CN101359061A - 一种光学镀膜方法以及使用该方法的光学镀膜机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学制造和光电元器件生产设备技术领域，具体涉及一种光学镀膜方法以及使用该方法的光学镀膜机。本发明要解决现有技术存在的无法满足各种光学薄膜和光电功能多层薄膜以及光电微系统制备的需求，且设备投入成本高的问题。为解决现有技术存在的问题，所提供的技术方案是，一种光学镀膜方法，是将真空阴极电弧镀膜技术、磁控溅射镀膜技术和热蒸发镀膜技术根据薄膜种类进行组合使用，使用中被镀件始终保持在真空状态下，实时进行蒸发源的快速转换。同时提供一种光学镀膜机，包括真空镀膜室，温度控制系统，膜厚控制系统，气体流量提供、控制系统和薄膜蒸发系统，所述薄膜蒸发系统包括阴极真空电弧发生装置、磁控溅射装置和热蒸发装置。

Description

一种光学镀膜方法以及使用该方法的光学镀膜机

技术领域

本发明涉及光学制造和光电元器件生产设备技术领域，具体涉及一种光学镀膜方法以及使用该方法的光学镀膜机。

背景技术

目前，光电子技术已经被应用到人们生活中的各个领域，如照相、光显示、红外夜视、各种光电元器件、航天、航空等领域。对光学薄膜的需求体现在高损伤阈值的激光薄膜、多波段的光学薄膜和保护薄膜这些品种上，特别体现在对光学指标要求较高的高精度膜系和光电功能薄膜这些品种上。波长上反映出宽波段，从紫外、可见、近红外到中红外区域(200nm-12000nm)，主要类型有减反膜、高反膜、分光膜、偏振片、各种窄带和截止滤光片等。对于那些暴露在外面的窗口及透镜等，技术要求很高，不仅要求有良好的光学性能，如工作波段的透射比高，均匀性好；还要有良好的机械性能和化学性能，如高硬度、耐摩擦、耐热冲击、化学性能稳定等。

目前，国内外生产的光学镀膜设备都是只能提供单项沉积技术的设备，其中主要以(电子束、热电阻)热蒸发方式的设备为主，也有少量的用于单一薄膜制造技术的磁控溅射、离子束溅射、真空阴极电弧和PECVD等技术的镀膜设备。其中的真空阴极电弧发射装置，用于制备金属和金属化合物薄膜沉积；磁控溅射装置，用于金属、化合物和介质薄膜沉积；热蒸发装置，用于金属和介质薄膜沉积。在使用中，这些设备通常会结合辅助沉积离子源装置作辅助蒸发，以提高产品性能。目前现有技术存在的问题是：1、无法满足各种光学薄膜和光电功能多层薄膜以及光电微系统制备的需求：在需要提供高性能薄膜时，只能是利用不同的设备对被镀件进行多次加工，薄膜器件制造过程中需要在不同设备之间转移，转移过程中因受到外界对薄膜表面的污染，存在着薄膜界面之间附着力下降乃至脱膜的问题，由于这种现象的发生，严重地影响到薄膜的质量，一些特殊的薄膜甚至无法制备；2、设备投入成本高：由于一机一用，为了能提供多种功能的薄膜，必然要增加企业的设备投资；同时因为需要在多台设备之间转移被镀件，工序复杂，耗时增加的同时薄膜器件的成品率下降，导致运行成本增加。

发明内容

本发明要提供一种光学镀膜方法以及使用该方法的光学镀膜机，以解决现有技术存在的无法满足各种光学薄膜和光电功能多层薄膜以及光电微系统制备的需求，且设备投入成本高的问题。

为解决现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案是，一种光学镀膜方法，是将真空阴极电弧镀膜技术、磁控溅射镀膜技术和热蒸发镀膜技术根据薄膜种类进行组合使用，使用中被镀件始终保持在真空状态下，实时进行蒸发源的快速转换。

一种光学镀膜机，包括真空镀膜室，温度控制系统，膜厚控制系统，气体流量提供、控制系统和薄膜蒸发系统，其特征在于：所述薄膜蒸发系统包括阴极真空电弧发生装置、磁控溅射装置和热蒸发装置。

上述薄膜蒸发系统还包括辅助沉积离子源装置。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、可以满足各种光学薄膜和光电功能多层薄膜以及光电微系统制备需求：所有的功能加工可以在一台设备内完成，有效地避免了采用不同方法制造薄膜器件时，薄膜界面之间由外界污染造成的影响，有效避免了以往不同技术沉积光学薄膜时的薄膜界面之间附着力下降乃至脱膜的问题，而且由于一直处于真空状态，前后两种材料之间衔接紧密，产品的品质和合格率得到有效提升。

2、功能全面：本设备拥有三种蒸发装置，在启动单一设备时，可提供具有单一功能的薄膜；根据不同薄膜特性要求选择不同的沉积方式将三种蒸发装置合理组合使用，就可以满足各种光学薄膜和光电功能多层薄膜以及光电微系统制备需求。

3、减少了设备投资成本：一机多用，设备利用率得到大幅提高，有效减少了企业的设备投入，降低生产成本。

4、大幅提高生产效率：由于减少了设备交替使用的过程，整个镀膜时间可减少40％左右，在镀制优质光学薄膜的同时，可以提高生产效率。

附图说明：

图1是本发明提供的光学镀膜机的结构示意图。

图2是红外减反射光学薄膜的微观结构示意图。

图3是Ge基底上镀制3微米～5微米红外减反射光学薄膜元件的实测光谱曲线。

图4是光学玻璃基底上镀制含有AlN薄膜的滤光片微观结构示意图。

附图标记说明如下：

1-真空镀膜室，2-温度控制系统，3-膜厚控制系统，4-阴极真空电弧发生装置，5-磁控溅射装置，6-热蒸发装置，7-辅助沉积离子源装置。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做详细说明。

一种光学镀膜方法，是将阴极真空电弧镀膜技术、磁控溅射镀膜技术和热蒸发镀膜技术根据薄膜种类进行组合使用，使用中被镀件始终保持在真空状态下，实时进行蒸发源的快速转换。

组合使用时，参数仍使用单独使用时的公知参数。

参见图1。一种光学镀膜机，包括真空镀膜室1，温度控制系统2，膜厚控制系统3，气体流量提供、控制系统和薄膜蒸发系统。所说的薄膜蒸发系统包括阴极真空电弧发射装置4，磁控溅射装置5，热蒸发装置6和辅助沉积离子源装置7。

使用实例1：3微米～5微米红外减反射光学薄膜制备。

参见图2，其中n_H＝2.4，薄膜材料为ZnSe；n_L＝1.42，薄膜材料为YF₅；在Ge基底上，采用热蒸发装置6按照设计好的膜系厚度交替镀制YF₅和ZnSe，最后采用阴极真空电弧发射装置4沉积最外层的DLC薄膜。

单纯采用热蒸发技术无法镀制最外层的DLC薄膜，没有DLC薄膜的红外光学薄膜，耐恶劣环境能力差，易脱膜；分别采用热蒸发镀膜机和阴极真空电弧镀膜机进行镀制时，由于需要在采用热蒸发技术沉积常规红外光学薄膜后，经过大气状态，到阴极真空电弧镀膜机中镀制DLC薄膜。在大气状态下，经过热蒸发镀膜的红外光学薄膜最外层材料易吸潮，直接影响到DLC薄膜的附着力，产品品质难以保障。而采用本发明，在采用热蒸发装置6后直接转换使用阴极真空电弧发射装置4进行薄膜沉积，镀膜材料结合紧密。此外，真空镀膜是在真空状态下进行下作，从工件的装入到工件的取出，其半数以上的时间用于工作真空的获得、镀前清洗、镀后冷却和恢复到大气态(以便取出工件)。例如：镀制图2所示的红外光学薄膜，采用常规技术时，需要两台不同的光学镀膜机。一台是热蒸发镀膜机，用来镀制底层的多层介质薄膜。另一台是阴极真空电弧镀膜机，用来镀制DLC薄膜。采用热蒸发镀膜机进行镀膜的工艺流程为：“扩散泵预热→清洗工件→工件放入真空室→抽低真空→抽高真空→工件加热→离子束清洗工件→热蒸发镀膜→镀后处理→冷却→充气→取出工件”；采用阴极真空电弧镀膜机镀制DLC薄膜的工艺流程为：“扩散泵预热→清洗工件→工件放入真空室→抽低真空→抽高真空→工件加热→镀前工艺处理→脉冲电弧镀膜→镀后处理→冷却→充气→取出工件”；采用本发明方法镀制图3所示的红外光学薄膜的工艺流程为：“扩散泵预热→清洗工件→工件放入真空室→抽低真空→抽高真空→工件加热→离子束清洗工件→热蒸发镀膜→阴极真空电弧镀膜→镀后处理→冷却→充气→取出工件”；可以看出，采用本发明方法，在镀制生产过程中，减少了一套真空获得及控制系统、一套加热及控制装置、一套工件旋转及控制系统，同时减少了生产过程时间，每次节约时间至少为70分钟(以直径为800mm的镀膜机为例，采用传统方法镀制需要时间约为140分钟+120分钟，采用本发明方法约为160分钟)。

参见图3，图3为在红外光学元件上采用不同方法双面镀制红外减反射薄膜后的实测光谱曲线，其中蓝色曲线为采用“热蒸发技术”(称其为方法1，下同)技术镀制，黑色曲线为“热蒸发技术+阴极真空电弧镀技术”(此为新方法1，下同)镀制。采用方法1镀制的介质薄膜峰值透过率为99.9％，平均透过率大于95％；采用新方法1镀制的介质薄膜+DLC薄膜，峰值透过率为97.7％，平均透过率为95％。单纯采用阴极真空电弧镀技术，由于薄膜应力太大，无法获得所需厚度的薄膜。下表是两种方法沉积红外光学薄膜的抗恶劣环境试验结果一览。

由上述试验结果可以看出，本发明采用的方法在保证薄膜光学性能基本不变的前提下，其抗恶劣环境能力大幅度提高。

当采用新方法1，用两台设备分别进行薄膜镀制时，在放入第二台开始镀膜前的“镀前工艺处理”工序是关键工序之一，处理不当时经常发生脱膜现象，直接影响到产品的合格率。采用本发明的装置进行镀制时，由于省略了被镀件从“真空→大气→真空”状态的两次转换，可以省略“镀前工艺处理”这一工序，同时还可以保证不发生脱膜现象。

使用实例2：可见区宽波段高强度减反射薄膜的镀制。

参见图4，其中n_H＝2.1，薄膜材料为AlN；n_L＝1.45，薄膜材料为SiO₂；在光学玻璃基底上，按照设计好的膜系厚度，采用热蒸发装置6镀制SiO₂，采用磁控溅射装置5沉积AlN薄膜。

氮化铝(AlN)薄膜具有很多突出的物理化学性质，如高折射率、高光学透射比、化学稳定性好等特点，同时还具有良好的耐磨损和耐腐蚀性能，及很高的硬度，是一种很好的光学保护薄膜。采用本设备沉积时，可以获得单纯采用热蒸发技术无法获得的性能优良的AlN薄膜。在镀膜的过程中，使用辅助沉积离子源装置7增强镀膜效果。

Claims (3)

1、一种光学镀膜方法，是将真空阴极电弧镀膜技术、磁控溅射镀膜技术和热蒸发镀膜技术根据薄膜种类进行组合使用，使用中被镀件始终保持在真空状态下，实时进行蒸发源的快速转换。

2、使用权利要求1所述方法的光学镀膜机，包括真空镀膜室(1)，温度控制系统(2)，膜厚控制系统(3)，气体流量提供、控制系统和薄膜蒸发系统，其特征在于：所述薄膜蒸发系统包括阴极真空电弧发生装置(4)、磁控溅射装置(5)和热蒸发装置(6)。

3、如权利要求2所述的光学镀膜机，其特征在于：所述薄膜蒸发系统还包括辅助沉积离子源装置(7)。

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