La technologie de pulvérisation par faisceau d'ions (IBS) a fortement fait progresser l'optique laser UV au cours des 25 dernières années en raison de sa capacité à déposer des films optiques de haute qualité pour les applications laser ultraviolet (UV) (voir Figure 1). Des optiques de haute qualité manipulent et dirigent le faisceau laser et sont essentielles aux performances et à la durée de vie du laser. Les applications biomédicales, de traitement des semi-conducteurs, de micro-usinage et autres applications laser UV continuent de croître grâce à la technologie IBS.
Alors que les films optiques UV font face à de nombreux défis, l’avènement de la technologie IBS a permis de déposer des films optiques UV de haute qualité.
Relever les défis de l’optique laser UV
Les défis rencontrés par l’optique laser UV sont doubles : l’amélioration de l’absorption, qui réduit la puissance du laser, et l’amélioration de la diffusion, qui diminue l’intensité du laser. Les films optiques peuvent être davantage endommagés si la contrainte, la stœchiométrie ou la densité du film ne sont pas optimisées. Le revêtement est le maillon le plus faible, et les revêtements optiques seront optimisés si des améliorations sont apportées aux étapes de traitement clés telles que la conception du revêtement optique, le nettoyage du substrat, le dépôt et le traitement post-dépôt.
Nos recherches se concentrent sur divers aspects de la production du revêtement optique, notamment la sélection de la cible, la pression d'oxygène, l'énergie de pulvérisation et le temps de recuit, dans le but d'améliorer la qualité des revêtements optiques pour les systèmes IBS (voir Figure 2) [1]. Les effets de différentes conditions de traitement et du recuit post-dépôt sur les couches minces optiques de HfO2 et SiO2 ont été étudiés ces dernières années. Les paramètres analysés comprennent :
-Effet des cibles de pulvérisation métalliques et diélectriques sur les propriétés UV ;
-Effet de la pression partielle d'oxygène (O2) sur la stœchiométrie et les propriétés du film ;
-L'effet des sources assistées par ions et de l'énergie du faisceau sur les propriétés du film et du dépôt ;
-L'effet du recuit sur la stœchiométrie, les contraintes et les propriétés du film.
Ce projet chez Veeco se concentre sur les revêtements optiques dans les lasers Nd:YAG. Les films d'oxyde peuvent être pulvérisés à partir de cibles d'oxyde ou de métal. [2] Les cibles métalliques ont une absorption plus faible mais des taux de pulvérisation plus élevés. Une vitesse de pulvérisation plus élevée améliorera l’efficacité du revêtement tant que les autres paramètres du film seront satisfaits. Lors du dépôt de films minces de HfO2, la pression partielle d'O2 est un paramètre de processus crucial, et si la pression partielle d'O2 ne répond pas aux exigences, les films sont sujets à des défauts structurels. En particulier, le manque d’oxygène produit des états électroniques sous-bande interdite qui induisent des dommages laser aux composants optiques. Les films HfO2 déséquilibrés à faible teneur en oxygène sont très absorbants et opaques et ne peuvent pas répondre aux exigences de l’optique laser UV.
Énergie du faisceau ionique et recuit
L’énergie du faisceau ionique est un autre élément critique du processus. Lors du placage de films SiO2, la diminution de l'énergie du faisceau ionique réduit l'absorption du film SiO2, améliorant ainsi les performances du système laser. Cependant, cela a un coût. Si la diminution de l’énergie du faisceau ionique améliore la qualité du film, elle réduit également le taux de dépôt, ce qui affecte la productivité. Dans le procédé SiO2, l'utilisation d'un faisceau auxiliaire permet d'augmenter le taux de transfert.
Pour les films HfO2, la résistance aux dommages laser diminue avec l’augmentation de l’énergie du faisceau auxiliaire. Bien évidemment, l’optimisation de l’énergie de pulvérisation joue un rôle crucial dans la qualité du film.
Le recuit joue également un rôle clé dans la qualité du film, car il s’agit d’une étape cruciale pour obtenir la perte la plus faible et la résistance la plus élevée aux dommages laser. Au cours du processus de pulvérisation cathodique, les films déposés sont soumis à des contraintes de compression et à des défauts dus au dépôt à haute énergie. Le recuit aide à relâcher la tension et à éliminer les liaisons pendantes créées pendant le processus de pulvérisation.
Le processus de recuit modifie également légèrement le rapport stœchiométrique du film. Idéalement, le recuit devrait réduire la contrainte du film et aboutir à des propriétés optiques optimales. Les recherches de Veeco ont montré que le recuit peut améliorer les propriétés des films déposés, mais qu'un recuit trop long ou à une température trop élevée peut également être préjudiciable. Lorsque les conditions de recuit ne sont pas appropriées, la rugosité de l'interface augmente et le film peut cristalliser. Le nombre de couches et la composition des films optiques peuvent varier pour différentes applications laser UV, le temps de recuit doit donc être optimisé pour chaque couche.
