CN113355646B - 一种基于多源共蒸技术的薄膜监测制备装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于多源共蒸技术的薄膜监测制备装置及方法。该装置的工件盘固定于真空室的顶部且可沿其中心旋转；离子源设置于真空室的底部，且离子源的中心与工件盘的中心位于同一直线上；蒸发源至少包括两个阻蒸源和一个电子枪蒸发源；蒸发源均设置于真空室的底部，且等间距设置于离子源的四周；蒸发源均配有挡板；制备薄膜时，光学膜厚监测系统实时监测工件盘上任一位置所加载的基片上薄膜的光学厚度，并反馈给控制中心；控制中心用于薄膜制备参数的输入以及薄膜制备过程的控制。该方法遵循阻蒸源制备高、中折射率级别膜层，电子枪蒸发源制备低折射率级别膜层的制备原则。通过本发明能够实现多成分多级别复合光学薄膜的制备与光学膜厚监测。

Description

一种基于多源共蒸技术的薄膜监测制备装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于多源共蒸技术的薄膜监测制备装置及方法，属于光学薄膜监测制备领域。
背景技术
随着技术的不断进步，复杂膜系受到广泛关注，按照光学折射率分类，可以将光学膜系分为三种级别：高(H)、中(M)和低(L)。通常复杂膜系的设计组合遵循H/M/H/M…/L原则，在光学薄膜制备过程中，H、M、L的制备方法不同，需要采用多个靶材源进行真空制备。而现有技术中双源(多源)共蒸技术的组合形式为：离子源+阻蒸源，或离子源+电子枪蒸发源，或阻蒸源+电子枪源。现有双源(多源)共蒸技术仅仅可以满足两种级别的光学薄膜的制备，无法实现三种级别薄膜的多源共蒸。
现有膜厚监测技术：(1)简单膜层(少于4层)厚度监测，采用质量厚度监测法，该方法也是膜厚监测应用中最为广泛的方法；质量厚度监测法采用石英晶体微天平传感器作为监测技术。(2)多层复杂规整膜系(1/4λ的整数倍)厚度监测，现有方法为CCD(Charge-coupled Device)探测技术。(3)多层复杂非规整膜系厚度监测，激光监测技术。现有技术存在的缺陷：质量监测法误差较大，已不能满足复杂膜系厚度监测的要求；CCD技术仅仅适用于多层复杂规整膜系厚度监测；激光监测技术虽然属于新型监测技术，但是现有技术中只能同时监测相同圆周位置上的样片，无法监测不同圆周位置上的样片；现有膜厚监测技术只能实现对部分样片进行监测，用以代替评估所有基片表面膜厚的镀制情况，存在以偏概全的缺陷，无法保证镀制良率。
因此，本发明提出一种能够实现三种级别薄膜的多源共蒸，并且能够同时监测不同圆周上的样片的制备装置及方法，这是非常有必要。
发明内容
本发明的第一发明目的：提供一种能够实现多种级别薄膜的多源共蒸，并且能够同时监测不同圆周上的样片的制备装置。
本发明实现其第一发明目的所采取的技术方案：一种基于多源共蒸技术的薄膜监测制备装置，所述装置包括真空室、工件盘、光学膜厚监测系统、蒸发源、离子源、挡板、控制中心；
所述工件盘固定于所述真空室的顶部，且所述工件盘可沿其中心旋转；所述工件盘用于加载基片；
所述离子源设置于所述真空室的底部，且所述离子源的中心与所述工件盘的中心位于同一直线上；
所述蒸发源至少包括两个阻蒸源和一个电子枪蒸发源；所述蒸发源均设置于所述真空室的底部，且等间距设置于所述离子源的四周；所述蒸发源均配有所述挡板；
所述光学膜厚监测系统包括激光器、调制器、分光器、光电探测器；在制备薄膜时，所述光学膜厚监测系统通过所述分光器将调制出的激光分光并沿所述工件盘的一条直径方向进行投射，结合所述工件盘的旋转，所述光学膜厚监测系统实时监测所述工件盘上任一位置所加载的基片上薄膜的光学厚度，并反馈给所述控制中心；
所述控制中心用于薄膜制备参数的输入以及薄膜制备过程的控制。
进一步地，所述蒸发源由两个阻蒸源和一个电子枪蒸发源组成。由此能够在不更换靶材的情况下保证一次性镀制多层不同级别的光学薄膜。
进一步地，在制备薄膜时，所述光学膜厚监测系统通过所述分光器将调制出的激光分光并沿所述工件盘的一条直径方向进行投射，所投射的光束不随所述工件盘的旋转而旋转。(即：在制备薄膜时，工件盘旋转，而光束不转动。)
进一步地，所述装置还包括加热器和温度检测器，所述加热器用于对基片进行加热，所述温度检测器用于基片的温度检测。
本发明的第二发明目的：提供一种能够实现多种级别薄膜的多源共蒸，并且能够同时监测不同圆周上的样片的制备方法。
本发明实现其第二发明目的所采取的技术方案：一种基于多源共蒸技术的薄膜监测制备方法，所述方法是采用一种基于多源共蒸技术的薄膜监测制备装置进行多层光学薄膜的监测制备，具体包括步骤：
S1、对基片进行预处理，并将基片加载于所述工件盘上；
S2、对多层光学薄膜进行设计，包括设计膜层的数量、每一膜层的厚度、每一膜层的折射率；所述多层光学薄膜包括两个以上膜层结构；
S3、依据所设计的多层光学薄膜选择膜料，并将所选择的膜料分别加入所述阻蒸源和所述电子枪蒸发源中，且遵循阻蒸源制备高折射率级别膜层、中折射率级别膜层，电子枪蒸发源制备低折射率级别膜层的制备原则；
S4、依据多层光学薄膜的设计，在所述控制中心输入参数，包括各膜层的制备顺序、每一膜层的厚度、所述工件盘的旋转速度、基片的温度；
S5、将所述真空室抽至高真空状态；
S6、通过所述离子源对所述工件盘上所加载的基片进行物理干法清洗；
S7、依据所设计的多层光学薄膜对其各膜层进行制备；在制备过程中，所述光学膜厚监测系统通过所述分光器将调制出的激光分光并沿所述工件盘的一条直径方向进行投射，结合所述工件盘的旋转，所述光学膜厚监测系统实时监测所述工件盘上任一位置所加载的基片上薄膜的光学厚度，当所述光学膜厚监测系统监测到任一膜层的厚度达到预先输入的膜层厚度时，自动关闭对应的蒸发源及与该蒸发源相匹配的挡板；若该膜层不是最终膜层，则自动打开与制备下一膜层对应的蒸发源及与该蒸发源相匹配的挡板，进入下一膜层的制备；若该膜层是最终膜层，则所设计的多层光学薄膜制备完成；在各膜层的制备过程中，所述离子源均处于工作状态。
进一步地，与制备任一膜层对应的蒸发源可以是一个，也可以是多个。(即：对于多层光学薄膜中任一膜层的制备可以是由单独的一个蒸发源工作来完成，也可以是同时由多个蒸发源共同工作来完成。)
进一步地，在制备过程中，所述工件盘的旋转速度是固定不变的。
光学膜厚监测系统的工作原理与方法：
(1)光路产生过程：由激光器产生激光，经调制器调制为一定光强的激光光源，再经过分光器分成若干束子光束，子光束入射到光学薄膜表面，并穿过基片射出，最后用光电探测器对各个出射子光束进行检测。
(2)具体检测方法：首先，在光学薄膜镀制前，测定子光束穿过基片的初始透过率T0作为参考值；其次，在分别镀制H(高折射率)、M(中折射率)、L(低折射率)级别膜层的过程中，分别检测各子光束的透过率TH、TM、TL；最后，根据公式(1)计算出光学薄膜各层级的光学厚度，并依次自动判定是否达到预先输入的膜层厚度。
以单层光学膜厚监测为例，当入射光进入薄膜后，会经过多次反射或直接透射。如不考虑膜层对入射光的吸收情况，则入射光在单层薄膜中透过率的表达式为：
Figure BDA0003111099890000031
其中，n2为基片折射率，n1为镀制薄膜的折射率，n0为入射介质的折射率，λ为波长，t＝t01t12,r＝r01r12,t01与r01分别为入射介质与膜层之间的透射系数与反射系数，t12与r12分别为膜层与基片之间的透射系数与反射系数，n1d1为光学膜厚，光强透过率T与光学膜厚存在固定的函数关系，通过光强透过率的检测即可得到光学膜厚值。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明装置能够满足多成分、多级别的复合光学薄膜的制备需求。
(2)本发明装置能够对工件盘上任一位置所加载的基片薄膜的光学厚度进行实时监测，能够同时测得工件盘上所加载的每一基片上薄膜沉积的情况，解决了工件盘上不同位置的基片所沉积的膜厚会有差异的问题。本发明装置不但可以提高整个膜厚制备的监测精度，还可以为薄膜制备工艺的优化提供反馈依据，进而达到提高沉积效率和成功率的目的，避免原材料和生产时间的浪费。
(3)本发明装置在保证薄膜制备质量的同时可以大大提高薄膜生产效率，能够满足多层复杂非规整膜系厚度监测制备要求。
(4)本发明方法遵循阻蒸源制备高折射率级别膜层、中折射率级别膜层，电子枪蒸发源制备低折射率级别膜层的制备原则，在复合薄膜的制备时通过同时启动或轮流启动多个蒸发源进行工作，可以镀制多层复杂、多层周期性的复合光学薄膜。
下面通过具体实施方式及附图对本发明作进一步详细说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1是本发明实施例中基于多源共蒸技术的薄膜监测制备装置结构示意图，图中各标号表示：1为真空室，2为工件盘，3为光学膜厚监测系统，4为离子源，5.1a为阻蒸源，5.1b为阻蒸源，5.2为电子枪蒸发源，6为挡板，7.1为控制面板，7.2为终端电脑，8为真空计，9为加热器，10为温度检测器。
图2是本发明实施例的光学膜厚监测系统结构示意图。
图3是本发明实施例的激光分束探测示意图。
具体实施方式
实施例
本例提供的一种基于多源共蒸技术的薄膜监测制备装置，如图1所示，该装置包括真空室1、工件盘2、光学膜厚监测系统3、离子源4、蒸发源(包括阻蒸源5.1a、阻蒸源5.1b和电子枪蒸发源5.2)、挡板6、控制中心(包括控制面板7.1与终端电脑7.2)，还包括真空计8、加热器9、温度检测器10。
工件盘2固定于真空室1的顶部，且工件盘2可沿其中心旋转；工件盘2用于加载基片。
离子源4设置于真空室1的底部，且离子源4的中心与工件盘2的中心位于同一直线上。
蒸发源包括两个阻蒸源(阻蒸源5.1a、阻蒸源5.1b)和一个电子枪蒸发源5.2；蒸发源均设置于真空室1的底部，且等间距设置于离子源4的四周；蒸发源均配有挡板6。
光学膜厚监测系统3包括激光器、调制器、分光器、光电探测器，如图2和图3所示，由激光器产生激光，经调制器调制为一定光强的激光光源，再经过分光器分成若干束子光束，子光束入射到光学薄膜表面，并穿过基片射出，最后用光电探测器对各个出射子光束进行检测。在制备薄膜时，光学膜厚监测系统3通过分光器将调制出的激光分光并沿工件盘2的一条直径方向进行投射，结合工件盘2的旋转，光学膜厚监测系统3实时监测工件盘2上任一位置所加载的基片上薄膜的光学厚度，并反馈给控制中心。
控制中心用于薄膜制备参数的输入以及薄膜制备过程的控制。
加热器9用于对基片进行加热，温度检测器10用于基片的温度检测。
本例在制备薄膜时，光学膜厚监测系统3通过分光器将调制出的激光分光并沿工件盘2的一条直径方向进行投射，所投射的光束不随工件盘2的旋转而旋转。(即：在制备薄膜时，工件盘2旋转，而光束不转动。)
另外，本例还提供了一种基于多源共蒸技术的薄膜监测制备方法，该方法是采用上述基于多源共蒸技术的薄膜监测制备装置(如图1所示)进行多层光学薄膜的监测制备，具体包括步骤：
S1、对基片进行预处理，并将基片加载于工件盘2上；
S2、对多层光学薄膜进行设计，包括设计膜层的数量、每一膜层的厚度、每一膜层的折射率；多层光学薄膜包括两个以上膜层结构；
S3、依据所设计的多层光学薄膜选择膜料，并将所选择的膜料分别加入阻蒸源5.1a、阻蒸源5.1b和电子枪蒸发源5.2中，且遵循阻蒸源制备高折射率级别膜层、中折射率级别膜层，电子枪蒸发源制备低折射率级别膜层的制备原则；
S4、依据多层光学薄膜的设计，在控制中心输入参数，包括各膜层的制备顺序、每一膜层的厚度、工件盘2的旋转速度、基片的温度；
S5、将真空室1抽至高真空状态；
S6、通过离子源4对工件盘2上所加载的基片进行物理干法清洗；
S7、依据所设计的多层光学薄膜对其各膜层进行制备；在制备过程中，光学膜厚监测系统3通过分光器将调制出的激光分光并沿工件盘2的一条直径方向进行投射，结合工件盘2的旋转，光学膜厚监测系统3实时监测工件盘2上任一位置所加载的基片上薄膜的光学厚度，当光学膜厚监测系统3监测到任一膜层的厚度达到预先输入的膜层厚度时，自动关闭对应的蒸发源及与该蒸发源相匹配的挡板6；若该膜层不是最终膜层，则自动打开与制备下一膜层对应的蒸发源及与该蒸发源相匹配的挡板6，进入下一膜层的制备；若该膜层是最终膜层，则所设计的多层光学薄膜制备完成；在各膜层的制备过程中，所述离子源4均处于工作状态。
与制备任一膜层对应的蒸发源可以是一个，也可以是多个。(即：对于多层光学薄膜中任一膜层的制备可以是由单独的一个蒸发源工作来完成，也可以是同时由多个蒸发源共同工作来完成。)
在制备过程中，工件盘2的旋转速度是固定不变的。
例如：采用本例基于多源共蒸技术的薄膜监测制备方法通过控制中心对真空镀膜系统中的基片温度、膜厚、工件盘旋转速度、真空度等实验条件进行精确设置，并自动控制制备多层光学薄膜H-M-L，即第一层制备H(高折射率)级别膜层，第二层制备M(中折射率)级别膜层，第三层制备L(低折射率)级别膜层。遵循阻蒸源制备H(高折射率)级别膜层、M(中折射率)级别膜层，电子枪蒸发源制备L(低折射率)级别膜层的制备原则，将依据所设计的多层光学薄膜选择制备H、M、L级别膜层的膜料(靶材)分别安装到阻蒸源5.1a、阻蒸源5.1b、电子枪蒸发源5.2中。制备过程大致如下：
首先，制备第一层制备H级别膜层，此时自动打开阻蒸源5.1a及与阻蒸源5.1a相匹配的挡板6，并且阻蒸源5.1b与电子枪蒸发源5.2以及与它们相匹配的挡板6均处于关闭状态；当光学膜厚监测系统3监测到该膜层的厚度达到预先输入的膜层厚度时，自动关闭阻蒸源5.1a及与阻蒸源5.1a相匹配的挡板6；
随后，自动打开阻蒸源5.1b及与阻蒸源5.1b相匹配的挡板6，在所制备的第一层H级别膜层的表面继续制备第二层M级别膜层；当光学膜厚监测系统3监测到该膜层的厚度达到预先输入的膜层厚度时，自动关闭阻蒸源5.1b及与阻蒸源5.1b相匹配的挡板6。
接着，自动打开电子枪蒸发源5.2及与电子枪蒸发源5.2相匹配的挡板6，在所制备的第二层M级别膜层的表面继续制备第三层L级别膜层；当光学膜厚监测系统3监测到该膜层的厚度达到预先输入的膜层厚度时，自动关闭电子枪蒸发源5.2及与电子枪蒸发源5.2相匹配的挡板6，多层光学薄膜H-M-L制备完成。
在多层光学薄膜H-M-L的各膜层制备过程中，离子源4均处于工作状态，辅助H、M及L级别膜层的高效镀制；另外，工件盘2全程保持匀速旋转，辅助H、M及L膜层的均匀镀制。
以上实施例仅表达了本发明的部分具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于多源共蒸技术的薄膜监测制备装置，其特征在于：所述装置包括真空室、工件盘、光学膜厚监测系统、蒸发源、离子源、挡板、控制中心；
所述工件盘固定于所述真空室的顶部，且所述工件盘可沿其中心旋转；所述工件盘用于加载基片；
所述离子源设置于所述真空室的底部，且所述离子源的中心与所述工件盘的中心位于同一直线上；
所述蒸发源至少包括两个阻蒸源和一个电子枪蒸发源；所述蒸发源均设置于所述真空室的底部，且等间距设置于所述离子源的四周；所述蒸发源均配有所述挡板；
所述光学膜厚监测系统包括激光器、调制器、分光器、光电探测器；在制备薄膜时，所述光学膜厚监测系统通过所述分光器将调制出的激光分光并沿所述工件盘的一条直径方向进行投射，结合所述工件盘的旋转，所述光学膜厚监测系统实时监测所述工件盘上任一位置所加载的上薄膜的光学厚度，并反馈给所述控制中心；
所述控制中心用于薄膜制备参数的输入以及薄膜制备过程的控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于多源共蒸技术的薄膜监测制备装置，其特征在于：所述蒸发源由两个阻蒸源和一个电子枪蒸发源组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于多源共蒸技术的薄膜监测制备装置，其特征在于：在制备薄膜时，所述光学膜厚监测系统通过所述分光器将调制出的激光分光并沿所述工件盘的一条直径方向进行投射，所投射的光束不随所述工件盘的旋转而旋转。
4.根据权利要求1所述的一种基于多源共蒸技术的薄膜监测制备装置，其特征在于：所述装置还包括加热器和温度检测器，所述加热器用于对基片进行加热，所述温度检测器用于基片的温度检测。
5.一种基于多源共蒸技术的薄膜监测制备方法，其特征在于：所述方法是采用权利要求 1-4任一所述装置进行多层光学薄膜的监测制备，具体包括步骤：
S1、对基片进行预处理，并将基片加载于所述工件盘上；
S2、对多层光学薄膜进行设计，包括设计膜层的数量、每一膜层的厚度、每一膜层的折射率；所述多层光学薄膜包括两个以上膜层结构；
S3、依据所设计的多层光学薄膜选择膜料，并将所选择的膜料分别加入所述阻蒸源和所述电子枪蒸发源中，且遵循阻蒸源制备高折射率级别膜层、中折射率级别膜层，电子枪蒸发源制备低折射率级别膜层的制备原则；
S4、依据多层光学薄膜的设计，在所述控制中心输入参数，包括各膜层的制备顺序、每一膜层的厚度、所述工件盘的旋转速度、基片的温度；
S5、将所述真空室抽至高真空状态；
S6、通过所述离子源对所述工件盘上所加载的基片进行物理干法清洗；
S7、依据所设计的多层光学薄膜对其各膜层进行制备；在制备过程中，所述光学膜厚监测系统通过所述分光器将调制出的激光分光并沿所述工件盘的一条直径方向进行投射，结合所述工件盘的旋转，所述光学膜厚监测系统实时监测所述工件盘上任一位置所加载的基片上薄膜的光学厚度，当所述光学膜厚监测系统监测到任一膜层的厚度达到预先输入的膜层厚度时，自动关闭对应的蒸发源及与该蒸发源相匹配的挡板；若该膜层不是最终膜层，则自动打开与制备下一膜层对应的蒸发源及与该蒸发源相匹配的挡板，进入下一膜层的制备；若该膜层是最终膜层，则所设计的多层光学薄膜制备完成；在各膜层的制备过程中，所述离子源均处于工作状态。
6.根据权利要求5所述的一种基于多源共蒸技术的薄膜监测制备方法，其特征在于：与制备任一膜层对应的蒸发源可以是一个，也可以是多个。
7.根据权利要求5所述的一种基于多源共蒸技术的薄膜监测制备方法，其特征在于：在制备过程中，所述工件盘的旋转速度是固定不变的。
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