基于不同成核层的碳化硅基底反射镜特性研究

何世昆 白云立 周于鸣 张继友,2 黄巧林 王利

基于不同成核层的碳化硅基底反射镜特性研究

何世昆1白云立1周于鸣1张继友1,2黄巧林1王利1

（1 北京空间机电研究所，北京 100094）（2 先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100094）

不同的成核材料对金属Ag薄膜生长具有不同的细化作用，材料晶格常数差异会导致不同薄膜材料在生长过程中产生不同的表面弛豫现象，导致薄膜生长模式差异。由于材料特性及制备工艺限制，成型SiC材料表面和坯体中会存在一定的孔洞缺陷，抛光后的SiC，特别是反应烧结SiC基底表面粗糙度依然较大，表面镀制的金属膜由于对基底形貌的复制，具有较大的散射，影响光学系统的成像品质。为改善具有表面孔洞RB-SiC材料的表面特性，利用热蒸发工艺分别在抛光RB-SiC表面沉积了10nm厚的Cr、Ti、Ge三种不同成核材料，对孔洞形貌改变、表面粗糙度进行分析；并进一步研究了RB-SiC基底沉积三种成核材料金属Ag反射镜的特性。研究结果表明，由于材料晶格常数差异导致不同薄膜材料在生长过程中产生的表面弛豫强弱不同，Cr、Ti、Ge三种成核材料在RB-SiC表面孔洞中的生长方式不同；金属Ti具有更好的孔洞修补能力，并且沉积100nm金属Ag后对可见光谱的杂散光最小。

碳化硅 成核层 金属银 生长模式 大口径反射镜

0 引言

根据瑞利判据，光学系统的分辨率与通光口径的尺寸成正比，而光学系统对于光的收集能力与遥感器口径的平方成正比，因而增大通光口径可以直接有效的提高光学遥感器分辨率[1]。随着技术的发展，大口径光学系统中反射式望远镜成为了应用的主流[2]，作为该系统中主要元件之一的大口径反射镜[3]，基底材料通常采用SiC。与空间光学系统常用的微晶、ULE、石英材料相比，SiC具有密度小、弹性模量高的特点；同时由于其较高的比刚度、较好的轻量化能力[4]，能够最大程度地降低镜体质量，有效减少发射成本；SiC材料的热膨胀系数低、导热系数高、热稳定性好，能够有效减少热控系统的质量和功耗[5]。SiC材料凭借其优良的物理、机械和热性能等优良特性已在空间大口径光学系统中得到广泛应用[6-7]。由于材料特性及制备工艺限制，成型SiC材料表面和坯体中会存在一定的孔洞缺陷，抛光后的SiC，特别是反应烧结SiC基底表面粗糙度依然较大，表面镀制的金属Ag或Al膜由于对基底形貌的复制，具有较大的散射，影响光学系统的成像品质[8-11]。为改善SiC材料的表面性能，一般采用化学或物理方法在SiC表面沉积一层SiC（或Si）覆盖其表面孔洞，然后进行抛光得到表面粗糙度优于1nm的光滑表面，从而降低镜面散射[12-15]。

采用传统的电子束蒸发、化学气相沉积或溅射方法在介质或氧化物材料表面制备的金属Ag膜呈现岛状生长模式，Ag膜的表面粗糙度较大。为得到超薄光滑金属Ag膜，近年来，人们对Ni、Ti、Cu、Cr、Ge等不同成核层对超薄金属Ag膜的生长影响进行深入研究[16-19]，文献[20]利用1nm Cu作为成核层得到了粗糙度小于0.5nm的超薄金属Ag层，将2nm厚度的 Ge作为成核层得到了粗糙度为0.6nm的超薄Ag层，研究结果表明，不同材料的成核层会影响金属Ag的生长过程。

为改善SiC表面沉积金属Ag膜的品质，需要从SiC反射镜镜坯表面品质和金属Ag膜生长两个方面着手进行控制。本文采用热蒸发工艺在抛光RB-SiC表面沉积金属Cr、Ti和Ge作为成核层，对沉积后的表面特性及金属Ag膜的生长影响进行研究。

1 实验方法

采用Φ50mm×5mm RB-SiC抛光试片，表面粗糙度优于6nm，使用INFICONSQ-310膜厚监控仪监控蒸发速率和膜层厚度。

镀膜前首先利用高纯水、酒精乙醚混合液对试片进行超声清洗，清洗后利用高纯氮气吹干。镀膜时采用热蒸发工艺镀制样品，镀膜前本底真空为8×10-4Pa。Cr、Ti的沉积速率为0.5×10–10m/s，Ge的沉积速率为1.0×10–10m/s；金属Ag的蒸发速率为10×10–10m/s，所有薄膜沉积过程不加热。

由于成核层对金属Ag的生长过程具有不同影响，同时考虑膜层厚度与SiC基底表面粗糙度的匹配，在SiC基底上分别沉积10nm厚度的Cr、Ti和Ge单层膜，得到三组实验样品，研究单层成核材料对SiC基底粗糙表面的影响。金属Ag膜厚度达到100nm时，厚度增加对反射率提升没有明显效果，因此Ag膜的厚度选为100nm。为进一步研究成核层对最终镀制金属Ag反射镜的影响，在抛光SiC基底上分别制备了10nm(Cr)+100nm(Ag)、10nm(Ti)+100nm(Ag)和10nm(Ge)+100nm(Ag)三组样品。

利用扫描电镜观察样品的表面形貌，分别获取单层成核材料在SiC表面沉积和金属Ag在成核材料上沉积后的形貌；白光干涉仪测量样品的表面粗糙度，获取膜层生长后的表面粗糙度等信息；利用分光光度计和积分球附件表征SiC基底沉积成核层和金属Ag膜后的表面杂散光特性。

2 结果与分析

2.1 单层成核膜层对SiC表面的影响

利用JSM-6510扫描电镜在10kV电压下进行观察，图1为抛光后且未表面改性的RB-SiC表面。从图1（a）可以看出在抛光后的表面存在三角形或不规则孔洞，这些孔洞一般来源于RB-SiC烧结过程产生或抛光过程。对其中单一孔洞放大30 000倍进行观察，如图1（b）所示。可以看出SiC烧结过程产生孔洞中存在颗粒状烧结物。正是这些孔洞和颗粒物的存在，在沉积金属Ag膜后，反射镜会存在散射，从而降低反射镜的反射率，同时会对光学系统引入杂散光。

图1 未改性RB-SiC的扫描电镜测试结果

图2（a）、（b）、（c）为在抛光后的RB-SiC表面分别沉积10nm Cr、Ti、Ge后放大10000倍后观察到的表面，图2（d）、（e）、（f）为放大30 000倍后观察到的单孔表面。对图1、图2进行对比，可以看出，在RB-SiC表面沉积成核层后，三组样品表面孔洞内形貌都发生了改变，说明在成核材料沉积过程中，孔洞内有薄膜材料沉积。由图2（d）、（e）、（f）可以看出，Ti、Ge在RB-SiC表面孔洞中的生长与Cr的生长结果不同，Ti、Ge表现为孔洞填充式均匀生长，孔洞深度变小；Cr表面孔洞填充效果不明显，孔洞边缘边界清晰，表现为沿孔洞周围缩进式生长，且孔洞内材料颗粒度较大。根据参考文献[21]，材料的生长模式与晶格失配程度及表面能有关，当较小的表面能、大的晶格失配比时，材料呈现层状生长，随着膜层厚度增加，由于孤立岛状物形成，总的能量会减小，同时由于材料间的位错，应力得到释放，为stranski-krastanow（S-K）岛状和层状复合生长模型，晶格失配是材料岛状生长的主要原因。SiC的晶格常数（晶格常数是指晶胞的边长，也就是每一个平行六面体单元的边长）为0.453nm，Cr的晶格常数为0.289nm，Ti的晶格常数为0.329nm，Ge的晶格常数为0.568 5nm。在三种成核材料中，Cr与SiC的晶格失配最大，其次是Ge，差别最小的是Ti。因此，Cr在SiC表面孔洞内呈现volmer-weber（V-W）岛状生长模式，Ti和Ge为复合生长模式。根据参考文献[22]，材料在孔洞中的生长过程受孔洞形状的影响。当洞底为尖状时，材料生长从洞底开始，呈现填充式；当洞底为平坦状时，材料会围绕洞周围进行成核生长，呈现孔洞直径收缩式。Ti、Ge和Cr在SiC孔洞中分别呈现填充式和非填充式，可能与基底孔洞形状有关，还需进一步实验验证。

图2 RB-SiC表面分别沉积10nm Cr，Ti，Ge扫描电镜测试结果

利用WYKO白光干涉仪相移模式测量沉积单层成核材料后的SiC表面，其表面粗糙度信息如表1所示。SiC基底上镀制三种不同成核材料后，与镀膜前相比，沉积Ti层后SiC表面粗糙度a由4.82nm下降到4.75nm；沉积Cr、Ge材料后a为材料表面粗糙度分别由镀膜前的5.02nm、4.96nm增大到5.81nm和5.18nm，增大数值分别为0.79nm和0.22nm。SiC表面分别沉积Cr、Ti和Ge三种成核材料后，q值分别为8.50nm、6.99nm和7.49nm，q-a的值分别为2.69nm、2.24nm和2.31nm。q数值大小提供表面粗糙度均一性信息，说明在SiC表面沉积10nm 不同成核层层后其表面尖状特性均一性Ti最优，其次是Ge，再次是Cr。t数值给出的是粗糙表面上最高点到最低点距离的单点信息。由表1可以看出，在RB-SiC表面沉积10nm Ti层后，其表面的最高点到最低点的距离变化量最小、其次是Ge。

表1 SiC表面沉积单层成核材料后的表面信息

Tab.1 The measured roughness values after single nucleation layer deposition on RB-SiC

通过对扫描电镜和白光干涉仪的检测数据分析可以看出，在RB-SiC表面沉积Ti成核层不会增大原有基底材料的表面粗糙度，对表面存在的孔洞有一定的填充效果。

2.2 金属Ag膜与成核膜层作用下的SiC表面

SiC材料作为反射镜基底[23]在空间光学系统中应用广泛，SiC基底反射镜加工到一定面形精度后，再在其表面镀制金属Ag或Al膜[24]，使其反射率满足光学系统的需要。为研究不同成核材料对反射镜杂散光特性影响，依次在RB-SiC基底上镀制了Cr+Ag、Ti+Ag和Ge+Ag三种反射镜，其中成核层Cr，Ti，Ge厚度为10nm，金属Ag膜厚度为100nm。每种反射镜镀制过程中，成核层镀制完成后连续镀制金属Ag。三种反射镜的扫描电镜测试结果如图3所示。其中图3 (a)，(b)，(c)分别为在抛光后的RB-SiC表面分别沉积10nm Cr、Ti、Ge及100nm的金属Ag后放大10 000倍后观察到的表面，（d）、（e）、（f）为放大30 000倍后观察到的单孔表面。

由图3（a）、（b）、（c）可以看出，在三种成核层表面分别镀制100nm金属Ag，RB-SiC表面的孔洞依然存在，图3（d）、（e）、（f）可以看出，孔洞内金属Ag在Cr成核层上生长表现为大的团簇，颗粒度较大，遵循V-W岛状生长模型；在Ti和Ge两种成核材料上面，金属Ag呈现较细腻的片状结构，兼具岛状和层状复合生长特点，遵循S-K复合生长模型[13]。成核材料Ti和Ge对金属Ag的生长的细化作用与已有研究结果相吻合[10]。由此可以看出，不同的成核材料会影响金属Ag的生长行为，通过选取合适的成核材料，可以降低金属Ag生长过程中团簇的大小，改善金属Ag在SiC表面沉积薄膜的表面粗糙度，降低由此引起的表面散射。

图3 RB-SiC表面分别沉积10nm Cr及100nm金属膜的扫描电镜测试结果

对沉积金属Ag后的反射镜样品同样用WYKO白光干涉仪进行测量，其表面粗糙度等信息如表2所示。在三种不同成核材料Cr、Ti和Ge上沉积100nm金属Ag，其表面粗糙度的数值增量Cr＞Ge＞Ti；镀膜前孔洞深度是一确定值，理想状态下，10nm成核层和100nm Ag在孔洞周围区域会均匀沉积，薄膜材料在孔洞内的沉积量决定了镀膜后孔洞的深度，从而孔洞内沉积材料量的多少影响t的数值大小。由表2可以看出RB-SiC表面沉积Ti成核层和金属Ag后，表面细化效果最好。

表2 SiC表面沉积单层成核材料及Ag后的表面信息

SiC反射镜对光学系统引入的杂散光与SiC表面对成像光谱范围内不同波长光的散射有关。为了使测试与SiC反射镜的实际应用环境一致，利用Lambda950分光光度计及积分球附件对三种不同成核层金属Ag反射镜样品在可见光范围的散射特性进行测试。首先利用分光光度计依次测量三种反射镜10°入射条件下的平均反射率，三种成核层金分别用Cr、Ti和Ge来表示；然后利用积分球附件依次测量三种反射镜10。入射条件下的平均反射率1，三种成核层金属分别用Cr1、Ti1和Ge1来表示。三种不同反射镜对成像光谱的散射数值用Δ来表示，通过Δ=1-可计算得到ΔCr、ΔTi、ΔGe，数据如图4所示。其中10nm（Cr）+100nm（Ag）结构用ΔCr表示；10nm（Ti）+100nm（Ag）结构用ΔTi表示；10nm（Ge）+100nm（Ag）结构用ΔGe表示。由图4可以看出，对于RB-SiC基底上Cr、Ti、Ge三种成核材料，Cr作为成核层材料的金属Ag反射镜在可见光范围的杂散光最大；Ti为成核层材料的Ag反射镜在400nm~650nm范围内的散射小于Ge作为成核层材料的Ag反射镜，650nm~780nm范围内两者杂散光数值相近。

图4 RB-SiC表面分别沉积10nm（Cr）+100nm（Ag）、10nm（Ti）+100nm（Ag）、10nm（Ge） +100nm（Ag）后表面杂散光测试数据

3 结束语

在RB-SiC表面沉积Cr、Ti、Ge三种成核材料，利用扫描电镜、白光干涉仪等检测手段对不同成核材料在RB-SiC表面孔洞中的生长形貌及表面粗糙度数据进行分析；进一步研究了RB-SiC基底沉积三种成核材料金属Ag反射镜的特性，结合分光光度计和积分球附件对反射镜的散射特性进行测试分析。研究结果表明，Cr、Ti、Ge三种成核材料在RB-SiC表面孔洞中的生长方式不同，由于材料晶格常数差异导致不同薄膜材料在生长过程中产生的表面弛豫强弱不同，导致薄膜生长模式差异，金属Ti具有更好的孔洞修补能力，并且沉积100nm金属Ag后对可见光谱的散射最小。

References)

[1] 黄巧林, 姜伟. 高分辨率航天光学遥感器发展新思路研究[J]. 航天返回与遥感, 2007, 28(4): 48-50. HUANG Qiaolin, JIANG Wei. A Study of the New Direction of Space -borne Hi-resolution Optical Remote Sensor[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2007, 28(4): 48-50. (in Chinese)

[2] 孙梦至, 王彤彤, 王延超, 等. 大口径反射镜高反膜研究进展[J]. 中国光学, 2016, 9(2): 203-212. SUN Mengzhi, WANG Tongtong, WANG Yanchao, et al. Research Development of High Reflecting Coating for Large-diameter Mirror[J]. Chinese Optics, 2016, 9(2): 203-212. (in Chinese)

[3] 刘韬. 国外静止轨道大口径反射成像技术发展综述[J]. 航天返回与遥感. 2016, 37(5): 1-9. LIU Tao. An Overview of Development of Foreign Large Aperture Reflection Imaging Technology on Geostationary Orbit[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2016, 37(5): 1-9. (in Chinese)

[4] LOGUT D, BREYSSE J, TOULEMONT Y, et al. Light Weight Monolithic Silicon Carbide Telescope for Space Application[J]. SPIE, 2005(5962): 59621Q.

[5] HADAWAY J B, ENG R, STAHL H P, et al. Cryogenic Performance of Light Weight SiC and C/SiC Mirrors[J]. SPIE, 2004(5487): 1018-1029.

[6] SEIN E, TOULEMONT Y, SAFA F, et al. A 3.5 Mdiameter SiC Telescope for Herschel mission[J]. SPIE, 2003(4850): 606-618.

[7] RODOLFO J P. Coating and Integration of SiC Mirrors for Space Telescopes[J]. SPIE, 2008(7018): 70180E.

[8] GOELA J S, PICKERING M A, TAYLOR R L. Chemical Vapor Deposited Silicon and Silicon Carbide Optical Substrates for Severe Environments[J]. SPIE, 1990(1330): 25-39.

[9] BRUSA G, MARTIN H M, MILLER S M, et al. Status of the Production of the Thin Shells for the Large Binocular Telescope AD Aptive Secondary Mirrors[J]. SPIE, 2007: 6691-66910U.

[10] BOCCAS M, VUCINA T, ARAYA C, et al. Coating the 8-m Gemini Telescopes with Protected Silver[J]. SPIE, 2004(5494): 239-253．

[11] TARENGHI M. First Large VLT Mirror Successfully Coated[EB/OL]. [2019-11-08] http://www.eso.org/public/images/eso9819a/

[12] PAQUIN R A, MAGIDA M B, VERNOLD C L. Large Optics from Silicon Carbide[J]. SPIE, 1991(1618): 53-60.

[13] ZHOU H, ZHANG C R, CAO Y B, et al. Light Weight C/SiC Mirrors for Space Application[J]. SPIE, 2006(6148): 61480L-1-6.

[14] GOELA J S, TAYLOR R L. Chemical Vapor Deposition for Silicon Cladding on Advanced Ceramics[J]. Journal of the American Ceramic Society, 1989, 72(9): 1747-1750.

[15] AOUCHER M, FARHI G, MOHAMMED B T. Crystallization of Hydrogenated Amorphous Silicon Deposited at High Rate by DC Magnetron Sputtering[J]. Journal of Non-Crystalline Solids, 1998, 227-230: 958-961.

[16] FORMICA N, GHOSH D S, CARRILERO A, et al. Ultrastable and Atomically Smooth Ultrathin Silver Films Grown on a Copper Seed Layer[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2013(5): 3048-3053.

[17] LOGEESWARAN V J, KOBAYASHI N P, ISLAM M S, et al. Ultrasmooth Silver Thin Films Deposited with a Germanium Nucleation Layer[J]. Nano Lett., 2009, 9(1): 178-182.

[18] MELPIGNANO P, CIOAREC C, CLERGEREAUX R,et al. E-beam Deposited Ultra-Smooth Silver Thin Film on Glass with Different Nucleation Layers: An Optimization Study for OLED Micro-cavity Application[J]. Organic Electronics, 2010(11): 1111-1119.

[19] 孙喜莲, 邵建达. 铬过渡层对银膜光学性质及附着力的影响[J]. 中国激光, 2006, 33(12): 1680-1683. SUN Xilian, SHAO Jianda. Effect of Cr Interlayer on the Optical Properties and Adhesion of Ag Films[J]. Chinese Journal of Lasers, 2006, 33(12): 1680-1683. (in Chinese)

[20] JUNCE Z, DAVID M F, MATTHEW G, et al. Phenomenological Model of the Growth of Ultrasmooth Silver Thin Films Deposited with a Germanium Nucleation Layer[J]. Langmuir: the ACS Journal of Surfaces and Colloids, 2015, 31(28): 7852-7859.

[21] SCHMIDT T, SPECKMANN M, FLEGE J I, et al. Mazes and Meso-islands: Impact of Ag Preadsorption on Ge Growth on Si(111)[J]. Physical Review B, 2016, 94(23): 235410-1-17.

[22] SMAGINA Z V, ZINOVYEV V A, RUDIN S A, et al, Nucleation Sites of Ge Nanoislands Grown on Pit-patterned Si Substrate Prepared by Electron-beam Lithography[J]. Journal of Applied Physics, 2018(123): 165302-1-5.

[23] 刘韬, 周一鸣, 江月松. 国外空间反射镜材料及应用分析[J]. 航天返回与遥感, 2013, 34(5): 90-99. LIU Tao, ZHOU Yiming, JIANG Yuesong. Research and Application of Foreign Space Mirror Materials[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2013, 34(5): 90-99. (in Chinese)

[24] TARENGHI M. The Giant Coating Plant for the ESO VLT[EB/OL]. [2019-10-12] http://www.eso.org/public/images/eso9711a/.

Characteristic of Silver Thin Films on RB-SiC Mirror with Different Nucleation Layers

HE Shikun1BAI Yunli1ZHOU Yuming1ZHANG Jiyou1,2HUANG Qiaolin1WANG Li1

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Key Laboratory of Advanced Optical Remote Sensing Technology of Beijing, Beijing 100094, China）

Lattice mismatch and the difference of interfacial free energy are the main causes for material to adopt different growth modes. Recent research results indicate that surface morphology of thin film can be dramatically smoothed with appropriate nucleation layers. Due to the material characteristics and preparation process limitations, there are certain hole defects on the surface of the formed SiC material and inside the blank. The surface roughness of the polished SiC substate is still large, especially the reactive sintered SiC one. The surface-coated metal film, as the replication of the topography, has a large scattering, which affects the image quality of the optical system. In this paper, Cr, Ti and Ge are selected as nucleation layer to investigate their smoothing effect to pitted reaction bonded SiC (RB-SiC) without SiC or Si cladding layer. Scanning electron microscope (SEM), white-light interferometer optical profiler and spectrophotometer with integrating sphere are used to image samples surface and measure light scattering, respectively. Surface morphology evolution and light scattering characteristic of silver films grown on different nucleation layers are also studied. The research results show that Ti can decrease the roughness of RB-SiC surface and has preferable smoothing effect for silver thin film comparing to that of Cr and Ge.

SiC; nucleation layer; Ag; growth mode; large-aperture reflector

O484

A

1009-8518(2019)06-0059-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2019.06.008

何世昆，男，1983年生，现在中国空间技术研究院飞行器设计专业攻读博士学位。研究方向为航天光学遥感技术。E-mail：258226162@qq.com。

2019-08-12

国家重大科技专项工程

何世昆, 白云立, 周于鸣, 等. 基于不同成核层的碳化硅基底反射镜特性研究[J]. 航天返回与遥感, 2019, 40(6): 59-66.

HE Shikun, BAI Yunli, ZHOU Yuming, et al. Characteristic of Silver Thin Films on RB-SiC Mirror with Different Nucleation Layers[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2019, 40(6): 59-66. (in Chinese)

（编辑：刘颖）