CN102644052B - 一种配置紫外光照射清洁功能的真空镀膜机 - Google Patents
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Abstract
一种配置紫外光照射清洁功能的真空镀膜机，与常规真空镀膜机相比，除了热蒸发镀膜功能配置外，多装备了紫外光照射清洁模块；紫外光照射清洁模块主要由紫外光光源、冷却水循环系统和金属外套组成，紫外光照射清洁模块固定到支架上放置于真空镀膜室中，实现对光学元件的紫外光照射清洁功能。紫外光照射清洁模块的功能由真空镀膜机软件控制，也可以手动操作。本发明能快速清除真空镀膜机内放置的光学元件上的碳氢根污染物，有效提高所制备的光学薄膜元件的性能。本发明配置有紫外光照射清洁模块的真空镀膜机主要适用于深紫外/真空紫外波段光学元件镀膜。
Description
技术领域
本发明涉及一种真空镀膜机，具体来说是一种配置紫外光照射清洁功能的真空镀膜机。
背景技术
随着激光技术的不断发展，以准分子激光器、自由电子激光器以及全固态真空紫外激光器为代表的深紫外/真空紫外激光光源相继出现。这些深紫外/真空紫外激光光源在微电子器件制造、微机械加工、纳米材料处理和生物医学工程等领域都有着非常广阔的应用前景。深紫外/真空紫外激光光源的快速发展及其广泛应用对薄膜光学元件提出了迫切的需求。以半导体制造产业为例，性能优良的薄膜光学元件应该能承受1010-1011个能量密度高达50mJ/cm2的紫外波长(193nm、157nm等)激光脉冲照射后性能不产生明显改变。当前用于提高薄膜光学元件抗激光损伤性能和使用寿命的主要技术途径是减少吸收损耗和降低缺陷密度。研究表明，深紫外/真空紫外薄膜光学元件暴露于空气中时，易受水蒸气和碳氢根化合物等污染而导致光谱性能及其稳定性下降(B.-C.Li，D.-W.Lin，Y.-L.Han et al.，Anti-Reflective FluorideCoatings for Widely Tunable Deep-Ultraviolet Diode-Pumped Solid-State LaserApplications，CHIN.PHYS.LETT.，27，044201-1(2010))。为降低薄膜光学元件在深紫外/真空紫外波段的光学损耗，应消除碳氢根化合物对深紫外/真空紫外薄膜光学元件的污染。
通常用于深紫外/真空紫外光学元件清洁的主要步骤是：首先，超声波清洗光学元件，除去光学元件上的颗粒污染物和抛光粉残留物；其次，紫外照射清洗光学元件，除去光学元件上的碳氢污染物；最后在真空镀膜机内采用低能等离子体清洗光学元件(Micheal J.Cangeml，Jiangwei Feng et.al.，United States Patent，“Cleaning method for DUV optical elements to extendtheir lifetime”，Pub.No.：US2009/0035586A1，Pub.Date：Feb.5，2009.)。现有的技术虽然考虑到使用紫外照射清洁技术除去光学元件上的碳氢根污染物，但该清洁过程操作于被镀光学元件放置到镀膜机真空室内之前，被镀光学元件从放置于镀膜机真空室到开始镀膜，一般需经历抽真空、加温、等离子体清洗等过程。由于镀膜机真空室内不可避免存在碳氢根污染物，在镀膜开始前和整个镀膜过程中被镀光学元件还会受到碳氢根化合物的污染。尽管真空镀膜机内引入低能等离子体清洗光学元件能清除碳氢根污染物，但是低能等离子体参数的选取非常复杂，并且不能适用于所有的真空镀膜需求。以氟化钙基底为例，氟化钙在深紫外/真空紫外波段吸收损耗最低，使其成为该波段最常用的基底材料。然而不恰当的等离子体能量离子轰击会导致氟化钙基底表面失氟，形成色心，增加氟化钙基底的吸收损耗。因此，真空镀膜机内低能等离子体除去被镀光学元件表面吸附的碳氢根污染物的参数选取非常复杂。另外，低能等离子体清洗无法清洗镀膜过程中的碳氢根化合物污染。如果能将紫外清洁技术引入到镀膜机真空室内，必然将简化光学元件清洗过程，提高光学元件在镀膜前和镀膜过程中的洁净程度，从而提高镀膜后薄膜光学元件的光学性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种配置紫外光照射清洁功能的真空镀膜机，紫外照射清洁技术，能快速地消除放置在真空镀膜机内的被镀光学元件上的碳氢污染物。
本发明的技术解决方案是，一种配置紫外光照射清洁功能的真空镀膜机，除了与常规镀膜机一样配备真空模块、热蒸发模块、光学元件夹具模块、薄膜厚度/速度监控模块和温度控制模块外，还特别装配了紫外光照射清洁模块。其中，真空模块通过真空管道连接到真空镀膜室，实现真空环境镀膜；热蒸发模块位于真空镀膜室底部，实现薄膜材料的热蒸发；光学元件夹具模块和薄膜厚度/速度监控模块位于真空镀膜室顶部，分别实现光学元件夹持和真空镀膜时薄膜工艺参数控制；温度控制模块在真空镀膜室内，实现薄膜制备过程中真空镀膜室温度监控。
紫外光照射清洁模块，位于真空镀膜室中，紫外光照射清洁模块由紫外光光源、冷却水循环系统和金属外套组成。紫外光光源旁置冷却水循环系统，并有金属外套将两者封装，最后固定到支架上。紫外光照射清洁模块工作时通过冷却水循环系统对紫外光光源进行冷却降温；紫外光照射清洁模块通过紫外光照射分解紫外光光源周围的氧分子产生氧原子，氧原子与放置在光学元件夹具模块上的，被镀光学元件上的碳氢污染物发生光敏氧化反应，实现对被镀光学元件的清洁目的；同时紫外光与被镀光学元件内部和/或薄膜层内的杂质相互作用，实现对被镀光学元件内部和/或膜层的性能优化。紫外光照射清洁模块的功能由真空镀膜机的软件系统控制，也可以手动操作。
所述的紫外光光源为工作波长低于300nm的紫外灯、准分子紫外灯，或者紫外激光器；
所述的支架在真空镀膜室内位置固定或者可调，同时紫外光照射清洁模块与被镀光学元件之间的距离可调。
本发明的原理是：紫外光照射清洁技术是一种通过紫外光照射光学元件，分解吸附在光学元件上的碳氢根污染物，降低光学元件的光学损耗，并改善光学元件其他光学性能的有效技术途径。该技术是通过光敏氧化过程除去吸附在光学元件上的碳氢污染物。当吸附在光学元件上的碳氢污染物分子吸收由工作波长低于300nm的紫外灯、准分子紫外灯，或者紫外激光器发出的紫外光时，污染物分子将会被激发或解离。与此同时，紫外灯周围的氧分子受到由工作波长低于300nm的紫外灯、准分子紫外灯，或者紫外激光器发出的紫外光激发，将按方程(1)的方向生成氧原子。最后，被激发或解离的碳氢根污染物分子将与氧原子反应生成形式简单、易挥发的分子，如一氧化碳、二氧化碳和水汽等。从而达到清洁光学元件，降低光学元件损耗的目的。
在光学元件内部，基底和/或膜层内的杂质和/或缺陷也会使光学元件的吸收损耗增加，光学性能下降。当采用紫外光照射时，紫外光与光学元件内部或膜层内的杂质和/或缺陷相互作用，能有效降低基底和/或膜层内的杂质和/或缺陷密度，使光学元件内部的吸收损耗降低，光学元件的性能提高。
为提高真空镀膜室内的紫外清洁效率，紫外光照射清洁模块与被镀光学元件的距离，通过用于支撑紫外光照射清洁模块的支架来调节。并且为避免高温环境影响紫外光照射清洁模块中紫外光光源的使用寿命，紫外光照射清洁模块内配置有冷却水循环系统，与真空镀膜机的冷却水循环系统相连。紫外光照射清洁模块功能则可由真空镀膜机的软件控制，或手动操作。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明具有紫外照射清洁功能。不仅可以用于真空镀膜前和镀膜过程中，而且适用于真空镀膜后光学元件的处理。
(2)配置紫外照射清洁功能的真空镀膜机，可以优化光学薄膜元件的制备工艺。
(3)本发明可以广泛用于各种真空镀膜机。配置紫外光照射清洁功能的真空镀膜机，特别适用于深紫外/真空紫外波段光学元件的镀膜。
附图说明
图1为本发明的示意图；
图2为本发明中紫外照射清洁模块示意图；
图3为本发明中配备位置可调的支架时，支架折叠的机械结构示意图；
图4为本发明中配备位置可调的支架时，支架撑开的机械结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例包括：真空模块1、热蒸发模块2、光学元件夹具模块3、薄膜厚度/速度监控模块4和温度控制模块5，以及特别配备的紫外光照射清洁模块6。其中，真空模块1通过真空管道连接到真空镀膜室7，实现真空环境镀膜；热蒸发模块2位于真空镀膜室7底部，实现薄膜材料的热蒸发；光学元件夹具模块3和薄膜厚度/速度监控模块4位于真空镀膜室7顶部，分别实现光学元件夹持和真空镀膜时薄膜工艺参数控制；温度模块5在真空镀膜室7内，实现薄膜制备过程中真空镀膜室7温度监控；
紫外光照射清洁模块6，位于真空镀膜室7内。其特征在于：紫外光照射清洁模块6由紫外光光源6-1、冷却水循环系统6-2和金属外套6-3组成。紫外光光源6-1旁置冷却水循环系统6-2，并有金属外套6-3将两者封装，最后固定到支架8上，如图2所示。
紫外光光源6-1是工作波长低于300nm的紫外灯，准分子紫外灯，或者紫外激光器；为避免高温真空镀膜环境下，紫外光光源6-1使用寿命缩短。紫外光照射清洁模块6工作时通过冷却水循环系统6-2对紫外光光源6-1进行冷却降温；紫外光照射清洁模块6通过紫外光照射分解紫外光光源6-1周围的氧分子产生氧原子，氧原子与放置在光学元件夹具模块3上的，被镀光学元件9上的碳氢污染物发生光敏氧化反应，实现对被镀光学元件9的清洁目的；同时紫外光与被镀光学元件9内部和/或薄膜层内的杂质相互作用，实现对被镀光学元件9内部和/或膜层的性能优化。
用于支撑紫外光照射清洁模块6的支架8在真空镀膜室内的位置可调，也可以固定放置。对于位置可调的支架8，通过将支架8的一端用一轴销8-1连接到真空镀膜室7的内壁10上，支架8的其他部位通过另一轴销8-2连接到其传动装置8-3上，由传动装置8-3的推杆8-4伸缩实现支架8在真空镀膜机内位置调节。从而确定紫外光照射清洁模块6在真空镀膜室内的位置。支架8撑开时，实现紫外光照射清洁模块6与被镀光学元件9间相对位置调节功能，为紫外光照射清洁做准备；支架8折叠后，此时紫外光照射清洁模块6收起不用。本发明中，配备位置可调的支架时，支架7折叠和撑开时的机械结构示意图，分别如图3和图4所示。对于位置固定的支架8，只需要调节好紫外光照射清洁模块6与被镀光学元件9间相对位置，将支架8固定到真空镀膜室7内即可。由于机械装调的多样性，对于位置可调的或者固定放置的支架8的其他机械结构实现方法，也同样属于本专利的保护范围。
使用配置有紫外照射清洁模块6的真空镀膜机时，首先对被镀光学元件9进行预清洁处理。若被镀光学元件9表面仅附着有尘埃等易清除的污染物，则采用高纯氮气枪喷洗被镀光学元件9；若被镀光学元件9仍有其它的污染物，则用酒精冲洗被镀光学元件9，并用酒精浸泡过的棉花团清洗被镀光学元件9，最后用高纯氮气吹干。接着，将预清洁处理后的被镀光学元件9放入真空镀膜室7内的光学元件夹具模块3上，关闭真空镀膜室7的门，并开启抽真空模块1，实现真空镀膜室7内真空环境，根据需要通过温度模块5，控制真空镀膜室7的温度。最后，紫外光照射清洁模块6的功能实现由真空镀膜机的软件控制，也可以手动操作。
紫外照射清洁模块6使用时，若真空镀膜机配置的是位置固定的支架8，只需要按照设定的紫外照射清洁模块6工作时间参数，开启紫外照射清洁模块6；清洁工作完成后，关闭紫外照射清洁模块6。若真空镀膜机配置的是位置可调的支架8，则需要撑开支架8，按照设定的紫外照射清洁模块6工作时间，开启紫外照射清洁模块6；清洁工作完成后，依次关闭紫外照射清洁模块6，折叠收起支架8。
本发明基于紫外光照射清洁技术，能快速地消除放置在真空镀膜机内的被镀光学元件上的碳氢污染物和优化光学薄膜性能，可以广泛用于各种镀膜机，诸如磁控溅射真空镀膜机、离子束溅射真空镀膜机、原子层沉积真空镀膜机和化学气相沉积镀膜机等，配备有紫外清洁模块6的上述镀膜机均属于本专利保护范围。配置有紫外光照射清洁模块的真空镀膜机特别适用于深紫外/真空紫外波段光学元件镀膜。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
Claims (1)
1.一种配置紫外光照射清洁功能的真空镀膜机，其特征在于包括：真空模块（1）、热蒸发模块（2）、光学元件夹具模块（3）、薄膜厚度/速度监控模块（4）、温度控制模块（5）和紫外光照射清洁模块（6）；真空模块（1）通过真空管道连接到真空镀膜室（7），实现真空环境镀膜；热蒸发模块（2）位于真空镀膜室（7）底部，实现薄膜材料的热蒸发；光学元件夹具模块（3）和薄膜厚度/速度监控模块（4）位于真空镀膜室（7）顶部，分别实现光学元件夹持和真空镀膜时薄膜工艺参数控制；温度控制模块（5）在真空镀膜室（7）内，实现薄膜制备过程中真空镀膜室（7）温度监控；所述紫外光照射清洁模块（6），位于真空镀膜室（7）中，紫外光照射清洁模块（6）由紫外光光源（6-1）、冷却水循环系统（6-2）和金属外套（6-3）组成；紫外光光源（6-1）旁置冷却水循环系统（6-2），并有金属外套（6-3）将两者封装，最后固定到支架（8）上；紫外光照射清洁模块（6）工作时通过冷却水循环系统（6-2）对紫外光光源（6-1）进行冷却降温；紫外光照射清洁模块（6）通过紫外光照射分解紫外光光源（6-1）周围的氧分子产生氧原子，氧原子与放置在光学元件夹具模块（3）上的被镀光学元件（9）上的碳氢污染物发生光敏氧化反应，实现对被镀光学元件（9）的清洁目的；同时紫外光与被镀光学元件（9）内部和/或薄膜层内的杂质相互作用，实现对被镀光学元件（9）内部和/或膜层的性能优化；紫外光照射清洁模块（6）的功能由真空镀膜机的软件系统控制，也可以手动操作；
所述紫外光光源（6-1）为工作波长低于300nm的紫外灯、准分子紫外灯，或者紫外激光器；
所述支架（8）在真空镀膜室（7）内位置固定或者可调，同时紫外光照射清洁模块（6）与被镀光学元件（9）之间的距离可调。
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