CN100468081C - 光学元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学元件,其包括一基板,具有第一表面及相对于第一表面的第二表面;该基板第一表面形成有第一组光学膜,其包括具有预定厚度的多个第一光学薄膜层;该基板的第二表面形成有第二组光学膜,其包括多个第二光学薄膜层,所述多个第二光学薄膜层的总体厚度与所述多个第一光学薄膜层的总体厚度相一致,以平衡所述基板两表面所承受薄膜层应力,所述多个第一光学薄膜层与多个第二光学薄膜层均构成光学元件光学特性的有效层。

Description

光学元件
【技术领域】
本发明是关于薄膜制程领域,特别涉及一种包含多层薄膜的光学元件。
【背景技术】
目前,薄膜制程技术广泛应用在半导体工业和光学元件上,由于利用薄膜制程技术所生产的产品具有很高的附加值,使薄膜制程技术与薄膜材料被广泛应用于研究和实务。光学薄膜技术主要是利用不同属性的介电质或金属膜,利用光干涉作用来改变光波传递特性,达成各种产品应用的特性与需求。
通常,光学元件镀膜制程包括镀膜、研磨、切割、清洗等步骤,由于多层膜彼此之间应力的存在,对其进行切割时容易导致翘曲、缺陷及孔隙产生,影响切割后制程,由此导致成品良率不高、稳定性差、可靠性低等缺点。因此,现有技术提供一种减小薄膜滤波片成品残余应力的切割方法,其包括以下步骤:先提供一辅助基底;在辅助基底表面涂覆一过渡层,该过渡层连接该辅助基底到工件的玻璃基底;从过渡层移除气泡,使玻璃基底、玻璃基底上的膜堆、过渡层及辅助基底保持平行;再固化过渡层;将膜堆、玻璃基底、过渡层及辅助基底的组合切割成片;然后从切片移除过渡层部分和辅助基底部分。然而,光学元件膜层总厚度通常相当厚,而玻璃基板厚度也越用越薄,从厚度1毫米到现今0.3毫米到未来0.175毫米甚至更小,使得镀膜过程中多层膜彼此间应力所导致问题,随着尺寸变小越趋严重,因而,即使采用上述切割方法,在基底增加一辅助基底,仍然难以防止工件切割时,其膜堆从玻璃基底剥落。
多层薄膜彼此之间的应力按薄膜应力造成基板弯曲形变方向来区分,可将应力分为张应力(Tensile Stress)与压应力(Compressive Stress)。张应力是当薄膜施力向外伸张,而基板向内压缩使薄膜表面下凹,在张应力作用下薄膜本身具有收缩的趋势,如果膜层的张应力超过薄膜的弹性限度,薄膜就会破裂、剥离基板而翘曲;压应力则相反,使膜表面外凸,在压应力作用下薄膜有向表面扩张的趋势,如果压应力到极限时,则会使薄膜向基板内侧卷曲,导致薄膜层起水泡。现有技术提供一种具有多层薄膜的掩模,该掩模包含一
形成在一基体上的多层薄膜,其中该多层薄膜包含多个周期,其中每一周期包含至少二层,一第一材料层及一第二材料层,其中每一层的厚度约为0.5nm至10nm,且其中每一周期各层中至少一层表现为压应力,及每一周期各层中至少一层表现为张应力,且其中多层薄膜的应力约为-50MPa至50MPa。然而,该掩模仅适合于可采用压应力及张应力材料组合的结构产品,并不能应用于为达到预定光学特性而采用特定材料构成的光学元件。
有鉴于此,有必要提供一种光学元件,使其所含多层薄膜的应力可消除,以避免该应力对基板及光学元件造成损伤。
【发明内容】
以下,将以实施例说明一种光学元件。
以及通过实施例说明一种光学元件的制造方法。
为实现上述内容,提供一种光学元件,其包括:一基板,具有第一表面及相对于第一表面的第二表面;所述基板第一表面形成有第一组光学膜,包括具有预定厚度的多个第一光学薄膜层;所述基板的第二表面形成有第二组光学膜,包括多个第二光学薄膜层,所述多个第二光学薄膜层的总体厚度与所述多个第一光学薄膜层的总体厚度相一致,所述多个第一光学薄膜层与多个第二光学薄膜层均构成光学元件光学特性的有效层。
所述多个第一光学薄膜层与多个第二光学薄膜层分别包括按预定顺序沉积形成的高折射率材料膜层和低折射率材料膜层。
所述高折射率材料膜层和低折射率材料膜层分别采用1/4波长的光学厚度。
所述高折射率材料选自五氧化二钽、氧化钛、氧化铌、硫化锌、硅、锗和碲化铅;而低折射率材料选自二氧化硅、氧化铝、氟化镁、氟化钍、冰晶石和氧化铪。
所述基板厚度范围为0.1毫米至0.5毫米。
与现有技术相比,本实施例提供的光学元件利用薄膜层厚度与其产生的应力成一定比例关系的原理,在基板相对两表面形成具有相同厚度的光学薄膜组,通过对光学薄膜组中多个光学薄膜的厚度的分配,来平衡基板两表面所承受的应力,即可消除光学元件中所有多层薄膜的整体应力,避免该应力对基板及光学元件造成损伤。
【附图说明】
图1是本技术方案实施例的光学元件结构示意图。
图2是本技术方案实施例的光学元件制造方法流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本技术方案作进一步详细说明。
请参阅图1,为本技术方案实施例提供的光学元件结构示意图。光学元件1包括一基板10;以及分别形成在基板10上下两表面的第一组光学膜20及第二组光学膜30。
其中,所述基板10具有第一表面11及相对于第一表面11的第二表面12;基板10可采用石英或光学玻璃材料。基板10厚度可选用0.1毫米至0.5毫米。
所述第一组光学膜20形成在基板10的第一表面11上,包括具有预定厚度或层数的多个第一光学薄膜层21。所述多个第一光学薄膜层21分别包括按预定顺序沉积形成的高折射率材料膜层(H)211和低折射率材料膜层(L)212;每层的光学厚度约为1/4波长,该波长视光学元件1的功能而定,如对于一窄带干涉滤光片,其波长对应为需过滤的窄带波段中心波长。而高折射率材料膜层211和低折射率材料膜层212的沉积顺序可按照光学元件1的光学特性要求来设定,常用的有交替沉积方式,使第一组光学膜20形成HLHLHL...结构形式;或者间隔性交替沉积方式,即在交替沉积过程中间或重复上一层的沉积,如使第一组光学膜20形成HLH(HH)LHL(LL)...结构形式,重复次序也需根据光学元件1的光学特性要求来确定。当然本技术方案并不限于上沉积顺序,不同光学特性要求的结构可采用不同的沉积顺序。
所述第二组光学膜30形成在基板10的第二表面12上,包括多个第二光学薄膜层31。所述多个第二光学薄膜层31具有与多个第一光学薄膜层21相对应的厚度或层数,以平衡所述基板两表面所承受薄膜层应力。所述多个第二光学薄膜层31所采用的材料与多个第一光学薄膜层21所采用的材料相同或相对应,可采用高折射率材料膜层(H)311和低折射率材料膜层(L)312,其所含膜层顺序应符合光学元件1的功能要求,从而使得第二组光学膜30与第一组光学膜20构成光学元件1光学特性的有效层。当第二组光学膜30与第一组光学膜20中各薄膜层厚度较为一致时,只需两组具有相应薄膜层数即可;显然,如果光学元件1含有奇数高/低折射率材料膜层或者其中一组光学膜中膜层偏厚,则两组光学膜可采用层数不等同的光学膜层,偏薄一组光学膜层数可具有相对较多的层数,使两组光学膜20、30总体厚度较为一致,主要目的在于能平衡基板10两表面11、12所承受第二组光学膜30与第一组光学膜20产生的应力即可,以使该应力对光学元件1产生的影响降到最小。如对于一光学薄膜总层数为38层的光学元件,包含19层厚度均匀的高折射率材料薄膜及19层厚度均匀的低折射率材料薄膜,按照本实施例的薄膜层分配方法,可在基板10第一表面11上按光学特性要求设置10层高折射率材料薄膜和9层低折射率材料薄膜,在基板10第二表面12按光学特性要求设置9层高折射率材料薄膜和10层低折射率材料薄膜,如此即能平衡基板10两表面11、12所承受的应力,使基板两面薄膜产生的应力对光学元件1产生的影响降到最小。
所述高折射率材料所选用的材料及其相应折射率为:五氧化二钽(2.2)、氧化铌(2.19)、硫化锌(2.27)、氧化钛(2.33)、硅(3.5)、锗(4.0)以及碲化铅(5.0)等;而低折射率材料所选用的材料及其相应折射率为:氟化镁(1.38)、氟化钍(1.47)、冰晶石(1.35)、二氧化硅(1.47)、氧化铝(1.63)、氧化铪(1.85)等。
本实施例提供的光学元件1利用薄膜层厚度与其产生的应力成一定比例关系的原理,在基板10相对两表面11、12形成具有对应厚度或层数的光学薄膜组20、30,通过对上述多个光学薄膜21、31的厚度或层数的合理分配,来平衡基板10两表面11、12所承受的应力,也即消除光学元件1中所有多层薄膜的整体应力,避免该应力对基板10及光学元件1产生损伤。
请参阅图2,是本技术方案提供的光学元件的制造方法流程图。其包括以下步骤:提供一镀膜源;将欲镀膜的基板置于与镀膜源相对的位置;在基板第一表面镀上预定厚度或层数的多个第一光学薄膜层,构成第一组光学膜;在基板相对于第一表面的第二表面镀上与所述多个第一光学薄膜层相对应厚度或层数的多个第二光学薄膜层膜,构成第二组光学膜。
步骤100:提供一镀膜源。该镀膜源可采用蒸镀源、溅镀源、靶材等,当需镀多层薄膜时,其通常包含多种材质薄膜,因而,镀膜源可相应包括多种镀膜源,则镀膜源可采用多个镀源或靶头。
步骤200:将欲镀膜的基板置于与镀膜源相对的位置,在基板第一表面镀上预定厚度或层数的多个第一光学薄膜层,构成第一组光学膜。光学元件通常采用离子镀膜法、射频磁控溅镀、真空蒸发法、化学气相沉积法在一基底上镀膜而成,基板厚度范围为0.1毫米至0.5毫米。本实施例采用离子镀膜法,基板厚度为0.3毫米。镀膜前,调整好基板相对于镀膜源的位置,并使基板第一表面相对于镀膜源。为提高制程效率,可对多个基板同时进行镀膜,此时可采用目前常用的伞具式或行星式结构的承载装置,并配有一监控镀膜厚度的监控装置,以提高镀膜膜厚控制精度。镀膜时,先在基板第一表面镀上预定厚度的光学薄膜层,包括高折射率材料膜层和低折射率材料膜层,分别采用1/4波长的光学厚度,并可采用交替沉积方式或间隔性交替沉积方式,具体采用哪种沉积方式根据光学元件功能需求来定,如其采用并非完全交替的高折射率材料膜层和低折射率材料膜层,则可采用间隔性交替沉积方式,从而在基板第一表面形成按预定顺序排列的多个第一光学薄膜层,构成第一组光学膜。
步骤300:在基板相对于第一表面的第二表面镀上与所述多个第一光学薄膜层相对应厚度或层数的多个第二光学薄膜层膜,构成第二组光学膜。经过步骤200,在基板第一表面镀上第一组光学膜后,将基板翻转,使基板第二表面相对于镀膜源;然后开始对基板第二表面上镀膜,采用与步骤200相对应膜层沉积方法,形成与步骤200所镀上的多个第一光学薄膜层相对应厚度或层数的多个第二光学薄膜层,即构成第二组光学膜,以平衡所述基板两表面所承受薄膜层应力。本实施例中基板第一表面及第二表面所镀的薄膜均为光学有效膜,即第一组光学膜与第二组光学膜共同实现光学元件的光学特性,但并不限于此种结构,也可在基板第一表面形成能实现光学元件的光学特性的第一组光学膜,而第二组光学膜可设计为光学特性无效层,仅起到平衡基板两表面所承受薄膜层应力的作用,此法所镀总膜层数相对较多,因而成本较高。
另外,本技术方案的光学元件的制造方法还可采用其它流程,如可轮流在基板第一表面及第二表面镀上相应预定厚度或层数的薄膜层,此种制程对设备要求较高,且操作相对较为繁杂,但可避免单面镀有较多层薄膜时即产生应力而对基板造成损伤。
本实施例提供的光学元件的制造方法仅需在基板两表面形成具有对应厚度或层数的光学薄膜组,即可平衡基板两表面所承受的应力,不必采用一面镀有效光学膜一面镀光学无效的厚度补偿膜的方法,因而具有制程简单,操作方便,制造成本低等优点。

Claims (6)

1.一种光学元件,其包括一基板,具有第一表面及相对于第一表面的第二表面;其特征在于:所述基板第一表面形成有第一组光学膜,其包括具有预定厚度的多个第一光学薄膜层;所述基板的第二表面形成有第二组光学膜,其包括多个第二光学薄膜层,所述多个第二光学薄膜层的总体厚度与所述多个第一光学薄膜层的总体厚度相一致,所述多个第一光学薄膜层与多个第二光学薄膜层均构成光学元件光学特性的有效层。
2.如权利要求1所述的光学元件,其特征在于:所述多个第一光学薄膜层与多个第二光学薄膜层分别包括按预定顺序沉积形成的高折射率材料膜层和低折射率材料膜层。
3.如权利要求2所述的光学元件,其特征在于:所述高折射率材料膜层和低折射率材料膜层采用1/4波长的光学厚度。
4.如权利要求2所述的光学元件,其特征在于:所述高折射率材料选自五氧化二钽、氧化钛、氧化铌、硫化锌、硅、锗和碲化铅。
5.如权利要求2所述的光学元件,其特征在于:所述低折射率材料选自二氧化硅、氧化铝、氟化镁、氟化钍、冰晶石和氧化铪。
6.如权利要求1至5任一项所述的光学元件,其特征在于:所述基板厚度范围为0.1毫米至0.5毫米。
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