原子层沉积二氧化铪薄膜成膜机理及激光损伤阈值的影响机制研究

Atomic layer deposition (ALD) is a novel method for obtaining optical thin films. ALD can able to achieve high controllability over the coating parameters (thickness, composition and structure) compared with the traditional methods. The most important is ALD can obtain high accuracy uniformity and pinholes free optical films. This work is plan to study the coating and damage mechanism of hafnia (HfO2), a most popular material in Inertial Confined Fusion (ICF) project. The coating mechanism would be found out by studying the impact of depositing parameters on the film’s micro structure; The impact on the film’s feature would also be studied; The damage mechanism would be studied by investigating the influence of depositing parameters on damage morphology and damage threshold, by constructing a simplified model of the particular film. The goal of this work is to understand the coating mechanism of ALD HfO2 film, to promote the damage threshold, and to contribute to the improvement of ICF laser power.

原子层沉积是一种激光薄膜领域内新兴的镀膜技术，与传统镀膜技术相比，能够实现薄膜沉积参数的高度可控，更重要的是能够实现均匀、无针孔薄膜的沉积，易于获得高质量薄膜。本项目以目前ICF中应用最广泛的高折射率材料二氧化铪(HfO2)为研究对象，在原子层沉积该薄膜成膜机理研究的基础上，开展薄膜的激光损伤机制研究。通过分析沉积过程参数对薄膜微观生长特性的影响规律，探索原子层沉积HfO2薄膜成膜过程以及成膜机理；通过分析沉积过程参数对薄膜光学特性带来的影响，研究成膜过程参数对薄膜光学特性的影响规律；同时进一步对薄膜的损伤形态、损伤能力进行分析，并将损伤性能和成膜过程参数进行耦合，最终建立该薄膜特有的损伤简化模型，探究原子层沉积HfO2薄膜特有的损伤机制。项目的目的是深入了解原子层沉积HfO2薄膜的成膜机理，进一步提高HfO2薄膜的激光损伤阈值，为ICF装置光学薄膜元件激光损伤能力提升做出贡献。

原子层沉积是一种激光薄膜领域内新兴的技术，本课题以目前ICF上应用最广泛的高折射率材料HfO2为研究对象，分析了不同循环周期下薄膜的微观性能及常数，测试了不同循环周期下薄膜的光学性能及抗激光损伤性能，对测试的微观性能及常数与宏观光学性能及抗激光损伤性能进行耦合，完成了对原子层沉积二氧化铪薄膜成膜机理的探索性研究，研究结果表明：原子层沉积二氧化铪薄膜成膜模型计算所得二氧化铪薄膜沉积速率为0.1nm/s，该结果接近实际沉积速率0.097nm/s。说明本项目中ALD沉积的HfO2薄膜的成膜机理是基于化学吸附的反应配体的大小和数量的分子模型；第二，本项目还分析了成膜过程参数对薄膜性能的影响规律，沉积温度、前驱体源种类、脉冲时间因子等因素对原子层沉积薄膜的光学性能和抗激光损伤性能有着重要影响，其中沉积温度影响的是薄膜的微观结构，进而影响了薄膜的光学性能，前驱体源本质上是影响了薄膜中残余有机杂质集团的含量，进而影响了薄膜的吸收，进而影响了薄膜的抗激光损伤阈值；此外，本项目还创新性的利用ALD的优点制备了渐变折射率薄膜，通过调节高低折射率材料的混合比例来实现任意折射率薄膜，进而实现高光学性能的褶皱滤光片。本项目的实施无论是在修正和补充国际原子层沉积成膜机理及光学特性方面，还是在提高我国ICF装置中激光薄膜的阈值水平方面均有很好的理论价值和现实意义。本项目发表SCI论文6篇，撰写专利2项，形成总结报告1项，参加学术会议2次，完成了该课题标的。