CN113249699A - 基于磁控溅射技术制备高精密波长渐变滤光片的方法及其采用的装置 - Google Patents

基于磁控溅射技术制备高精密波长渐变滤光片的方法及其采用的装置 Download PDF

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Abstract

本发明属滤光片制备领域，尤其涉及一种基于磁控溅射技术制备高精密波长渐变滤光片的方法及其采用的装置，系将滤光片基底固定在圆形平板状且能绕自身中心轴快速旋转的工件盘的上表面，使滤光片基底的镀膜面朝上，然后高速旋转工件盘；依据设定的波长渐变滤光片膜系，开始靶材溅射并通过等离子源辅助沉积和光控对膜厚进行控制。本发明以磁控溅射工艺为基础，采取集成反向掩膜的方式实现光谱渐变，产品可以同时满足线性度、旁次峰截止、深背景的技术要求；该方法可以实现一次同时镀制两种不同的波长渐变滤光片。

Description

基于磁控溅射技术制备高精密波长渐变滤光片的方法及其采 用的装置
技术领域
本发明属滤光片制备领域，尤其涉及一种基于磁控溅射技术制备高精密波长渐变滤光片的方法及其采用的装置。
背景技术
波长线性渐变滤光片是一种光谱特性沿特定方向随滤光片几何位置改变而改变的特殊滤光片，它能够将入射复色光分成与滤光片位置线性相关的光谱，在实际应用中可起到简化分光系统，提高仪器的可靠性、稳定性的作用，广泛应用于光谱成像等诸多领域。线性渐变滤光片的设计制造不仅要根据使用需求设计相应的掩膜机构实现渐变，同时还要兼顾使用波长范围内旁次峰的截止。
在现有制造技术中,基于刻蚀技术采用多次镀制的方式可以实现光谱的阶梯渐变，但生产过程不仅需要多次镀膜，而且无法实现连续线性渐变；中国专利(CN105911624B)和(CN205787192U)公开了一种基于电子枪蒸发结构制备线性渐变滤光片的方法，该方法是基于电子枪蒸发设备，利用正向掩膜机构实现的线性渐变，可以很好地满足透射率线性渐变滤光片的制作需要。但对于波长线性渐变滤光片的制造来说，在截止背景和旁次峰的抑制方面均有一定的局限性。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足之处，提供一种基于磁控溅射技术制备高精密波长渐变滤光片的方法及其采用的装置。本发明方法以磁控溅射工艺为基础，采取集成反向掩膜的方式实现光谱渐变，产品可以同时满足线性度、旁次峰截止、深背景的技术要求；该方法可以实现一次同时镀制两种不同的波长渐变滤光片。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种基于磁控溅射技术制备高精密波长渐变滤光片的方法，系将滤光片基底固定在圆形平板状且能绕自身中心轴快速旋转的工件盘的上表面，使滤光片基底的镀膜面朝上，然后高速旋转工件盘；依据设定的波长渐变滤光片膜系，开始靶材溅射并通过等离子源辅助沉积和光控对膜厚进行控制；同时，在成膜过程中通过高折射率的渐变修正掩膜板以及低折射率的渐变修正掩膜板对蒸发源进行遮挡，最终制得所需波长渐变滤光片。
作为一种优选方案，本发明所述波长渐变滤光片膜系结构为：(HLHLH2LHLHLH L)^4；其中，H为高折射率材料Ta2O5，L为低折射率材料SiO2。
上述基于磁控溅射技术制备高精密波长渐变滤光片的方法所采用的装置，系在能够绕自身中心轴快速旋转的工件盘上方设有2对分别为高折射率和低折射率的孪生溅射靶材以及射频等离子源；在所述高折射率和低折射率的孪生溅射靶材的周围设有盒子；在所述盒子的下方依次分别固定设有高折射率的渐变修正掩膜板以及低折射率的渐变修正掩膜板，用以修正膜厚在滤光片基底的分布；所述高折射率的渐变修正掩膜板及低折射率的渐变修正掩膜板处于同一水平面上且与所述工件盘放置滤光片基底的位置相对应。
作为一种优选方案，本发明所述高折射率的渐变修正掩膜板以及低折射率的渐变修正掩膜板满足如下条件：
l′H1：l′H2：l′H3＝(λ1·nλ2·nλ3·lH1)：(λ2·nλ1·nλ3·lH2)：(λ3·nλ1·nλ2·lH3)；……………………………………(1)
l′H4：l′H5：l′H6＝(λ4·nλ5·nλ6·lH4)：(λ5·nλ4·nλ6·lH5)：(λ6·nλ4·nλ5·lH6)；……………………………………(2)
其中：l′H1，l′H2，l′H3，l′H4，l′H5，l′H6表示所述高折射率的渐变修正掩膜板对应玻璃基底镀膜面1，2，3，4，5，6位置所在工件盘上表面圆位置的弧长；λ1，λ2，λ3，λ4，λ5，λ6分别为对应玻璃基底镀膜面1，2，3，4，5，6位置膜料参考波长；nλ1，nλ2，nλ3，nλ4，nλ5，nλ6分别为对应玻璃基底镀膜面1，2，3，4，5，6位置膜料参考波长的折射率，d1，d2，d3，d4，d5，d6分别为对应玻璃基底镀膜面1，2，3，4，5，6位置的瞬时沉积膜厚；lH1，lH2，lH3，lH4，lH5，lH6表示高折射率均匀修正掩膜板对应玻璃基底镀膜面1，2，3，4，5，6位置所在工件盘上表面圆位置的弧长。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、通过渐变掩膜板遮挡蒸发源方式改变薄膜材料蒸发粒子的分布(以往是通过遮挡镀膜伞的方式实现)，优点是蒸发成膜效率高；
2、相互独立的渐变掩膜板，且相互之间无干扰(以往是用同一掩膜板镀制不同膜料，或者是两个渐变掩膜板，但相互之间会有影响，由于不同膜料蒸发特性不同，均会导致膜厚控制不准)，保证每种膜料的膜厚控制更精准；
3、全新的渐变掩膜板设计和计算方法(以往是局部遮挡，蒸发粒子从周围到达基底)，采用周围遮挡，蒸发粒子从中空部分到达基底，优点是有效改变蒸发粒子分布状态，从而实现高线性色散系数波长渐变滤光片的制备；
4、该渐变掩膜板的设计可以实现2种不同波长渐变滤光片同时镀制(以往每次只能镀制一种)；
5、本装置是采用装有基底的工件盘在下，靶材在上的方式(以往都是相反的方式)，优点是基底装夹没有遮挡，不会产生虚影；
6、本装置采用精密的直接光控和晶控相结合，实现膜料溅射速率和膜厚精准控制,优点是镀制层数多，可以实现多种膜系一次镀制完成，更高效，可以镀制高精密，高标准的波长渐变滤光片。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。
图1为本发明所采用装置整体结构示意图；
图2为本发明制备高精密波长渐变滤光片平面图；
图3为本发明高折射率的渐变修正掩膜板结构示意图；
图4为本发明低折射率的渐变修正掩膜板结构示意图；
图5为本发明高折射率修正掩膜板设计图；
图6为本发明低折射率修正掩膜板设计图；
图7为本发明实施例膜系渐变光谱图。
具体实施方式
如图所示，基于磁控溅射技术制备高精密波长渐变滤光片的方法，系将滤光片基底固定在圆形平板状且能绕自身中心轴快速旋转的工件盘的上表面，使滤光片基底的镀膜面朝上，然后高速旋转工件盘；依据设定的波长渐变滤光片膜系，开始靶材溅射并通过等离子源辅助沉积和光控对膜厚进行控制；同时，在成膜过程中通过高折射率的渐变修正掩膜板以及低折射率的渐变修正掩膜板对蒸发源进行遮挡，最终制得所需波长渐变滤光片。
本发明所述波长渐变滤光片膜系结构为：(HLHLH2LHLHLH L)^4；其中，H为高折射率材料Ta2O5，L为低折射率材料SiO2。
上述基于磁控溅射技术制备高精密波长渐变滤光片的方法所采用的装置，在能够绕自身中心轴快速旋转的工件盘上方设有2对分别为高折射率和低折射率的孪生溅射靶材以及射频等离子源；在所述高折射率和低折射率的孪生溅射靶材的周围设有方形盒子；在所述方形盒子的下方依次分别固定设有高折射率的渐变修正掩膜板以及低折射率的渐变修正掩膜板，用以修正膜厚在滤光片基底的分布；所述高折射率的渐变修正掩膜板及低折射率的渐变修正掩膜板处于同一水平面上且与所述工件盘放置滤光片基底的位置相对应。
本发明所述高折射率的渐变修正掩膜板以及低折射率的渐变修正掩膜板满足如下条件：
l′H1：l′H2：l′H3＝(λ1·nλ2·nλ3·lH1)：(λ2·nλ1·nλ3·lH2)：(λ3·nλ1·nλ2·lH3)；……………………………………(1)
l′H4：l′H5：l′H6＝(λ4·nλ5·nλ6·lH4)：(λ5·nλ4·nλ6·lH5)：(λ6·nλ4·nλ5·lH6)；……………………………………(2)
其中：l′H1，l′H2，l′H3，l′H4，l′H5，l′H6表示所述高折射率的渐变修正掩膜板对应玻璃基底镀膜面1，2，3，4，5，6位置所在工件盘上表面圆位置的弧长；λ1，λ2，λ3，λ4，λ5，λ6分别为对应玻璃基底镀膜面1，2，3，4，5，6位置膜料参考波长；nλ1，nλ2，nλ3，nλ4，nλ5，nλ6分别为对应玻璃基底镀膜面1，2，3，4，5，6位置膜料参考波长的折射率，d1，d2，d3，d4，d5，d6分别为对应玻璃基底镀膜面1，2，3，4，5，6位置的瞬时沉积膜厚；lH1，lH2，lH3，lH4，lH5，lH6表示高折射率均匀修正掩膜板对应玻璃基底镀膜面1，2，3，4，5，6位置所在工件盘上表面圆位置的弧长。
基于反应磁控溅射镀制均匀膜厚的工艺，通过加装设计渐变掩膜板，制备波长渐变滤光片。根据波长渐变滤光片的光谱指标，通过膜系设计软件设计膜系；根据波长渐变滤光片的线性色散系数指标，通过膜系设计软件改变相对应位置的参考波长，来获得波长渐变滤光片相对应位置的各层物理厚度分布。
根据波长渐变滤光片的线性色散系数及尺寸和计算得到膜层厚度的渐变分布，根据渐变修正掩膜板设计原理计算渐变掩膜板的型线，H(高折射率膜料)层和L(低折射率膜料)层均是如此。按照型线分别加工H层和L层渐变掩膜板。
靶材溅射时，通过渐变掩膜板改变蒸发源处蒸发粒子的分布状态，来达到波长渐变滤光片的目标膜厚分布，并且配备高速旋转载有基底的工件盘，加上等离子源辅助沉积和光控对膜厚的控制，可实现波长渐变滤光片的精准镀制。
本发明专利方法制备的波长渐变滤光片具有膜层致密，高牢固度，高集成度，高线性色散系数等特点。
(1)波长渐变滤光片的设计
波长渐变滤光片是利用光在多层光学膜中的薄膜干涉原理进行设计的。在滤光片的不同位置，每层薄膜的光学厚度一致变化，其光谱的参考波长将随之改变，因此只需要改变膜系的参考波长，即可获得相应位置的光谱波形。根据波长渐变滤光片的光谱指标，通过膜系设计软件设计相应的膜系；根据波长渐变滤光片的线性色散系数指标，通过膜系设计软件改变相对应位置的参考波长，来获得波长渐变滤光片相对应位置的各层物理厚度分布。
(2)渐变厚度掩膜板设计
鉴于电子枪蒸发设备正向掩膜的方法膜料浪费多，成膜效率低，与此同时又要实现高集成度，高色散系数，高效率成膜的要求，综上选择反应磁控溅射镀膜设备来制备。结合该镀膜机结构特性和镀膜机理，通过开发相应光学材料的反应磁控溅射镀膜工艺、设计渐变的掩膜板，实现波长渐变滤光片的制备。
假定在高均匀性镀膜工艺条件下，以旋转中心为圆心，旋转半径在有效镀膜区域内，介于均匀镀膜掩膜板型线(外侧实现型线)内的任意圆弧上的膜层厚度是一致的，若想制备波长渐变滤光片，只需按渐变滤光片膜厚分布规律来改变均匀掩膜板的型线即可。
参见图5所示，所述高折射率均匀修正掩膜板对应玻璃基底镀膜面1，2，3，4，5，6位置所在工件盘上表面圆位置的弧长分别用lH1，lH2，lH3，lH4，lH5，lH6表示，所述均匀修正掩膜板各位置对应参数关系如下：
nλ1·d1·lH1＝nλ2·d2·lH2
＝nλ3·d3·lH3＝nλ4·d4·lH4
＝nλ5·d5·lH5＝nλ6·d6·lH6
其中，nλ1，nλ2，nλ3，nλ4，nλ5，nλ6分别为对应玻璃基底镀膜面1，2，3，4，5，6位置膜料参考波长的折射率，d1，d2，d3，d4，d5，d6分别为对应玻璃基底镀膜面1，2，3，4，5，6位置的瞬时沉积膜厚。由于是均匀修正挡板，基片各位置的波长相同，因此材料具有相同的折射率和色散，即：
nλ1＝nλ2＝nλ3＝nλ4＝nλ5＝nλ6
所以有公式：
d1·lH1＝d2·lH2＝d3·lH3＝d4·lH4＝d5·lH5＝d6·lH6
所述高折射率的渐变修正掩膜板对应玻璃基底镀膜面1，2，3，4，5，6位置所在工件盘上表面圆位置的弧长分别用l′H1，l′H2，l′H3，l′H4，l′H5，l′H6表示，所述渐变修正掩膜板各位置对应弧长l′H1，l′H2，l′H3，l′H4，l′H5，l′H6的理论值由下面公式计算得到：
Figure BDA0003063412000000081
Figure BDA0003063412000000082
由以上2式推得：
l′H1：l′H2：l′H3＝(λ1·nλ2·nλ3·lH1)：(λ2·nλ1·nλ3·lH2)：(λ3·nλ1·nλ2·lH3)；
Figure BDA0003063412000000083
Figure BDA0003063412000000084
由以上2式推得：
l′H4：l′H5：l′H6＝(λ4·nλ5·nλ6·lH4)：(λ5·nλ4·nλ6·lH5)：(λ6·nλ4·nλ5·lH6)；
波长渐变滤光片各位置的波长是渐变的，因此材料在各位置的折射率和色散不同，所以要考虑nλ1，nλ2，nλ3，nλ4，nλ5，nλ6对膜厚的影响。
由于高、低折射率蒸发材料具有不同的蒸汽发射特性，因此需要对其分别校正。同理，参见图6所示，所述低折射率的均匀修正掩膜板对应玻璃基底镀膜面1，2，3，4，5，6位置所在工件盘上表面圆位置的弧长分别用lL1，lL2，lL3，lL4，lL5，lL6表示，所述均匀修正掩膜板各位置对应参数关系如下：
d1·lL1＝d2·lL2＝d3·lL3＝d4·lL4＝d5·lL5＝d6·lL6
所述低折射率的渐变修正掩膜板对应玻璃基底镀膜面1，2，3，4，5，6位置所在工件盘上表面圆位置的弧长分别用l′L1，l′L2，l′L3，l′L4，l′L5，l′L6表示，所述渐变修正掩膜板各位置对应弧长l′L1，l′L2，l′L3，l′L4，l′L5，l′L6的理论值由下面公式计算得到：
Figure BDA0003063412000000091
Figure BDA0003063412000000092
由以上2式推得：
l′L1：l′L2：l′L3＝(λ1·nλ2·nλ3·lL1)：(λ2·nλ1·nλ3·lL2)：(λ3·nλ1·nλ2·lL3)
Figure BDA0003063412000000093
Figure BDA0003063412000000094
由以上2式推得：
l′L4：l′L5：l′L6＝(λ4·nλ5·nλ6·lL4)：(λ5·nλ4·nλ6·lL5)：(λ6·nλ4·nλ5·lL6)；
根据波长渐变滤光片的线性色散系数及尺寸和计算得到膜层厚度的渐变分布，利用上面公式来计算渐变掩膜板的型线，H(高折射率膜料)层和L(低折射率膜料)层均是如此。按照渐变掩膜板型线尺寸，分别加工H层和L层渐变掩膜板。
(3)波长渐变滤光片的镀制
反应磁控溅射镀膜设备是一种中频孪生靶反应磁控溅射与射频等离子源辅助沉积相结合的溅射镀膜技术。如图1，将用来制作波长渐变滤光片的基底固定在圆形平板状且能绕自身中心轴快速旋转的工件盘的上表面，使基底的镀膜面朝上，在工件盘上方有2对分别为高折射率(H)和低折射率(L)的孪生溅射靶材，以及射频等离子源，而在H和L靶材周围设有方形盒子，方形盒子的下方固定修正掩膜板，且修正掩膜板在同一水平面上。参见图2所示，修正掩膜板开孔处正对着工件盘放置基底的位置。靶材溅射时，通过渐变掩膜板修正膜厚在基底的分布，并且配备高速旋转载有基底的工件盘，加上等离子源辅助沉积和光控对膜厚的控制，可实现波长渐变滤光片的精准镀制。
实施例
(1)目标波长渐变滤光片基本参数：有效渐变长度为20mm，波长范围450～750nm，线性色散系数为15nm/mm，半波带宽为7～15nm。
(2)所述膜系为波长渐变滤光片膜系，是利用光在多层光学膜中的薄膜干涉原理进行设计的。以F-B腔为基础光学结构的带通滤光片膜系为例：(HLHLH2LHLHLH L)^4，其中，H-Ta2O5，L-SiO2；设计膜系的渐变光谱图，如图7。
(3)所述膜系软件为Essential Macleod光学薄膜设计和分析软件；
(4)所述物理厚度，通过Essential Macleod光学薄膜设计和分析软件改变膜系的参考波长，即可获得相应位置的通带波形和各膜层的物理厚度分布；
(5)所述波长渐变滤光片掩膜板的机械图纸如图3，图4所示。
(6)所述基底为：K9-25mm×20mm×2mm
(7)将基底装在镀膜机工件盘上，更换设计加工好的渐变掩膜板，安装装Ta靶和Si靶，选择设计好的波长渐变滤光片膜系，其它采取镀制常规均匀膜厚滤光片工艺镀制，即制得所需波长渐变滤光片。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于磁控溅射技术制备高精密波长渐变滤光片的方法，其特征在于，将滤光片基底固定在圆形平板状且能绕自身中心轴快速旋转的工件盘的上表面，使滤光片基底的镀膜面朝上，然后高速旋转工件盘；依据设定的波长渐变滤光片膜系，开始靶材溅射并通过等离子源辅助沉积和光控对膜厚进行控制；同时，在成膜过程中通过高折射率的渐变修正掩膜板以及低折射率的渐变修正掩膜板对蒸发源进行遮挡，最终制得所需波长渐变滤光片。
2.根据权利要求1所述基于磁控溅射技术制备高精密波长渐变滤光片装置的方法，其特征在于：所述波长渐变滤光片膜系结构为：(HLHLH2LHLHLH L)^4；其中，H为高折射率材料Ta2O5，L为低折射率材料SiO2。
3.根据权利要求1所述基于磁控溅射技术制备高精密波长渐变滤光片的方法所采用的装置，其特征在于：在能够绕自身中心轴快速旋转的工件盘上方设有2对分别为高折射率和低折射率的孪生溅射靶材以及射频等离子源；在所述高折射率和低折射率的孪生溅射靶材的周围设有盒子；在所述盒子的下方依次分别固定设有高折射率的渐变修正掩膜板以及低折射率的渐变修正掩膜板，用以修正膜厚在滤光片基底的分布；所述高折射率的渐变修正掩膜板及低折射率的渐变修正掩膜板处于同一水平面上且与所述工件盘放置滤光片基底的位置相对应。
4.根据权利要求3所述基于磁控溅射技术制备高精密波长渐变滤光片的装置，其特征在于：所述高折射率的渐变修正掩膜板以及低折射率的渐变修正掩膜板满足如下条件：
l′H1：l′H2：l′H3＝(λ1·nλ2·nλ3·lH1)：(λ2·nλ1·nλ3·lH2)：(λ3·nλ1·nλ2·lH3)；..........................................(1)
l′H4：l′H5：l′H6＝(λ4·nλ5·nλ6·lH4)：(λ5·nλ4·nλ6·lH5)：(λ6·nλ4·nλ5·lH6)；..........................................(2)
其中：l′H1，l′H2，l′H3，l′H4，l′H5，l′H6表示所述高折射率的渐变修正掩膜板对应玻璃基底镀膜面1，2，3，4，5，6位置所在工件盘上表面圆位置的弧长；λ1，λ2，λ3，λ4，λ5，λ6分别为对应玻璃基底镀膜面1，2，3，4，5，6位置膜料参考波长；nλ1，nλ2，nλ3，nλ4，nλ5，nλ6分别为对应玻璃基底镀膜面1，2，3，4，5，6位置膜料参考波长的折射率，d1，d2，d3，d4，d5，d6分别为对应玻璃基底镀膜面1，2，3，4，5，6位置的瞬时沉积膜厚；lH1，lH2，lH3，lH4，lH5，lH6表示高折射率均匀修正掩膜板对应玻璃基底镀膜面1，2，3，4，5，6位置所在工件盘上表面圆位置的弧长。
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