ALD-Al₂O₃薄膜的制备：基于椭偏仪的前驱体脉冲时间优化与光学表征

高功率激光系统（如惯性约束核聚变、激光装备等）中的复杂曲面光学元件对薄膜的均匀性和精度要求极高。传统物理气相沉积（PVD）难以在高陡度曲面上实现均匀覆盖，而原子层沉积（ALD）凭借自限制表面反应特性，可实现原子级厚度控制和优异的三维共形覆盖。Al₂O₃薄膜因宽带隙、高导热性和良好的化学稳定性而成为代表性材料。已有研究探索了退火、吹扫时间、沉积厚度等对薄膜性能的影响，但尚未系统阐明前驱体脉冲时间对光学性能、微观结构和激光负载性能的综合调控规律，特别是在连续激光热效应和脉冲激光损伤阈值方面的研究仍不深入。Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

本文采用热反应原子层沉积（ALD）技术在熔石英基底上制备了Al₂O₃薄膜，系统研究了前驱体（三甲基铝TMA和水H₂O）脉冲时间对薄膜生长速率、厚度均匀性、折射率、光学吸收、表面粗糙度、连续激光辐照下温升以及1064 nm脉冲激光诱导损伤阈值（LIDT）的影响。研究表明，合理优化ALD前驱体脉冲时间可协同提升Al₂O₃薄膜的光学性能、热稳定性和抗激光损伤能力，为高功率激光系统中复杂曲面光学元件的保护膜应用提供工艺依据。

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实验方案

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基底为Corning 7980熔石英（Φ25.4 mm×5 mm，双面抛光，初始粗糙度≤0.5 nm）。采用热反应ALD系统，前驱体为TMA（≥99.99%）和去离子水，载气和吹扫气为高纯N₂。沉积温度100°C，工作压力9.5 Pa，循环次数700次，N₂吹扫时间12 s，载气流量200 sccm。

采用控制变量法设计两组实验：A组固定TMA脉冲0.3 s，改变H₂O脉冲为0.05、0.08、0.1、0.2、0.3 s；B组固定H₂O脉冲0.3 s，改变TMA脉冲为0.02、0.05、0.08、0.12、0.3 s。

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表征方法

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光谱椭偏仪：双入射角（55°/65°），波长193~2500 nm，Cauchy模型拟合厚度和折射率。

原子力显微镜（AFM）：轻敲模式，扫描范围1 μm×1 μm和5 μm×5 μm，评价均方根粗糙度Rq。

激光量热法：1064 nm波长，测试吸收率，每组3个平行样品取均值。

连续激光热效应：1080 nm光纤激光器，功率3260~9800 W，光斑直径3 mm，入射角45°，辐照60 s，红外热像仪监测温升ΔT。

激光损伤阈值：遵循ISO 21254-1:2011，1-on-1测试，1064 nm、10 ns、10 Hz，高斯光斑直径260 μm，通过损伤概率线性拟合得到LIDT。

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薄膜厚度均匀性与生长速率

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厚度均匀性是光学薄膜的关键指标。实验表明，延长H₂O或TMA脉冲时间均可显著改善薄膜面内厚度均匀性。

不同工艺下薄膜的均匀性：（a）H₂O和（b）TMA不同反应剂量的均匀性

当H₂O脉冲从0.05 s增至0.3 s时，不均匀性从31.96%降至0.54%，提升约三个数量级。其中0.05→0.08 s阶段降幅最大（至1.88%），因为过短脉冲导致局部反应速率差异大；0.1 s后均匀性趋于稳定。

TMA脉冲从0.02 s增至0.3 s时，不均匀性从2.45 %降至0.54 %，同样表现出延长脉冲优化均匀性的趋势。

对比发现，H₂O脉冲时间对均匀性的提升效果比TMA更明显。

不同工艺下薄膜的GPC：（a）H₂O和（b）TMA不同反应剂量的GPC

生长速率（GPC）定义为单循环沉积厚度。增加H₂O或TMA脉冲时间均使GPC波动幅度减小，工艺稳定性提高。当H₂O脉冲达到0.2 s后，GPC下降趋缓，表明接近表面反应饱和阈值。TMA对GPC波动的影响比H₂O更敏感，这与其高反应活性有关。优化条件下（TMA 0.3 s，H₂O 0.3 s），平均GPC为0.102±0.005 nm/cycle，与文献典型值一致，证实了自限制生长特性。

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薄膜的光学常数

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不同工艺下拟合的折射率变化和不同工艺在1066nm折射率变化（a）H2O 不同反应剂量的折射率（b）TMA不同反应剂量的折射率

薄膜在300~2500 nm波段透明，折射率集中在1.60~1.62。随H₂O脉冲延长，全波段折射率逐步升高，原因是反应更充分、孔隙率降低、致密度提高。H₂O为0.05 s时折射率偏低，0.1 s后明显上升，1066 nm处呈现先升后降的细微波动。同样，随TMA脉冲从0.02 s延长至0.3 s，折射率也呈升高趋势，短脉冲时吸附不足导致缺陷和孔隙，长脉冲时薄膜更致密。整个工艺窗口内折射率波动不超过0.01，表明ALD具有良好的光学性能重复性。

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薄膜的光学吸收

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不同工艺下1064nm薄膜的吸收结果（a）H₂O不同反应剂量（b）TMA不同反应剂量

1064 nm吸收率测试显示：H₂O脉冲仅0.05 s时，吸收率高达374.3 ppm，比优化样品（<60 ppm）高出近一个数量级。这是由于氧化不充分，残留TMA配体或形成富铝亚化学计量区域，引入带隙内吸收态。当H₂O脉冲≥0.1 s时，吸收率迅速降至本底水平。而改变TMA脉冲（0.02~0.3 s）时，吸收值在9.2~15.8 ppm之间小幅波动，未呈现明确趋势，表明在该工艺窗口内TMA脉冲时间不是调控近红外吸收的敏感参数。总体而言，适当延长两种前驱体脉冲时间均有助于降低吸收。

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薄膜的表面形貌

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ALD 制备 Al2O3薄膜粗糙度结果（a）（b）扫描范围为 1μm×1μm（c）（d）扫描范围为 5μm×5μm

不同H₂O工艺 Al2O3薄膜的 AFM 结果

不同H₂O工艺参数Al₂O₃薄膜的 AFM 结果

AFM结果表明，优化工艺（TMA和H₂O均为0.3 s）下薄膜Rq约0.7 nm，表面平滑，无晶界、孔洞或柱状结构。ALD的自限制饱和吸附特性使得薄膜可实现原子级平滑，有利于降低散射损耗并保持光学厚度控制的精确性。粗糙度随H₂O脉冲增加略有增加，随TMA脉冲变化较小。

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连续激光负载热效应

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不同工艺下的温升变化（a）H₂O不同反应剂量的温升（b）TMA不同反应剂量的温升

1080 nm连续激光辐照下，不同工艺样品温升差异显著。H₂O脉冲0.05 s的样品在3260 W功率下温升达125°C，薄膜开裂脱落，无法进行更高功率测试。而优化样品（H₂O 0.3 s）在相同功率下仅温升3.9°C，即使在9800 W下也仅升高12.1°C，热稳定性优异。这直接印证了吸收损耗是热沉积的主要来源。另外，吸收率相近的样品温升曲线斜率仍有差异，暗示致密度更高的薄膜具有更好的横向热扩散能力。

TMA脉冲时间对温升的影响呈分段特征：从0.02 s增至0.05 s时温升略有上升；超过0.08 s后温升趋于稳定。这归因于表面反应饱和：未达饱和时，增加TMA使反应放热增加；达饱和后，额外TMA不再引起反应，温升进入平台期。

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脉冲激光负载损伤阈值

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不同工艺1064 nm 的损伤阈值结果（a）H₂O不同反应剂量的LIDT（b）TMA不同反应剂量的LIDT

1064 nm纳秒脉冲LIDT测试表明：H₂O脉冲从0.05 s增至0.1 s时，LIDT从19.5 J/cm²上升至22.6 J/cm²，这归因于化学计量比优化和缺陷密度降低。进一步延长至0.3 s时，LIDT稳定在22.6 J/cm²左右，不再继续提升，说明充分氧化后缺陷调控趋于饱和。

TMA脉冲时间较短（0.02~0.05 s）时，因前驱体吸附不饱和，薄膜体缺陷密度高、吸收强，LIDT较低。当TMA脉冲≥0.08 s后，LIDT稳定在约21.9 J/cm²。总体而言，在饱和脉冲条件下，薄膜LIDT可稳定维持在21~23 J/cm²的较高水平。

基于光谱椭偏仪对不同前驱体脉冲时间下薄膜厚度分布与折射率色散的精确表征，本研究系统揭示了原子层沉积Al₂O₃薄膜性能的调控规律。椭偏仪测量结果表明，优化前驱体脉冲时间可将薄膜面内厚度非均匀性降至1%以下，生长速率稳定在0.102 nm/cycle，且折射率在1.60~1.62范围内波动极小，证实了ALD工艺优异的可控性与重复性。进一步结合光学吸收、AFM形貌及激光负载测试发现：充足的H₂O脉冲（≥0.1 s）是实现低吸收（<60 ppm）、高致密度和优异热稳定性（9800 W连续激光辐照下温升仅12.1°C）的关键；TMA脉冲时间主要影响表面粗糙度，对吸收和折射率影响有限；在饱和脉冲条件下，薄膜的1064 nm脉冲激光损伤阈值可稳定维持在21~23 J/cm²。综上，椭偏仪为评估薄膜均匀性与光学常数提供了核心手段，指导了前驱体脉冲时间的协同优化，从而获得兼具高均匀性、低吸收、高热稳定性和高抗激光损伤能力的Al₂O₃薄膜。

Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪

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Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

• 先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。
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Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率,结合费曼仪器全流程薄膜测量技术，助力半导体薄膜材料领域的高质量发展。

原文参考：《热反应原子层沉积Al2O3薄膜的光学性能和激光负载能力研究》

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