无定形Si_C_O_N涂层的光学性能研究_唐惠东
第34卷第1期2013年3月
《陶瓷学报》
JOURNAL OF CERAMICS
Vol. 34, No. 1Mar. 2013
文章编号：1000-2278（2013）01-0001-04
无定形Ｓｉ－Ｃ－Ｏ－Ｎ涂层的光学性能研究
唐惠东
１
孙媛媛
１
李龙珠
１
谭寿洪
２
（1. 常州工程职业技术学院材料工程技术系，江苏常州213164；2. 中国科学院上海硅酸盐研究所，上海200050）
摘要
利用射频磁控溅射法，在SSiC 陶瓷表面沉积一层无定形Si-C-O-N 涂层，测试了抛光后的涂层和SSiC 陶瓷在不同波段的反射率情况。结果表明：在软X 射线波段，涂层的反射率小于SSiC 陶瓷；在EUV 波段，两者反射率基本相当；在UV-VIS-NIR 波段，涂层的反射率优于SSiC 陶瓷。这主要归因于表面粗糙度和涂层中氧元素对反射率共同作用的结果。关键词Si-C-O-N 涂层；软X 射线；EUV ；UV-VIS-NIR ；反射率中图分类号：ＴＱ１７４．７５文献标识码：Ａ
低。虽然在防止PVD SiC 涂层氧化方面做了大量工
０引言
SiC 属于共价键化合物，在高温下难以烧结致密，存在一定的气孔。当用作反射镜材料抛光后，表面粗糙度较大，难以得到高质量的光学镜面，最终导致反射率较低，无法满足高质量空间光学系统的需目前解决的办法是在表面沉积一层CVD SiC 求[1-2]。
(Chemicalvapor deposition SiC) [3-4]或PVD Si(Physical 涂层抛光后表面粗糙度vapor deposition Si) 涂层[5-6]，
可达埃级，表面质量较高，目前已经广泛地应用于反射镜镜坯的表面改性上。
目前CVD 法主要用于高能量的软X 射线和EUV(ExtremeUltraviolet) 波段的反射镜表面改性上，而在低能量的可见光和红外波段，目前一般采用PVD Si 涂层。由于PVD 法成本低、易于工业化生产，许多科研工作者[7-8]拟采用PVD SiC 涂层来取代CVD SiC 涂层在软X 射线和EUV 波段的应用，他们通过涂层经过磁控溅射法和离子束沉积法得到SiC 涂层，精细抛光后可获得超光滑表面(Ra≤1nm) 。但是由于PVD SiC 涂层为无定形结构，非常容易氧化，导致抛光后的涂层在软X 射线和EUV 波段的反射率非常
收稿日期：2012-09-24
作，但效果不是十分理想。
近期的研究工作表明[9-11]，采用射频磁控溅射法制备的无定形Si-C-O-N 涂层在对SiC 陶瓷表面改性后，可以获得较为满意的光学表面，其反射率在可见光波段有一定程度的改善。本文进一步测试了无定形Si-C-O-N 涂层在软X 射线、EUV 和UV-VIS-NIR 波段的反射率，探讨了反射率同波长的变化规律。
１实验
１．１涂层的制备
利用RF 磁控溅射仪(JG-PF-3B ，上海有线电厂生产) 来沉积Si-C-O-N 涂层。衬底和靶材均采用自制的SSiC (SinteredSiC) 陶瓷，尺寸分别为Ф38×3mm 和Ф100×5mm 。具体的制备步骤已有所报道[9]，在此不再详细叙述。２．２涂层的表征
涂层在软X 射线波段内的反射率采用中国科学院高能物理研究所软X 射线光学实验站的3W1B 光束线装置反射率计测试。在EUV 波段的反射率则采
基金项目：国家重点基础研究规划（863项目）资助项目（编号：2006AA03Z539）；常州工程职业技术学院2010年度院级科研项目
KJY2010-06）（编号：
通讯联系人：唐惠东，E-mail:[email protected]
2
１００８０Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ／％６０４０２００
Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ／％１００８０６０４０２００
《陶瓷学报》２０１３年第１期
（ａ）（ｂ）
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Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ／ｎｍ
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图１无定形Ｓｉ－Ｃ－Ｏ－Ｎ涂层和ＳＳｉＣ在软Ｘ射线波段的反射率
Fig.1The reflectance in the wave range of soft X-ray (a):amorphous Si-C-O-N coating; (b):SSiC
图２无定形Ｓｉ－Ｃ－Ｏ－Ｎ涂层和ＳＳｉＣ在ＥＵＶ波段的反射率
Fig.2The reflectance in the wave range of EUV (a):amorphous Si-C-O-N coating; (b):SSiC
用合肥国家同步辐射实验室光谱辐射标准与计量光束线和实验站的反射率计来测定。在UV-VIS-NIR 波段的反射率则采用美国Varian 公司生产的型号为Carry 500Scan 分光光度计来测量。
增大，反射率呈下降趋势，并且转折点的位置有向高波段方向移动的趋势。抛光后的SSiC 陶瓷反映的情况基本与涂层一致。需要说明的是，虽然抛光后的SSiC 其表面粗糙度(Ra=4.640nm)较涂层(Ra=0.8173nm) 大，但是当入射角相同时，其反射率却比涂层的反射率要高，具体原因详见讨论。２．２ＥＵＶ波段的反射率
图2为无定形Si-C-O-N 涂层和SSiC 陶瓷在EUV 波段的反射率变化情况。由图可知，当入射角为20°时，涂层和SSiC 陶瓷的反射率基本相当，均处于20～30％。并且随着入射角的增大，其反射率逐渐减小。这同在软X 射线波长段所反映的变化趋势基本一致。
２．３ＵＶ－ＶＩＳ－ＮＩＲ波段的反射率
图3给出了当光线垂直入射时，无定形Si-C-O-N 涂层和SSiC 陶瓷在UV-VIS-NIR 波段的反射
２结果与讨论
２．１软Ｘ射线波段的反射率
由于软X 射线波段的能量很高，因此，入射角通常采用掠入射。图1为抛光后的无定形Si-C-O-N 涂层和SSiC 陶瓷在软X 射线波段的反射率变化情况。由图可知，反射率随着波长的增加大致可以反映出如下变化趋势：反射率首先随着波长的增加缓慢增加，随后反射率约在12.4nm 处出现转折点后直线上升，这主要是因为Si 的L 2,3峰吸收所致[12]，随后又缓慢降低最终趋于平缓。对于涂层而言，随着入射角的
《陶瓷学报》２０１３年第１期3
图３无定形Ｓｉ－Ｃ－Ｏ－Ｎ涂层和ＳＳｉＣ在ＵＶ－ＶＩＳ－ＮＩＲ波段的反射率
Fig.3The reflectance in the wave range of UV-VIS-NIR (a):amorphous Si-C-O-N coating; (b):SSiC
率变化情况。虽然涂层和SSiC 陶瓷抛光后其表面粗糙度存在半个数量级的差别，但是由图3可知，在UV-VIS-NIR 波段，两者的反射率却相差不大，均处于20～30%之间，涂层的反射率略优于SSiC 陶瓷的反射率。２．４讨论
Dan Schwarcz [7-8]等在采用离子束沉积PVD SiC 涂层时发现，PVD SiC 涂层一接触大气瞬间便急剧氧化，导致反射率下降很快，这主要归结为涂层中氧元素的存在导致反射率下降。另外，根据标量散射理论[13-14]，表面粗糙度越低，其反射率越高。由此可见，本实验制备的涂层的反射率应该是由涂层中氧元素和表面粗糙度共同作用的结果。
在软X 射线波段，由于涂层的表面粗糙度优于SSiC 陶瓷的表面粗糙度，根据标量散射理论，其反射率应优于SSiC 陶瓷，但是由于涂层中氧元素的存在导致反射率实际要低于SSiC 陶瓷。这说明在软X 射线波段，涂层中氧元素对反射率的贡献要大于表面粗糙度对反射率的贡献。而在EUV 波段，两者反射率基本相当，均处于20～30％。这说明表面粗糙度对反射率的贡献逐渐增大，基本同氧元素的贡献相当。当在UV-VIS-NIR 波段时，表面粗糙度对反射率的贡献已经开始占据主导地位，其反射率已经显示出优于SSiC 陶瓷的趋势。
波段的反射率小于SSiC 陶瓷，这是由于涂层中氧元素对反射率的贡献要大于表面粗糙度对反射率的贡献；在EUV 波段，两者反射率基本相当，这主要是表面粗糙度和氧元素对反射率的贡献基本相当的缘故；在UV-VIS-NIR 波段，涂层的反射率优于SSiC 陶瓷，这主要归因于表面粗糙度对反射率的贡献大于氧元素对反射率的贡献。
参考文献
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8SCHWARCZ D, KESKI-KUHA R A M. Degradation in EUV reflectance of ion-sputtered SiC films. Mat. Res. Soc. Symp. Proc., 1995, 354:535~540
３结论
利用射频磁控溅射法，在SSiC 陶瓷表面沉积了无定形Si-C-O-N 涂层，抛光后的涂层在软X 射线
4
9唐惠东, 孙媛媛, 李龙珠等. 无定型Si-C-O-N 涂层用于SSiC 陶瓷的表面改性研究. 硅酸盐通报, 2010, 29(1):248~25210唐惠东, 李龙珠, 孙媛媛等. 无定型Si-C-O-N 涂层的XPS 分析. 中国陶瓷, 2011, 47(6):4~9
11唐惠东, 李龙珠, 孙媛媛, 等. 无定形Si-C-O-N 涂层的制备及其性能研究. 真空, 2012, 49(1):74~77
12THOMPSON A, et al. X-Ray Data Booklet. Berkeley,
California:
Lawrence
Berkeley
National
Laboratory,
《陶瓷学报》２０１３年第１期
University of California Berkeley, 2001
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14LINDSTROM T, RONNOW D. Total integrated scattering from transparent substrates in the infrared region-validity of scalar theory. Opt. Eng., 2000, 39(2):478~487
Optical Performance of Amorphous Si-C-O-N Coating
TANG Huidong
1
SUN Yuanyuan
1
LI Longzhu
1
TAN Shouhong
2
(1.Departmentof Materials Engineering Technology, Changzhou Institute of Engineering Technology, Changzhou, Jiangsu
213164, China; 2. Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China)
Abstract
Amorphous Si -C -O -N coatings were deposited by RF magnetron sputtering on SSiC ceramic substrates. The reflectance of polished coatings and SSiC in various wave ranges was measured. The results show that the reflectance of coatings is lower than that of SSiC in soft X -ray. The reflectance of coatings is equal to that of SSiC in EUV. The reflectance of coatings is higher than that of SSiC in UV -VIS -NIR. This is attributed to the contribution of both surface roughness and oxygen in coating to the reflectance.
Key words Si-C-O-N coating; soft X-ray; EUV; UV-VIS-NIR; reflectance
Received on Sep. 24, 2012
TANG Huidong, E-mail:[email protected]