中国激光, 2019, 46 (2): 0203001, 网络出版: 2019-05-09   

飞秒激光作用下金膜的微观特性变化 下载: 1371次

Microscopic Properties Changes of Au Film Under Action of Femtosecond Laser
作者单位
中国科学院上海光学精密机械研究所强激光材料重点实验室薄膜光学实验室, 上海 201800
摘要
用磁控溅射的方法在石英基底上制备了金(Au)膜,研究了Au膜在近激光损伤阈值(LIDT)飞秒脉冲激光辐照下的物相结构和表面形貌。结果表明:所制备的Au膜为(111)面取向生长的薄膜;近LIDT的激光辐照使辐照区的Au膜形成大晶粒,并由(111)单一取向变为多晶结构;Au膜晶粒尺寸的增大会导致表面粗糙度增加。实验结果为明确Au膜在飞秒激光作用下的损伤过程及后期应用提供了依据。
Abstract
Au films are deposited on fused silica substrates using the magnetron sputtering technique. The phase structure and surface morphology of the Au film after femtosecond pulse laser irradiation near laser induced damage threshold (LIDT) are investigated. The results show that the Au film prepared by magnetron sputtering is (111) oriented growth film. Laser irradiation energy near LIDT causes Au film to form large grains in the irradiated area and become polycrystalline structure from (111) single orientation. The increase of grain size leads to the increase of surface roughness. The experimental results provide a certain basis for exploring the damage process and later application of Au film under femtosecond laser.

1 引言

金(Au)膜在激光系统中的使用十分普遍,其具有反射带宽宽、膜层数量少、膜层内部应力小的特点,被广泛用于半导体法布里-珀罗激光镜、红外激光高反镜、飞秒激光加工基材、脉宽压缩光栅等[1-4]。其中,镀Au脉宽压缩光栅因具有明显的带宽优势,在数十飞秒领域的脉宽压缩中占据了主导地位。拍瓦高功率激光装置的发展对镀Au光栅的抗激光损伤能力提出了更高的要求,因而明确Au膜的飞秒损伤过程和机理,对提升Au膜的飞秒激光损伤阈值(LIDT)具有非常重要的意义。

金属在飞秒激光超短脉冲作用下发生损伤的理论基础主要是双温模型[5]。双温模型将超短激光脉冲与金属材料发生相互作用的能量传递过程分为电子和晶格两步加热的双温过程[6]:在第一个过程中,电子迅速吸收激光光子能量,此过程的时间约为几个飞秒;在第二个过程中,通过电子与晶格之间的碰撞进行能量交换,最终,电子-晶格达到热平衡,此过程持续几十皮秒。国内外许多学者[7-11]都使用双曲双温模型来分析Au膜的损伤机制,但均未从微观结构变化方面进行分析。本文主要采用双束场发射扫描电镜、X射线衍射仪微区分析模块、原子力显微镜对临近损伤阈值的飞秒激光辐照点进行定点研究,获得Au膜微观结构的变化规律。此结果对于近一步明确镀Au元件的损伤过程具有重要的实际意义。

2 样品准备及测量条件

2.1 样品准备

磁控溅射镀膜技术的优点[12-13]是能够获得致密性好、与基底结合牢固的薄膜。因此本课题组采用磁控溅射的方法制备Au膜。在镀膜之前,先依次用石油醚与去离子水清洗基底,基底为Φ30 mm×3 mm的熔石英基底。采用自行研制的磁控溅射镀膜设备镀膜,镀膜本底真空度为8×10-5 Pa;工作气体采用纯度为99.999%的高纯Ar气;镀膜真空度为8×10-3 Pa;溅射功率为1500 W,膜厚为130 nm。

2.2 测量条件

1) 飞秒激光辐照装置

实验中使用的飞秒激光辐照损伤测试平台如图1所示,其中:CCD为电感耦合器件,HR为高反射。实验在标准大气环境下进行。激光器为美国相干公司(Coherent)型号为Astrella的Ti∶sapphire激光系统,激光波长为(800±10) nm,啁啾脉冲谱带半峰全宽(FWHM)为70 nm,工作模式为TEM00,光斑呈近高斯分布,脉宽取30 fs,长期能量稳定性为3%。飞秒激光的重复频率为1 kHz,采用机械式快门(UNIBLITZ-LS6T2)对输出激光的脉冲数目进行控制,以达到不同脉冲数目实验的要求。该型号机械式快门的主要参数如下:通光孔径为6 mm,时间控制精度为1 ms。飞秒激光经聚焦透镜聚焦后辐照于固定在三维实验平台上的待测样品表面。

图 1. 激光损伤测试实验装置示意图

Fig. 1. Schematic of experimental setup for laser damage test

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2) 性能表征条件

使用X射线衍射仪微区分析模块进行微区晶相分析。在荷兰Panalytical公司型号为Empyrean的全自动X射线衍射仪(XRD)上,搭建一套微光束发射定位装置。采用单毛细管装置将X射线光束直径缩减至300 μm,如图2所示,进而采用高分辨相机、激光高度调节感应器等部件构建一套精准的定位系统,将百微米量级的X射线光束精确地定位于样品表面,进行微区物相分析。

图 2. 微光束发射定位装置示意图

Fig. 2. Schematic of micro beam emission positioning device

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采用德国Bruker Nano Inc.公司的Dimension-3100型原子力显微镜(AFM)测量飞秒激光辐照点表面粗糙度的变化。该原子力显微镜的最大成像范围为90 μm×90 μm×6 μm,横向最高分辨率为0.1 nm,纵向最高分辨率为0.01 nm。

使用德国Zeiss公司型号为Auriga的超高分辨双光束场发射扫描电镜(SEM)观测样品的表面形貌和截面形貌。该扫描电镜的分辨率可达1.9 nm@1 kV,其附带的聚焦离子束(FIB)附件可对样品进行FIB切割,从而获得样品的截面形貌。

3 实验结果

3.1 激光损伤阈值的确定及损伤形貌

所涉及的损伤实验均在1-on-1模式下进行,通过调整快门的工作参数,实现单脉冲输出。辐照方式为定点辐照。首先,将P光以53°入射,测试800 nm飞秒激光辐照下的损伤阈值,测试结果如表1所示,损伤阈值为0.61 J·cm-2;然后,以高能量密度激光(0.95 J·cm-2)在元件表面打出一排标记点,在标记点旁2 mm的位置处以高于损伤阈值15%的激光能量(近0.70 J·cm-2)对Au表面进行单点辐照,将该辐照点作为目标点,进行分析研究。

标记点损伤形貌如图3所示,可以看出:对于呈高斯分布的光斑,其中心能量密度较大,光斑中心的Au膜被烧蚀掉。对中心烧蚀区残留的Au膜的表面和截面进行观察,结果分别如图3(b)和图3(c)所示:表面为熔融状,内部存在气化孔洞;截面显现出不同的颜色,是由不同取向的晶粒造成的。

表 1. Au膜在800 nm飞秒激光辐照下的LIDT

Table 1. LIDT of Au film under the irradiation of 800 nm femtosecond laser

Sample typeThickness /nmTest methodLaser wavelength /nmPulse width /fsBeam size /μmLIDT /(J·cm-2)
Au film1301-on-18003005000.61

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图 3. 标记点的损伤形貌。(a)标记点俯视图;(b)标记点表面形貌的局部放大;(c)标记点局部FIB切割截面形貌

Fig. 3. Damage topography of mark point. (a) Top-view of mark point; (b) partial enlarged surface morphology of mark point; (c) cross-section view of mark point by FIB milling

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目标点(辐照能量密度近0.70 J·cm-2)的损伤形貌如图4(a)所示,沿损伤斑半径对6个不同位置进行观察,如图4(b)所示。6个位置的高分辨损伤形貌如图4(c)所示,可以看出:损伤斑中心处有熔融再结晶现象(位置1);整个损伤斑内均出现了结晶大颗粒(位置2和位置3);距离损伤斑边界外50 μm处(位置5)仍可观察到晶粒增大的现象;距离损伤斑边界外100 μm处(位置6)的形貌与Au膜激光未辐照区相同。

图 4. 损伤形貌。(a)目标点的损伤全图;(b) 6个观测点在损伤斑半径方向上的位置;(c) 6个位置的高分辨SEM图

Fig. 4. Damage topography. (a) Damage view of target point; (b) positions of six observation points along radius of damage area; (c) high resolution SEM images of six positions

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对损伤斑内的位置2、3、4进行截面分析,如图5所示,可以看出:越靠近中心位置,大晶粒表面和截面的晶界越明显,且大晶粒贯穿整个膜层。

对位置4和位置6进行表面粗糙度分析,结果如图6所示,可以看出:由于位置4出现了大晶粒,表面晶界明显,表面粗糙度由辐照前的0.911 nm增加到辐照后的1.237 nm。

使用扫描电镜对位置3和位置4的晶粒大小进行了测量,结果如图7所示,可以看出:激光辐照区的晶粒尺寸大小不一,集中在25~200 nm范围内。

图 5. 使用FIB切割获得的截面形貌。(a)位置2;(b)位置3;(c)位置4

Fig. 5. Cross-section topography obtained by FIB milling. (a) Position 2; (b) position 3; (c) position 4

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图 6. 表面粗糙度。(a)位置4;(b)位置6

Fig. 6. Surface roughness. (a) Position 4; (b) position 6

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图 7. 晶粒尺寸。(a)位置3;(b)位置4

Fig. 7. Grain size. (a) Position 3; (b) position 4

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综合以上测试结果,可以得出以下结论:

1)当激光能量密度较小时,激光能量首先使被辐照区的Au膜形成大晶粒,说明电子与晶格碰撞进行能量交换后,首先消除位错缺陷;

2)随着激光能量密度增加,需要考虑非傅里叶效应的影响[8],Au膜的变化过程是:形成大晶粒—部分小点气化穿孔—大面积区域快速熔化、凝固—大面积区域气化。

3.2 激光辐照区Au膜晶相的变化

为了近一步分析Au膜晶相的变化,使用XRD微区分析装置对非辐照区和目标点(辐照能量密度近0.70 J·cm-2)进行对比分析。采用微光束发射装置对非激光辐照的3个不同位置进行了θ~2θ衍射峰采集,结果如图8所示。由图8可以看出:3条曲线基本重合,表明Au膜的一致性好,不同位置的结晶状态一致;衍射谱仅出现(111)和(222)衍射峰,表明磁控溅射制备的Au膜是平行于基片表面沿(111)面单一取向生长的膜层,这归因于磁控溅射制备的Au的晶体类型为面心立方晶相,(111)面是面心立方结构的最密排面,具有低的表面自由能,在生长过程中优先长大[14]

图 8. Au膜上3个非激光辐照微区的XRD衍射谱

Fig. 8. XRD diffraction spectra of three micro-regions in Au film without laser irradiation

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对近损伤阈值激光辐照点进行θ~2θ衍射峰采集,对比后发现近损伤阈值激光辐照点为多晶结构,如图9所示,这与双束场发射扫描电镜观察到的结果一致。激光辐照后,(111)和(222)衍射峰位明显偏大,表明激光辐照引起了Au膜内部晶格参数的变化,垂直膜面方向的(111)面的晶面间距d减小。这是由于薄膜内部的残余应力主要由其微观结构决定,不同于外界施加的负载力。通常,可把薄膜中的应力分为张应力与压应力,如果薄膜处于一种沿膜面膨胀的趋势但又受到基底或临近膜层的约束,则薄膜的内部应力为压应力;当薄膜处于一种沿膜面收缩的趋势时,则薄膜的内部应力为张应力。Au膜在激光辐照过程中,由于位错的消除、大晶粒的产生,会形成张应力,压应力释放,从而导致衍射峰偏大。

图 9. 非辐照点和激光辐照点的XRD衍射谱,插图为(111)峰位的放大图

Fig. 9. XRD diffraction spectra of micro-regions without laser irradiation and with laser irradiation, the insert figure is enlarged view of (111) peak

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4 结论

通过磁控溅射的方法制备了Au膜,通过对比分析非激光辐照区和激光辐照区的形貌变化、晶相可以发现,以较高功率溅射制备的Au膜为单一取向薄膜,这归因于(111)面是面心立方结构的最密排面,其具有低的表面自由能。激光辐照能量最先消除Au膜的位错,使辐照区Au膜形成大晶粒,晶粒尺寸大小不一,集中在25~200 nm范围内,表面粗糙度也随之增大。随着激光能量密度由小变大,Au膜的损伤过程依次为:形成大晶粒—气化穿孔—熔化、凝固—气化。以上研究结果对进一步明确镀Au膜厚度为百纳米级元件的损伤过程,提升其损伤阈值具有实际意义。

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