CN102776484A - 一种用于镀膜行星系统中控制平面光学元件膜厚分布的挡板设计方法 - Google Patents

Abstract

一种用于镀膜行星系统中控制平面光学元件膜厚分布的挡板设计方法，真空镀膜过程中，膜料以蒸发或溅射方式在真空环境中传输，并在平面光学元件表面上形成厚度非均匀分布的薄膜。分别建立了能真实反映未使用挡板和使用挡板修正时真空镀膜机行星系统中沉积到平面光学元件上的薄膜厚度分布模型。根据未使用挡板时的薄膜厚度分布模型确定真空镀膜过程中薄膜材料的蒸发或溅射特性，在此基础上运用存在挡板修正时的薄膜厚度分布模型理论模拟真空镀膜机行星系统中平面光学元件上的薄膜厚度分布。通过计算机优化挡板设计直至真空镀膜机行星系统中挡板修正后平面光学元件上薄膜厚度分布达到设计需求，获得最优的挡板设计。本发明能实现平面光学元件上薄膜厚度分布的精确控制。

Description

一种用于镀膜行星系统中控制平面光学元件膜厚分布的挡板设计方法

技术领域

本发明涉及光学薄膜元件制备领域，尤其是一种用于镀膜行星系统中控制平面光学元件膜厚分布的挡板设计方法。

背景技术

随着科学技术的发展，光学系统设计日益精密。为满足光学系统的性能指标，光学系统中使用的平面光学元件不仅数量越来越多，而且尺寸愈来愈大。通常需要在平面光学元件表面镀制具有特殊设计的薄膜，提高平面光学元件的性能以满足光学系统的性能需求。当前用于在平面光学元件上制备薄膜的技术主要可分为物理气相沉积（PVD）技术和化学气相沉积（CVD）技术。而物理气相沉积技术是一种在真空条件下，通过蒸发或溅射薄膜材料，并在平面光学元件表面沉积形成薄膜的工艺过程。一般在不采取薄膜厚度分布控制技术的情况下，膜料沉积在平面光学元件表面上形成的薄膜厚度具有非均匀分布。这种非均匀的薄膜厚度分布导致平面光学薄膜元件无法满足光学系统的性能需求。因此，为制备高性能的平面光学薄膜元件，必须严格控制平面光学元件上薄膜的厚度分布，实现特定的光学性能。

传统的平面光学元件上未使用挡板时的薄膜厚度分布模型是基于Knudsen法则，主要考虑了蒸发或溅射源特性和真空镀膜机配置对薄膜厚度分布的影响，运用蒸发或溅射源与平面光学元件间的几何关系计算光学元件上薄膜厚度分布。直到1999年，Villa等人提出用坐标形式刻画平面光学元件上未使用挡板时的薄膜厚度分布模型，结合矢量运算，使得薄膜厚度分布理论计算更加直观、简便（F.Villa,and O.Pompa,"Emission pattern of a real vaporsources in high vacuum:an overview,"Appl.Opt.38,695-703(1999)）。但是上述模型均没有考虑蒸发或溅射薄膜材料在平面光学元件表面上的沉积角对平面光学元件薄膜厚度分布的影响。尤其是薄膜材料沉积角大于90°时，该模型无法真实地描述平面光学元件上的薄膜厚度分布。

目前，控制真空镀膜机行星系统中平面光学元件上薄膜厚度分布主要采用位置固定或者运动的挡板控制薄膜厚度技术（J.B.Oliver,P.Kupinski,A.L.Rigatti,A.W.Schmid,J.C.Lambropoulos,S.Papernov,and A.Kozlov,"Large-aperture plasma-assisted deposition of inertial confinement fusion lasercoatings,"Appl.Opt.50,C19-C26(2011)）。尽管单轴陀螺旋转系统（F.L.Wang,R.Crocker,and R.Faber,"Large-area Uniformity in Evaporation Coating through aNew Form of Substrate Motion,"OSA,(2010)）和适用于离子束溅射镀膜工艺的双驱动行星旋转系统（M.Gross,S.Dligatctch,and A.Chtanov,"optimization ofcoating uniformity in an ion beam sputtering system using a modified planetaryrotation method,"Appl.Opt.50,C316-C320(2011)）在不使用挡板的情况下都可能实现大尺寸平面光学元件上的薄膜厚度分布控制，但是当采用单轴陀螺旋转系统制备光学薄膜元件时，就必须考虑由平面光学元件大的摆动所引起的膜料沉积角增大对制备的光学薄膜性能的影响，以及平面光学元件夹具设计等问题；而双驱动行星旋转系统仅在蒸发或溅射源尺寸足够大时，才有可能不需要挡板控制薄膜厚度分布。

就真空镀膜机行星系统而言，由于行星公转/自转可以灵活调节，平面光学元件上任意点的位置随机性非常高，使得平面光学元件上任意点与蒸发或溅射源表面上任意点的连线在挡板放置平面上的投影轨迹非常复杂，进而导致挡板设计很难有解析解。传统的用于真空镀膜机行星系统中控制平面光学元件上薄膜厚度分布的挡板设计方法是依靠镀膜经验通过大量的工艺实验反复优化挡板设计来满足特定的薄膜厚度分布，这种设计挡板的过程非常长，一般至少需要数次甚至十几次工艺实验。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有未使用挡板时的薄膜厚度分布模型以及控制真空镀膜机行星系统中平面光学元件上薄膜膜厚分布的挡板设计方法的不足，分别建立了能真实反映未使用挡板和使用挡板修正时真空镀膜机行星系统中沉积到平面光学元件上的薄膜厚度分布模型，并提供一种用于镀膜行星系统中控制平面光学元件膜厚分布的挡板设计方法，能实现平面光学元件上薄膜厚度分布的精确控制。

本发明技术解决方案的原理：挡板控制薄膜厚度分布技术是一种在真空镀膜过程中利用挡板选择性地遮挡被蒸发或溅射的薄膜材料，使得真空镀膜机行星系统中平面光学元件上薄膜厚度具有均匀分布的方法。在真空镀膜过程中，被蒸发或溅射的薄膜材料在真空环境中传输，并在平面光学元件表面上形成厚度非均匀分布的薄膜。分别建立了能真实反映未使用挡板时和使用挡板修正时真空镀膜机行星系统中沉积到平面光学元件上的薄膜厚度分布模型。根据未使用挡板时的薄膜厚度分布模型确定真空镀膜过程中薄膜材料的蒸发或溅射特性参量j，在此基础上运用存在挡板修正时的薄膜厚度分布模型理论模拟真空镀膜机行星系统中平面光学元件上的薄膜厚度分布

通过计算机优化挡板设计直至真空镀膜机行星系统中挡板修正后平面光学元件上薄膜厚度分布达到设计需求，获得最优的挡板设计。

所述的存在挡板修正时的薄膜厚度分布模型为：

$d^{\′}\left(\stackrel{\→}{r_1}\right)=\underset{F(x,y)}{\∫\∫}\frac{u(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{r_1})w^j(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{r_1})B(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{r_1})M(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{r_1})A(x,y)}{{|\stackrel{\→}{r}-\stackrel{\→}{r_1}|}^{j+3}}\mathrm{dxdy}---\left(1\right)$

式中，矢量

为蒸发或溅射源-平面光学元件-挡板组合系统中坐标原点和蒸发或溅射源上(x,y,z)坐标点的连线；矢量

为坐标原点和平面光学元件上(x₁,y₁,z₁)坐标点的连线；蒸发或溅射源和平面光学元件的表面函数分别为S(x,y,z)＝0和P(x₁,y₁,z₁)＝0；

和

分别为蒸发或溅射源上(x,y,z)坐标点和平面光学元件上(x₁,y₁,z₁)坐标点的单位法向量；和

分别为蒸发或溅射源函数和平面光学元件函数；A(x,y)为蒸发或溅射源的面函数，由蒸发或溅射源的表面函数S(x,y,z)＝0可知，z可以由参量x和y表示。定义：

F(x,y)为蒸发或溅射源表面函数S(x,y,z)＝0在x-y平面上的投影；

为蒸发或溅射源上(x,y,z)坐标点和平面光学元件上(x₁,y₁,z₁)坐标点的距离；j为蒸发或溅射源特性参量；

为被蒸发或溅射膜料的沉积角校正函数，定义为：

为挡板遮挡函数，定义为：当蒸发或溅射源上(x,y,z)坐标点和平面光学元件上(x₁,y₁,z₁)坐标点的连线在挡板放置平面上的投影轨迹和挡板的轨迹相交时，挡板遮挡函数

取0；当蒸发或溅射源上(x,y,z)坐标点和平面光学元件上(x₁,y₁,z₁)坐标点的连线在挡板放置平面上的投影轨迹和挡板的轨迹不相交时，挡板遮挡函数

取1。

所述的确定真空镀膜过程中薄膜材料的蒸发或溅射特性j的方法为：在未使用挡板时，通过实验测量真空镀膜机行星系统中平面光学元件上非均匀薄膜厚度分布，并由未使用挡板时的薄膜厚度分布理论模型拟合确定真实的薄膜材料蒸发或溅射特性j；

所述的未使用挡板时的薄膜厚度理论模型为：

$d^{\′}\left(\stackrel{\→}{r_1}\right)=\underset{F(x,y)}{\∫\∫}\frac{u(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{r_1})w^j(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{r_1})B(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{r_1})M(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{r_1})A(x,y)}{{|\stackrel{\→}{r}-\stackrel{\→}{r_1}|}^{j+3}}\mathrm{dxdy}---\left(3\right)$

所述的计算机优化挡板设计主要通过模拟退火算法、蒙特卡罗算法、遗传算法或其他的随机优化算法等来实现。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）本发明对原有未使用挡板时的薄膜厚度分布模型进行了改进。在未使用挡板时的薄膜厚度分布模型中，考虑了薄膜材料的沉积角对薄膜厚度分布的影响，使得理论模拟的薄膜厚度分布更符合真空镀膜机行星系统中平面光学元件所处的物理实际。

（2）本发明的挡板优化设计效率高。由于充分考虑到蒸发或溅射源和平面光学元件系统配置，获取真空镀膜过程中薄膜材料蒸发或溅射特性，并采用计算机辅助优化方法，依据存在挡板修正时的薄膜厚度分布模型，使得挡板优化设计效率显著提高。

附图说明

图1为配备有行星系统的热蒸发真空镀膜机中热蒸发源-平面光学元件-挡板组合系统的示意图；

图2为使用挡板前后，真空镀膜机行星系统中平面光学元件上实测和模拟的薄膜厚度分布图；

图3为本发明计算机优化设计的挡板结构示意图。

具体实施方式

如图1所示为配备有行星系统的热蒸发真空镀膜机内热蒸发源-平面光学元件-挡板组合系统的示意图。热蒸发真空镀膜过程中，被蒸发的薄膜材料在真空环境中传输，并在平面光学元件表面沉积形成薄膜。一般在不采取薄膜厚度分布控制技术的情况下，膜料沉积在平面光学元件表面上形成的薄膜厚度具有非均匀分布。这种非均匀的薄膜厚度分布导致平面光学薄膜元件无法满足光学系统的性能需求，因此需要控制真空镀膜机行星系统中平面光学元件上薄膜厚度分布。最常用的办法是使用挡板控制薄膜厚度分布技术。具体的用于真空镀膜机行星系统中控制平面光学元件上薄膜厚度分布的挡板计算机优化设计过程为：

运用存在挡板修正时的薄膜厚度分布理论模型模拟真空镀膜机行星系统中平面光学元件上的薄膜厚度分布，使用计算机优化挡板设计直至真空镀膜机行星系统中挡板修正后平面光学元件上薄膜厚度分布达到设计需求，获得最优的挡板设计。

所述的存在挡板修正时的薄膜厚度分布模型的表达式为方程（1），一旦真空镀膜机配置和平面光学元件尺寸给定，蒸发源函数

平面光学元件函数

蒸发源面函数A(x,y)、蒸发源表面函数在x-y平面上的投影F(x,y)、沉积角校正函数

和平面光学元件上(x₁,y₁,z₁)坐标点与蒸发源上(x,y,z)坐标点的距离均为已知参量。由方程（1）可知，为理论模拟存在挡板修正时真空镀膜机行星系统中平面光学元件上薄膜厚度分布

还需要确定薄膜材料蒸发特性j和挡板遮挡函数

具体的薄膜材料蒸发特性j确定过程为：由未使用挡板时的薄膜厚度分布理论模型可知，一旦真空镀膜机配置和平面光学元件尺寸给定，此薄膜厚度分布理论模型中除薄膜材料蒸发特性j外，其它参量均为已知参数。在未使用挡板修正时，通过实验测量真空镀膜机行星系统中平面光学元件上非均匀薄膜厚度分布并由未使用挡板时的薄膜厚度理论模型模拟的薄膜厚度分布

拟合确定薄膜材料蒸发特性j。所述的未使用挡板时的薄膜厚度分布理论模型的表达式为方程（3）。如图2所示，在未使用挡板修正薄膜厚度时，实测的均一化薄膜厚度分布

和理论计算的均一化薄膜厚度分布

非常吻合，实际确定的薄膜材料蒸发特性j＝1.74。

具体的挡板遮挡函数

的确定：由挡板遮挡函数

的定义可知，挡板遮挡函数

是一个逻辑判断函数，并且对于给定的真空镀膜机配置和平面光学元件尺寸而言，设计的挡板对真空镀膜机行星系统中平面光学元件上薄膜厚度分布的影响直接反映在挡板遮挡函数的取值上。尽管真空镀膜机行星系统中平面光学元件上任意点的运动具有很高的位置随机性，平面光学元件上(x₁,y₁,z₁)坐标点和蒸发源上(x,y,z)坐标点的连线在挡板放置平面上的投影轨迹非常复杂，很难给出挡板遮挡函数的解析解。但是，依然可以使用计算机完成挡板遮挡函数

的取值判定，进而实现方程（1）的计算，获得挡板修正后真空镀膜机行星系统中平面光学元件上薄膜厚度分布

的理论模拟。所述的计算机优化挡板设计主要通过模拟退火算法、蒙特卡罗算法、遗传算法或其他的随机优化算法等来实现。

如图2所示，在使用挡板修正后，实测的归一化薄膜厚度分布

和理论计算的归一化薄膜厚度分布

符合。实测的使用挡板修正的真空镀膜机行星系统中Φ310mm的平面光学元件上薄膜厚度均匀性高于99.6%，能很好地满足实际光学系统需求。对应的计算机优化设计的挡板形状如图3所示。

另外，对于离子束溅射、磁控溅射、原子层沉积等物理气相沉积真空镀膜工艺而言，蒸发或溅射的薄膜材料在真空环境中传输、沉积形成薄膜过程和热蒸发真空镀膜工艺一样。因此，在离子束溅射、磁控溅射、原子层沉积等物理气相沉积真空镀膜工艺中，使用本发明所述方法完成相应的挡板优化设计也同属于本发明的保护范围。

总之，本发明改进现有未使用挡板时的薄膜厚度分布模型，即引入沉积角校正函数更真实地刻画真空镀膜机行星系统中平面光学元件上薄膜厚度分布；与现有通过大量的工艺实验反复优化挡板设计来实现真空镀膜机行星系统中平面光学元件上薄膜厚度分布控制相比，提出了适用于真空镀膜机行星系统中控制平面光学元件上薄膜厚度分布的挡板计算机优化设计方法。本发明使用计算机优化挡板设计能实现平面光学元件上薄膜厚度分布的精确控制。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (2)

1.一种用于镀膜行星系统中控制平面光学元件膜厚分布的挡板设计方法，其特征在于：

(1)在真空镀膜过程中，膜料以蒸发或溅射方式在真空环境中传输，并在平面光学元件上形成薄膜；所述平面光学元件因薄膜材料的沉积，在表面形成非均匀的薄膜厚度分布；

(2)运用存在挡板修正时的薄膜厚度分布理论模型模拟真空镀膜机行星系统中平面光学元件上的薄膜厚度分布，使用计算机优化挡板设计直至真空镀膜机行星系统中挡板修正后平面光学元件上薄膜厚度分布达到设计需求，获得最优的挡板设计；

所述存在挡板修正时的薄膜厚度分布理论模型为：

$d^{\′}\left(\stackrel{\→}{r_1}\right)=\underset{F(x,y)}{\∫\∫}\frac{u(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{r_1})w^j(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{r_1})B(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{r_1})M(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{r_1})A(x,y)}{{|\stackrel{\→}{r}-\stackrel{\→}{r_1}|}^{j+3}}\mathrm{dxdy}---\left(1\right)$

式中，矢量为蒸发或溅射源-平面光学元件-挡板组合系统中坐标原点和蒸发或溅射源上(x，y，z)坐标点的连线；矢量为坐标原点和平面光学元件上(x₁，y₁，z₁)坐标点的连线；蒸发或溅射源和平面光学元件的表面函数分别为S(x，y，z)＝0和P(x₁，y₁，z₁)＝0；

和分别为蒸发或溅射源上(x，y，z)坐标点和平面光学元件上(x₁，y₁，z₁)坐标点的单位法向量；

为蒸发或溅射源函数，为平面光学元件函数；A(x，y)为蒸发或溅射源的面函数；

F(x，y)为蒸发或溅射源表面函数S(x，y，z)＝0在x-y平面上的投影；为蒸发或溅射源上(x，y，z)坐标点和光学元件上(x₁，y₁，z₁)坐标点的距离；j为蒸发或溅射源特性参量；

为被蒸发或溅射膜料的沉积角校正函数，定义为：

为挡板遮挡函数，当蒸发或溅射源上(x,y,z)坐标点和平面光学元件上(x₁,y₁,z₁)坐标点的连线在挡板放置平面上的投影轨迹和挡板的轨迹相交时，挡板遮挡函数取0；当蒸发或溅射源上(x,y,z)坐标点和平面光学元件上(x₁,y₁,z₁)坐标点的连线在挡板放置平面上的投影轨迹和挡板的轨迹不相交时，挡板遮挡函数取1；

（3）真空镀膜过程中薄膜材料的蒸发或溅射源特性参量j通过如下方式确定：在未使用挡板时，通过实验测量真空镀膜机行星系统中平面光学元件上非均匀薄膜厚度分布，并由未使用挡板时的薄膜厚度分布理论模型拟合确定薄膜材料的蒸发或溅射特性；

所述未使用挡板时的薄膜厚度分布理论模型为：

$d^{\′}\left(\stackrel{\→}{r_1}\right)=\underset{F(x,y)}{\∫\∫}\frac{u(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{r_1})w^j(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{r_1})B(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{r_1})M(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{r_1})A(x,y)}{{|\stackrel{\→}{r}-\stackrel{\→}{r_1}|}^{j+3}}\mathrm{dxdy}---\left(3\right)$

2.根据权利要求1所述的一种用于镀膜行星系统中控制平面光学元件膜厚分布的挡板设计方法，其特征在于：所述计算机优化挡板设计是通过模拟退火算法、蒙特卡罗算法、遗传算法或其他的随机优化算法来实现。

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