумной установке МВТУ-11-1МС [18]. Многослойную структуру лазерного зеркала из чередующихся слоев SiO2 и TiO2 формируют методом ВЧ-магнетронного распыления в вакууме при давлении в камере (6,8–4,4) · 10–1 Па, потоке рабочего газа 20–40 sccm (ст. см3/мин) и мощности источника 60 Вт. Размер мишеней – ∅51 × 6 мм, расстояние мишень-подложка – 81 мм. Время осаждения для материалов варьируется, так как требуются разные толщины слоев, а скорости распыления мишеней SiO2 и TiO2 отличаются. Так, время процесса для SiO2 от 90 до 210 мин, для TiO2 от 140 до 280 мин. Для проверки воспроизводимости процессов и получения экспериментальной зависимости толщины покрытий от режимов осаждения был проставлен и проведен полный факторный эксперимент.
При отработке скоростей слоев SiO2 и TiO2 измеряли толщины полученных покрытий на сколе кремниевой подложки и использовали сканирующий электронный микроскоп CROSSBEAM 550 (Carl Zeiss Microscopy GmbH, Германия). Толщины серии покрытий для метода полного факторного эксперимента оценивались с помощью интерференционного микроскопа МИИ-4 (ОАО "ЛОМО", Санкт-Петербург, Россия).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Абсолютные значения скоростей осаждения были определены путем измерения толщины покрытий по поперечному сколу подложки и деления значений толщины на время процесса осаждения. На рис.2 представлен вид поперечного скола SiO2 и TiO2.
Покрытие SiO2 не имеет ярко выраженных границ кристаллов. Покрытие TiO2 характеризуется наличием столбчатой структуры, формирование которой происходит при толщине покрытия более 170 нм. Такая анизотропия объема покрытия имеет иную ориентацию молекул, что может оказывать влияние на функциональные характеристики (коэффициент преломления и пропускания). Поэтому одиночные TiO2 слои далее не превышают толщину ~150 нм. На рис.3 представлены результаты скоростей осаждения SiO2 и TiO2.
Скорость осаждения (фактически скорость распыления) SiO2 от 180 до 270 мин увеличивается с 130 до 158 нм/ч за счет увеличения зоны выработки новой мишени. Средние значения скоростей осаждения для SiO2 и TiO2 равны 158 и 89 нм/ч соответственно.
Контроль равномерности толщины по площади подложки является важным и необходимым параметром. Формирование покрытий происходит в ограниченной области системы "мишень – подложка". Оценка распределения толщины по диаметру подложки происходит по закону Кнудсена (2) [19]:
, (2)
где Vp – скорость распыления, нм/мин; SП – площадь распыления, м2 (с учетом геометрии – 855 · 10–6 м2); φ, θ – уголы распыления и осаждения соответственно, град; αМ – коэффициент прилипания материала к подложке, б/р (принято за 1); h – расстояние "мишень – подложка", м (с учетом геометрии: от 51 до 81 мм с шагом 10 мм).
Скорость распыления, коэффициент прилипания частиц и постоянная π определяют абсолютное значение скорости осаждения и не влияют на ее распределение. Площадь распыления в меньшей степени участвует в формировании неравномерности скорости осаждения. Учитывается, что из каждой элементарной ячейки кольца зоны эрозии происходит распыление. Косинусы углов распыления и осаждения напрямую связаны с изменением скорости осаждения по поверхности подложки.
Таким образом, равномерность скорости и толщины по критерию средних значений составляет 92, 90, 88 и 85 % для соответствующих расстояний 81, 71, 61 и 51 мм; по критерию максимум/минимум – 85, 82, 78 и 73 % для тех же расстояний.
После отработки скоростей осаждения покрытий SiO2 и TiO2 были получены серии образцов тонкопленочных покрытий SiO2 и TiO2. Результаты измерения толщин приведены в табл.4.
Для экспериментальных значений толщин были определены значение критерия Кохрена Gкр (для доверительной вероятности 0,05, числа степеней свободы 6, количества опытов 8). При сравнении экспериментального значения критерия Кохрена с табличным показано, что экспериментальное значение критерия Кохрена меньше критического 0,1960 < 0,3362, а значит, дисперсии являются однородными и эксперименты воспроизводимы.
После обработки результатов методом полного факторного эксперимента интервалы варьирования входных параметров переведены в безразмерную систему (значения от – 1 до + 1) и получены уравнения регрессии, описывающие зависимость толщины тонкопленочного слоя SiO2 (HSiO2, нм) и TiO2 (HTiO2, нм) от времени процесса (T, б/р), потока рабочего газа (Q, б/р) и давления (P, б/р):
HSIO2 = 356 + 122 · T + 26 · Q – 31 · P – 21 · T · P, (3)
HTIO2 = 805 + 151 · T + 49 · P + 49 · Q · P – 80 · T · Q · P. (4)
Полученная зависимость (3) показывает, что на толщину пленки SiO2 влияют все три варьируемых фактора, а также взаимодействие факторов времени распыления и остаточное давление в камере.
Полученная зависимость (4) показывает, что на толщину пленки TiO2 влияет время распыления, а также остаточное давление газов, причем положительно. Это вероятно связано с высоким парциальным давлением аргона в камере, а также большой массой молекул оксида титана, из-за чего потери кинетической энергии от взаимодействия с молекулами остаточных газов оказываются значительно меньше, чем в случае более легких молекул оксида кремния.
Разница во влиянии входных факторов для покрытий SiO2 и TiO2 может быть объяснена разным диапазоном варьирования фактора времени (это единственный отличающийся диапазон входных параметров). Так, для слоя TiO2 время процесса дольше, покрытие меняет свою структуру, немного уплотняется. Поэтому влияние времени отмечается как при отдельном воздействии фактора, так и при взаимодействии с двумя другими входными параметрами. Следует отметить, что поток рабочего газа существенного влияния не оказывает на толщину TiO2 в выбранном интервале варьирования, однако, отмечается взаимное влияние факторов потока и давления, а также потока, давления и времени.
Полученные модели (3) и (4) подтвердили свою адекватность по критерию Фишера для уровня значимости 0,05, числа степеней свободы дисперсии адекватности 3 и воспроизводимости 40. Рассчитанные значения критерия Фишера меньше критического (2,10 < 2,84 и 2,00 < 2,84 для SiO2 и TiO2 соответственно).
Полученные уравнения регрессии позволили определить режимы магнетронного распыления и сформировать многослойную структуру TiO2/SiO2, состоящую из восьми чередующихся слоев (рис.4).
Несмотря на высокий разброс значений скорости осаждения SiO2, при установившемся режиме удается прогнозируемо формировать покрытия толщиной (53±2) нм. Покрытия TiO2 имеют толщину (135±9) нм.
ВЫВОДЫ
Проведенный обзор источников информации по лазерным зеркалам позволил обобщить информацию о материалах для изготовления конечного изделия – брэгговского зеркала для УФ-диапазона. В качестве основы было выбрано кварцевое стекло марки КУ-2. Для создания многослойной структуры выбраны оксиды кремния и титана – для формирования функциональных L- и H-слоев зеркала, ввиду их оптических свойств в ближнем УФ-диапазоне. Выявлена возможность стабилизации их структуры посредством термической обработки.
Ключевой операцией технологического процесса создания лазерного зеркала по принципу брэгговской решетки была выбрана операция нанесения оксидных пленок методом магнетронного распыления, позволяющая получать достаточно чистые и равномерные оксидные покрытия нанометрового диапазона толщин.
Абсолютные значения скоростей осаждения покрытий SiO2 и TiO2 методом магнетронного распыления в вакууме были рассчитаны путем измерения толщины покрытий по поперечному сколу подложки на сканирующем электронном микроскопе. После чего значение толщины слоев делили на время осаждения. Такие измерения были проведены для нескольких толщин образцов рассматриваемых покрытий. Отмечено, что скорость осаждения покрытия TiO2 на всем интервале исследования (от 90 до 280 мин) сохраняется постоянной – 89 нм/ч. Тогда как скорость осаждения покрытия SiO2 носит постоянный характер от 90 до 180 мин и составляет 130 нм/ч, а от 180 до 280 мин значение скорости осаждения увеличивается и составляет 158 нм/ч. Данную особенность авторы связывают с увеличением зоны выработки мишени SiO2.
Полученные уравнения регрессии позволили определить режимы магнетронного распыления и сформировать многослойную структуру TiO2/SiO2. Планируется исследование функциональных характеристик полученной многослойной структуры и их сравнение с аналогичной многослойной структурой, формирование слоев которой проводили с отжигом.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Кульчин Ю.Н. Современная оптика и фотоника нано- и микросистем. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2016. 440 с.
Ворзобова Н.Д., Денисюк И.Ю. Оптические методы формирования микроэлементов информационных систем. СПб: СПб ГУ ИТМО, 2008. 82 с.
Bertilsson F. Design of Multilayer Dielectric Mirrors Optimized for Femtosecond Laser Pulses. Lund Reports on Atomic Physics. 2015. 28 p.
Yepuri V., Dubey R.S, Kumar B. Rapid and economic fabrication approach of dielectric reflectors for energy harvesting applications. Sci Rep. 2020. https://doi.org/10.1038/s41598-020-73052-w
Papatryfonos K. et al. Effects of surface roughness and top layer thickness on the performance of Fabry-Perot cavities and responsive open resonators based on distributed Bragg reflectors. Physics.Optics. Preprint arXiv:2309.13649. 2023. Vol.1. PP. 1–11.
Немилов С.В. Оптическое материаловедение: оптические стекла СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. 175 с.
Jena S. et al. Omnidirectional photonic band gap in magnetron sputtered TiO2/SiO2 one dimensional photonic crystal. Thin Solid Films. 2016. Vol. 599. PP.138–144.
ГОСТ 15130-86. Стекло кварцевое оптическое. Общие технические условия. М.: ИПК Издательство стандартов, 1999. 30 с.
Притоцкий Е.М., Притоцкая А.П., Панков М.А. Многослойные диэлектрические зеркала для мощных полупроводниковых лазеров. Computational nanotechnology. 2017. № 2. С. 94–96.
Азарова В.В., Данилов А.С. Исследование возможности применения оксида алюминия в качестве материала с низким показателем преломления для напыления диэлектрических зеркал лазерных гироскопов. Актуальные проблемы физической и функциональной электроники: материалы 26-й Всероссийской молодежной научной конференции, Ульяновск: УГТУ, 2023. С. 249–251.
Бачериков Ю.Ю. и др. Влияние быстрого термического отжига на свойства тонких диэлектрических пленок оксидов гадолиния, титана и эрбия на поверхности карбида кремния. Журнал технической физики. 2007. Т. 77. Вып. 2. С. 107–112.
Вилья Н., Голосов Д.А., Нгуен Т.Д. Формирование пленок оксида титана методом реактивного магнетронного распыления. Доклады БГУИР. 2019. № 5 (123). С.87–93.
Morohashi S. et al. SiO2 Insulation Layer Fabricated using RF Magnetron Facing Target Sputtering and Conventional RF Magnetron Sputtering. Japanese Journal of Applied Physics. 2001. Vol. 40. Part 1. No. 8. PP. 4876–4877.
Robertson J. High dielectric constant oxides. Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2004. Vol. 28. PP. 265–291.
Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В.Корницкого. М.: Энергоатомиздат, 1987. 464 с.
Kruschwitz D.T., Pawlewicz W.T. Optical and durability properties of infrared transmitting thin films. Applied Optics. 2017. Vol. 36. PP. 2157–2159.
Химическая энциклопедия / Под ред. Кнунянц И.Л. М.: Советская энциклопедия, 1995. Т. 4. 639 с.
Сидорова С.В. и др. Оценка влияния толщины покрытия на величину остаточных механических напряжений в Al2O3/Si. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 6. С. 372–381.
Технология тонких пленок (справочник) / Под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга. Нью-Йорк, 1970; пер. с англ. под ред. М.И. Елинсона, Г.Г. Смолко, Т. 2. М.: Советское Радио. 1977. 768 с.
Научная статья
ТОНКИЕ ПЛЕНКИ ОКСИДОВ ДЛЯ ЛАЗЕРНЫХ ЗЕРКАЛ
С.В.Сидорова1, к.т.н., доц., ORCID: 0000-0002-3002-1246 / sidorova@bmstu.ru
Д.С.Трекушевский1, студ., ORCID: 0009-0001-9728-9183
А.Д.Купцов1, асп., ORCID: 0009-0002-3997-9722
Аннотация. Представлены результаты обзора источников информации по тематике лазерных зеркал. Обобщены и структурированы данные по материалам брэгговских зеркал, приведены характеристики L- и H-слоев. Обоснован выбор материалов для создания лазерного зеркала на многослойной оксидной пленке. Приведены результаты отработки режимов осаждения наноразмерных тонкопленочных слоев оксида кремния и оксида титана. Описаны режимы и представлены результаты исследования толщин покрытий оксида кремния и оксида алюминия. Методом полного факторного эксперимента обработаны экспериментальные данные. Получены уравнения регрессии, описывающие зависимость толщин оксидных слоев от режимов магнетронного распыления. Показана многослойная структура, состоящая из чередующихся слоев оксида кремния и оксида титана.
Ключевые слова: лазерное зеркало, брэгговское зеркало, оксид кремния, оксид титана, кварцевое стекло, магнетронное распыление, уравнение регрессии
Для цитирования: С.В. Сидорова, Д.С. Трекушевский, А.Д. Купцов. Тонкие пленки оксидов для лазерных зеркал. НАНОИНДУСТРИЯ. 2026. Т. 19. № 2. С. 144–152. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2026.19.2.144.152.
ВВЕДЕНИЕ
Лазерные зеркала широко используются в современных лазерных системах для генерации лазерного луча и его позиционирования. Классической является конструкция зеркала, состоящая из тонкой металлической пленки, расположенной на стеклянной подложке. Однако с развитием лазерных технологий и усложнением систем, использующих лазерное излучение, возникла потребность в зеркалах с низким коэффициентом поглощения. На смену металлическим зеркалам пришли многослойные диэлектрические зеркала, чья структура представляет собой брэгговский отражатель [1–3]. В последнем за счет явления конструктивной интерференции достигается высокий коэффициент отражения зеркала, близкий к единице.
Диэлектрические (брэгговские) лазерные зеркала представляют собой одномерный фотонный кристалл, состоящий из нескольких пар слоев прозрачных материалов [1]. Фотонный кристалл – это периодическая структура, которая позволяет влиять на распространение излучения в одном или нескольких направлениях. Каждый фотонный кристалл обладает фотонной запрещенной зоной (ФЗЗ) – областью частот, не пропускаемых структурой фотонного кристалла [2]. Устройство брэгговской решетки основано на явлении конструктивной интерференции (рис.1).
Оно состоит из нескольких пар L- и H-слоев (периодов зеркала), сформированных на подложке с высокой пропускной способностью света. Оптическая толщина каждого слоя подбирается равной четверти средней длины волны λ ФЗЗ [3]:
. (1)
Из-за этого оптические пути IA и IB различаются ровно на одну длину волны, поэтому разность фаз между двумя волнами, отраженными от H-слоя, составляет 2π, то есть разность фаз отсутствует. В то же время разница в оптическом пути лучей, отраженных от L-слоев, составляет половину длины волны и смещает фазу на π, однако ввиду перехода из более плотной оптической среды в менее плотную фаза отраженного луча дополнительно смещается на π и суммарно смещение составляет 2π. В результате все отраженные волны имеют одинаковую фазу этому лучу и отраженные лучи света совпадают по фазе и усиливают друг друга, что обеспечивает высокий коэффициент отражения, который может превышать 99,99% [1, 3]. Ширина ФЗЗ брэгговского зеркала пропорциональна разности показателей преломления материалов [1].
Именно так работает диэлектрическое зеркало для видимого или ИК-диапазона лазерного излучения. Однако при переходе в УФ-диапазон коэффициент отражения такой конструкции снижается. Во-первых, со снижением длины волны меняется показатель преломления [4, 5]. Это означает, что при отклонении длины волны от заданной условие (1) не работает, и ФЗЗ такого зеркала значительно уменьшается. Во-вторых, при уменьшении длины волны возрастает проникающая способность излучения, и даже самые прозрачные материалы поглощают УФ-излучение [1]. Это определяет основные требования для материалов зеркала – стабильность показателя преломления в УФ-диапазоне, большая разница в показателях преломления и низкие потери на поглощение.
На сегодняшний день достаточно распространены брэгговские зеркала для видимого и ИК-спектров лазерного излучения, но гораздо меньше – отражатели для УФ-спектра. Это связано с тем, что материалы функциональных слоев зеркала значительно меняют свои оптические свойства при уменьшении длины волны. Потенциал применения диэлектрических зеркал для УФ-лазеров, в частности, лазеров ближнего УФ-диапазона в микроэлектронике, спектрометрии и биомедицинских технологиях определяют актуальность разработки технологии их изготовления.
Ключевой операцией технологии создания лазерного зеркала является формирование многослойной структуры из тонких пленок оксидов с разными показателями преломления.
Целью работы является обобщение информации и отработка режимов формирования слоев диэлектрического лазерного зеркала.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Выбор материалов для брэгговского лазерного зеркала сделан на основании обзора источников информации и связан с задачами, которые решаются в лаборатории "Нано- и микротехнологии" кафедры "Электронные технологии в машиностроении" МГТУ им. Н.Э.Баумана.
Основным требованием к материалу заготовки является высокое пропускание в УФ-спектре, так как излишнее отражение будет вносить помехи в отражаемый луч, а излишнее поглощение излучения может привести к разрушению зеркала. Наиболее распространенным материалом подложки диэлектрических зеркал является кварцевое стекло (SiO2) [6, 7]. Оно обладает высоким коэффициентом пропускания света и диапазоном пропускаемых волн. Однако для работы с УФ- и ИК-спектрами необходимо подбирать соответствующие марки зеркал, так как пропускание в этих диапазонах сильно зависит от технологии изготовления [6–8]. В табл.1 представлены основные марки кварцевых стекол и их пропускная способность в различных областях спектра длин волн от экстремального УФ- до ИК-диапазонов.
Из данных табл.1 видно, что для работы в ИК-спектре предпочтительно использовать марку IR Vitreosil, а для работы в УФ-спектре целесообразно применять стекла марки Spectrosil и OH Vitreosil. С учетом потребности в создании зеркала для УФ-спектра следует привести российские аналоги этих стекол. Для Spectrosil ближайшим аналогом является стекло марки КУ-1, с тем уточнением, что пропускание свыше 90% начинается на длине волны в 180 нм, свыше 99% – на длине в 220 нм. Аналогом для OH Vitreosil может выступать стекло марки КУ-2, его характеристики примерно соответствует указанным в табл.1 значениям пропускания [7, 8].
Наиболее распространенными материалами для формирования функциональных слоев брэгговских зеркал являются прозрачные L- и H-оксиды [4]. Наибольшее распространение среди L-оксидов получил оксид кремния SiO2. Его повсеместное использование в лазерных зеркалах обуславливается одним из самых низких показателей преломления в видимом спектре (n = 1,44–1,50) [1, 3, 4]. Альтернативой может выступать оксид алюминия Al2O3, ввиду меньших потерь на поглощение и большей термоустойчивости [9, 10]. Сведения о различных физических свойствах оксидов кремния и алюминия приведены в табл.2 [3, 4, 9–13].
Наиболее подходящим L-оксидом для проектируемого изделия был определен оксид кремния SiO2. Такой выбор был сделан исходя из ряда преимуществ SiO2 перед Al2O3. Во-первых, низкий показатель преломления обеспечит более широкую ФЗЗ для выбранной длины волны излучения и лучшую отражательную способность одного периода зеркала. Во-вторых, низкая диэлектрическая проницаемость и меньший тангенс угла диэлектрических потерь позволит напылять пленки оксида кремния быстрее, чем пленки оксида алюминия при одинаковой толщине. При этом большие потери на поглощение компенсируются большей теплоемкостью, что обеспечит соответствующую оксиду алюминия термическую устойчивость.
Среди материалов, подходящих для изготовления H-слоев, встречаются следующие оксиды: ZrO2, TiO2, Ta2O5, HfO2, Nb2O5. Оксид циркония ZrO2 является наиболее термически устойчивым и обладает показателем преломления n = 1,8–2,1 [4]. Однако наиболее распространенным является оксид титана TiO2. Он менее термически стабилен, однако обладает достаточно высоким показателем преломления n = 2,3 ÷ 2,5 и может улучшить свои характеристики после термической обработки [7, 9]. Оксид ниобия Nb2O5 также используется для создания лазерных зеркал, и обладает сравнительно высоким показателем преломления n = 2,15–2,50 [14–16]. Сведения о различных физических свойствах H-оксидов приведены в табл.3 [14–17].
В качестве H-оксида планируется использовать оксид титана TiO2. Такой выбор обусловлен высоким показателем преломления материала, который может быть повышен при проведении технологической операции термического отжига. Несмотря на то, что оксид титана обладает худшими диэлектрическими свойствами по сравнению с аналогами, например, с ZrO2, отжиг пленок которого потребует более мощного источника нагрева; термическая обработка пленок TiO2 является более простым в реализации процессом, так как необходимый фазовый переход осуществляется при наименьшей температуре. Кроме того, TiO2 обладает меньшей, по сравнению с другими H-оксидами, но достаточно высокой теплоемкостью. В совокупности эти два свойства позволяют использовать менее мощное нагревательное оборудование для получения наиболее высокого показателя преломления для получения высоких оптических характеристик зеркала.
Основные требования, предъявляемые к технологическому оборудованию, делятся на требования к вакуумному оборудованию, к равномерности получаемых покрытий, а также к мощности нагревательного оборудования.
Для того чтобы соблюсти условие равенства длин оптических путей лазерного луча в L- и H-слоях зеркала, суммарное отклонение толщины многослойной структуры не выходило за пределы рассчитанных границ ФЗЗ, которые составляют 285–452 нм для длины волны 350 нм. По результатам расчетов предельные отклонения для L-слоя составляют – 5,2 и 8,5 нм, а для H-слоя – от -10,8 до 15,5 нм. Таким образом, допуск для каждого функционального слоя зеркала ограничивается этими значениями.
Кроме того, для достижения необходимых оптических свойств получаемых покрытий необходимо провести термообработку посредством термического отжига изделия. Мощностные характеристики нагревателя должны быть достаточными, чтобы осуществлять нагрев подложки до 500 ⁰C в течение часа для каждого слоя.
Апробация технологии производилась в лабораторных условиях на вакуумной установке МВТУ-11-1МС [18]. Многослойную структуру лазерного зеркала из чередующихся слоев SiO2 и TiO2 формируют методом ВЧ-магнетронного распыления в вакууме при давлении в камере (6,8–4,4) · 10–1 Па, потоке рабочего газа 20–40 sccm (ст. см3/мин) и мощности источника 60 Вт. Размер мишеней – ∅51 × 6 мм, расстояние мишень-подложка – 81 мм. Время осаждения для материалов варьируется, так как требуются разные толщины слоев, а скорости распыления мишеней SiO2 и TiO2 отличаются. Так, время процесса для SiO2 от 90 до 210 мин, для TiO2 от 140 до 280 мин. Для проверки воспроизводимости процессов и получения экспериментальной зависимости толщины покрытий от режимов осаждения был проставлен и проведен полный факторный эксперимент.
При отработке скоростей слоев SiO2 и TiO2 измеряли толщины полученных покрытий на сколе кремниевой подложки и использовали сканирующий электронный микроскоп CROSSBEAM 550 (Carl Zeiss Microscopy GmbH, Германия). Толщины серии покрытий для метода полного факторного эксперимента оценивались с помощью интерференционного микроскопа МИИ-4 (ОАО "ЛОМО", Санкт-Петербург, Россия).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Абсолютные значения скоростей осаждения были определены путем измерения толщины покрытий по поперечному сколу подложки и деления значений толщины на время процесса осаждения. На рис.2 представлен вид поперечного скола SiO2 и TiO2.
Покрытие SiO2 не имеет ярко выраженных границ кристаллов. Покрытие TiO2 характеризуется наличием столбчатой структуры, формирование которой происходит при толщине покрытия более 170 нм. Такая анизотропия объема покрытия имеет иную ориентацию молекул, что может оказывать влияние на функциональные характеристики (коэффициент преломления и пропускания). Поэтому одиночные TiO2 слои далее не превышают толщину ~150 нм. На рис.3 представлены результаты скоростей осаждения SiO2 и TiO2.
Скорость осаждения (фактически скорость распыления) SiO2 от 180 до 270 мин увеличивается с 130 до 158 нм/ч за счет увеличения зоны выработки новой мишени. Средние значения скоростей осаждения для SiO2 и TiO2 равны 158 и 89 нм/ч соответственно.
Контроль равномерности толщины по площади подложки является важным и необходимым параметром. Формирование покрытий происходит в ограниченной области системы "мишень – подложка". Оценка распределения толщины по диаметру подложки происходит по закону Кнудсена (2) [19]:
, (2)
где Vp – скорость распыления, нм/мин; SП – площадь распыления, м2 (с учетом геометрии – 855 · 10–6 м2); φ, θ – уголы распыления и осаждения соответственно, град; αМ – коэффициент прилипания материала к подложке, б/р (принято за 1); h – расстояние "мишень – подложка", м (с учетом геометрии: от 51 до 81 мм с шагом 10 мм).
Скорость распыления, коэффициент прилипания частиц и постоянная π определяют абсолютное значение скорости осаждения и не влияют на ее распределение. Площадь распыления в меньшей степени участвует в формировании неравномерности скорости осаждения. Учитывается, что из каждой элементарной ячейки кольца зоны эрозии происходит распыление. Косинусы углов распыления и осаждения напрямую связаны с изменением скорости осаждения по поверхности подложки.
Таким образом, равномерность скорости и толщины по критерию средних значений составляет 92, 90, 88 и 85 % для соответствующих расстояний 81, 71, 61 и 51 мм; по критерию максимум/минимум – 85, 82, 78 и 73 % для тех же расстояний.
После отработки скоростей осаждения покрытий SiO2 и TiO2 были получены серии образцов тонкопленочных покрытий SiO2 и TiO2. Результаты измерения толщин приведены в табл.4.
Для экспериментальных значений толщин были определены значение критерия Кохрена Gкр (для доверительной вероятности 0,05, числа степеней свободы 6, количества опытов 8). При сравнении экспериментального значения критерия Кохрена с табличным показано, что экспериментальное значение критерия Кохрена меньше критического 0,1960 < 0,3362, а значит, дисперсии являются однородными и эксперименты воспроизводимы.
После обработки результатов методом полного факторного эксперимента интервалы варьирования входных параметров переведены в безразмерную систему (значения от – 1 до + 1) и получены уравнения регрессии, описывающие зависимость толщины тонкопленочного слоя SiO2 (HSiO2, нм) и TiO2 (HTiO2, нм) от времени процесса (T, б/р), потока рабочего газа (Q, б/р) и давления (P, б/р):
HSIO2 = 356 + 122 · T + 26 · Q – 31 · P – 21 · T · P, (3)
HTIO2 = 805 + 151 · T + 49 · P + 49 · Q · P – 80 · T · Q · P. (4)
Полученная зависимость (3) показывает, что на толщину пленки SiO2 влияют все три варьируемых фактора, а также взаимодействие факторов времени распыления и остаточное давление в камере.
Полученная зависимость (4) показывает, что на толщину пленки TiO2 влияет время распыления, а также остаточное давление газов, причем положительно. Это вероятно связано с высоким парциальным давлением аргона в камере, а также большой массой молекул оксида титана, из-за чего потери кинетической энергии от взаимодействия с молекулами остаточных газов оказываются значительно меньше, чем в случае более легких молекул оксида кремния.
Разница во влиянии входных факторов для покрытий SiO2 и TiO2 может быть объяснена разным диапазоном варьирования фактора времени (это единственный отличающийся диапазон входных параметров). Так, для слоя TiO2 время процесса дольше, покрытие меняет свою структуру, немного уплотняется. Поэтому влияние времени отмечается как при отдельном воздействии фактора, так и при взаимодействии с двумя другими входными параметрами. Следует отметить, что поток рабочего газа существенного влияния не оказывает на толщину TiO2 в выбранном интервале варьирования, однако, отмечается взаимное влияние факторов потока и давления, а также потока, давления и времени.
Полученные модели (3) и (4) подтвердили свою адекватность по критерию Фишера для уровня значимости 0,05, числа степеней свободы дисперсии адекватности 3 и воспроизводимости 40. Рассчитанные значения критерия Фишера меньше критического (2,10 < 2,84 и 2,00 < 2,84 для SiO2 и TiO2 соответственно).
Полученные уравнения регрессии позволили определить режимы магнетронного распыления и сформировать многослойную структуру TiO2/SiO2, состоящую из восьми чередующихся слоев (рис.4).
Несмотря на высокий разброс значений скорости осаждения SiO2, при установившемся режиме удается прогнозируемо формировать покрытия толщиной (53±2) нм. Покрытия TiO2 имеют толщину (135±9) нм.
ВЫВОДЫ
Проведенный обзор источников информации по лазерным зеркалам позволил обобщить информацию о материалах для изготовления конечного изделия – брэгговского зеркала для УФ-диапазона. В качестве основы было выбрано кварцевое стекло марки КУ-2. Для создания многослойной структуры выбраны оксиды кремния и титана – для формирования функциональных L- и H-слоев зеркала, ввиду их оптических свойств в ближнем УФ-диапазоне. Выявлена возможность стабилизации их структуры посредством термической обработки.
Ключевой операцией технологического процесса создания лазерного зеркала по принципу брэгговской решетки была выбрана операция нанесения оксидных пленок методом магнетронного распыления, позволяющая получать достаточно чистые и равномерные оксидные покрытия нанометрового диапазона толщин.
Абсолютные значения скоростей осаждения покрытий SiO2 и TiO2 методом магнетронного распыления в вакууме были рассчитаны путем измерения толщины покрытий по поперечному сколу подложки на сканирующем электронном микроскопе. После чего значение толщины слоев делили на время осаждения. Такие измерения были проведены для нескольких толщин образцов рассматриваемых покрытий. Отмечено, что скорость осаждения покрытия TiO2 на всем интервале исследования (от 90 до 280 мин) сохраняется постоянной – 89 нм/ч. Тогда как скорость осаждения покрытия SiO2 носит постоянный характер от 90 до 180 мин и составляет 130 нм/ч, а от 180 до 280 мин значение скорости осаждения увеличивается и составляет 158 нм/ч. Данную особенность авторы связывают с увеличением зоны выработки мишени SiO2.
Полученные уравнения регрессии позволили определить режимы магнетронного распыления и сформировать многослойную структуру TiO2/SiO2. Планируется исследование функциональных характеристик полученной многослойной структуры и их сравнение с аналогичной многослойной структурой, формирование слоев которой проводили с отжигом.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Кульчин Ю.Н. Современная оптика и фотоника нано- и микросистем. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2016. 440 с.
Ворзобова Н.Д., Денисюк И.Ю. Оптические методы формирования микроэлементов информационных систем. СПб: СПб ГУ ИТМО, 2008. 82 с.
Bertilsson F. Design of Multilayer Dielectric Mirrors Optimized for Femtosecond Laser Pulses. Lund Reports on Atomic Physics. 2015. 28 p.
Yepuri V., Dubey R.S, Kumar B. Rapid and economic fabrication approach of dielectric reflectors for energy harvesting applications. Sci Rep. 2020. https://doi.org/10.1038/s41598-020-73052-w
Papatryfonos K. et al. Effects of surface roughness and top layer thickness on the performance of Fabry-Perot cavities and responsive open resonators based on distributed Bragg reflectors. Physics.Optics. Preprint arXiv:2309.13649. 2023. Vol.1. PP. 1–11.
Немилов С.В. Оптическое материаловедение: оптические стекла СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. 175 с.
Jena S. et al. Omnidirectional photonic band gap in magnetron sputtered TiO2/SiO2 one dimensional photonic crystal. Thin Solid Films. 2016. Vol. 599. PP.138–144.
ГОСТ 15130-86. Стекло кварцевое оптическое. Общие технические условия. М.: ИПК Издательство стандартов, 1999. 30 с.
Притоцкий Е.М., Притоцкая А.П., Панков М.А. Многослойные диэлектрические зеркала для мощных полупроводниковых лазеров. Computational nanotechnology. 2017. № 2. С. 94–96.
Азарова В.В., Данилов А.С. Исследование возможности применения оксида алюминия в качестве материала с низким показателем преломления для напыления диэлектрических зеркал лазерных гироскопов. Актуальные проблемы физической и функциональной электроники: материалы 26-й Всероссийской молодежной научной конференции, Ульяновск: УГТУ, 2023. С. 249–251.
Бачериков Ю.Ю. и др. Влияние быстрого термического отжига на свойства тонких диэлектрических пленок оксидов гадолиния, титана и эрбия на поверхности карбида кремния. Журнал технической физики. 2007. Т. 77. Вып. 2. С. 107–112.
Вилья Н., Голосов Д.А., Нгуен Т.Д. Формирование пленок оксида титана методом реактивного магнетронного распыления. Доклады БГУИР. 2019. № 5 (123). С.87–93.
Morohashi S. et al. SiO2 Insulation Layer Fabricated using RF Magnetron Facing Target Sputtering and Conventional RF Magnetron Sputtering. Japanese Journal of Applied Physics. 2001. Vol. 40. Part 1. No. 8. PP. 4876–4877.
Robertson J. High dielectric constant oxides. Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2004. Vol. 28. PP. 265–291.
Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В.Корницкого. М.: Энергоатомиздат, 1987. 464 с.
Kruschwitz D.T., Pawlewicz W.T. Optical and durability properties of infrared transmitting thin films. Applied Optics. 2017. Vol. 36. PP. 2157–2159.
Химическая энциклопедия / Под ред. Кнунянц И.Л. М.: Советская энциклопедия, 1995. Т. 4. 639 с.
Сидорова С.В. и др. Оценка влияния толщины покрытия на величину остаточных механических напряжений в Al2O3/Si. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 6. С. 372–381.
Технология тонких пленок (справочник) / Под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга. Нью-Йорк, 1970; пер. с англ. под ред. М.И. Елинсона, Г.Г. Смолко, Т. 2. М.: Советское Радио. 1977. 768 с.
Отзывы читателей
