CN113584448B - 一种光学滤光片镀膜方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学滤光片镀膜方法，采用双面磁控溅射镀膜设备，在镀膜支架上沿周向安装多个基片，在镀膜支架上方和下方分别设置上靶材和下靶材，在上靶材与镀膜支架之间和下靶材与镀膜支架之间均设置膜厚补偿结构以对上靶材和下靶材部分遮挡，旋转镀膜支架，利用上靶材和下靶材在基片两面同时进行镀膜，得到光学滤光片。本发明实现基片两面同时镀膜，同时，可满足批量加工，实现大口径基片整面分光的一致性。

Description

一种光学滤光片镀膜方法
技术领域
本发明涉及滤光片制备技术领域，具体为一种光学滤光片镀膜方法。
背景技术
滤光片也叫干涉滤光片，其主要利用光的干涉原理获得光谱的透射效果，其是采用真空镀膜机把不同折射率的薄膜沉积到光学基片表面得到，进而实现不同的光学效果。
滤光片的应用范围很广，主要应用于相机、安防、医疗仪器、机器视觉、识别、光学仪器等等。
目前光学领域的滤光片主要加工方式是PVD镀膜，其基片两面薄膜结构通常为：一面为增透膜，另一面由高折射率层和低折射率层交替构成周期性结构膜堆。通过两面光学特性实现特定光谱光通过。但是此方法存在一定的缺陷，在镀膜过程中，两面加工分开进行，耗时较长，过程搬运动作多，基片表面受灰尘等异物影响导致外观易出现NG现象。
目前行业内也出现了基片双面镀膜的方式，例如采用“圆柱分割”，基片放置在圆柱体中心处，膜料位于两个半圆柱处，来实现双面同时镀膜，但其每炉次加工量少，且镀膜过程中，基片整面光学分光均匀性不理想，无法有效实现大口径镜片分光一致性。
因此，如何进行批量加工，且针对基片大小口径分光均满足成为本领域发展研究的方向。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种光学滤光片镀膜方法，实现基片两面同时镀膜，同时，可满足批量加工，实现大口径基片整面分光的一致性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种光学滤光片镀膜方法，采用双面磁控溅射镀膜设备，在镀膜支架上沿周向安装多个基片，在镀膜支架上方和下方分别设置上靶材和下靶材，在上靶材与镀膜支架之间和下靶材与镀膜支架之间均设置膜厚补偿结构以对上靶材和下靶材部分遮挡，旋转镀膜支架，利用上靶材和下靶材在基片两面同时进行镀膜，得到光学滤光片。
优选的，基片两面所镀膜的膜厚差值小于100nm。
优选的，基片为超薄基片，基片两面所镀膜的膜厚差值小于100nm。
进一步的，基片厚度在0.2mm以下。
优选的，自镀膜支架中心至外围的方向上，膜厚补偿结构对上靶材和下靶材的遮挡面积逐渐减小。
优选的，镀膜时，两面均采用高折射率材料靶材和低折射率材料靶材交替进行溅射，高折射率材料靶材溅射时的功率小于低折射率材料靶材溅射时的功率。
进一步的，高折射率材料靶材采用单靶模式进行溅射，低折射率材料靶材采用双靶模式进行溅射。
优选的，镀膜前，对靶材进行表面处理：采用遮挡板对基片进行遮挡保护，按照设定的镀膜工艺进行溅射操作。
优选的，基片在使用前采用超声波清洗处理。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用双面磁控溅射镀膜方法，来实现基片两面同时镀膜，相比两面单独镀膜工艺，本发明利用一次性成膜工艺使镀膜加工时间减少了一半，在提高镀膜效率的同时，减少加工过程动作、环境的影响，减少基片表面外观缺陷。同时，本发明对多个基片同时镀膜，可满足批量加工，进一步提高加工效率。本发明还在靶材与镀膜支架之间设置膜厚补偿结构，从而可以避免由于镀膜支架旋转时基片内侧速度小、基片外侧速度大而引起的镀膜膜厚不同，对基片内外围膜厚进行补偿，使基片表面膜厚一致，实现大口径基片整面分光的一致性。
进一步的，现有技术的PVD镀膜方法对于超薄基片，比如0.2mm以下的基片镀膜后基片弯曲严重，影响后续切割等工序作业。针对超薄基片，本发明通过优化两面薄膜厚度，消除基片弯曲影响，可有效改善了基片的弯曲问题。
进一步的，现有双面磁控溅射镀膜设备对于高低折射率靶材均设置为双靶材，但是双靶材同时镀膜时基片表面易产生发雾异常，在本发明中，经过多重验证，高折射率靶材采用单靶模式进行作业，可有效改善此现象。
进一步的，镀膜前对靶材进行表面处理，可有效提高靶材表面质量，满足正式镀膜时的稳定性，避免加工过程异常。
附图说明
图1为滤光片结构；
图2为本发明实施例A面低波通设计光谱；
图3为本发明实施例B面低波通设计光谱；
图4为本发明实施例双面镀膜设计光谱；
图5为磁控溅射机腔体结构；
图6为镀膜靶材及Mask装置；
图7为本发明实施例完成镀膜的基片分光光谱；
图8为本发明实施例完成镀膜的基片外观。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
光学滤光片是采用干涉原理和薄膜技术，由高折射率层和低折射率层交替构成周期性结构，来实现特定光谱范围的光通过。
本发明所述的光学滤光片镀膜方法，具体包括：
步骤1，将基片经过超声波清洗处理，使基片表面满足镀膜前外观要求；
步骤2，使用双面磁控溅射镀膜方式在基片的两面同时进行镀膜，即通过上下靶材同时作用在基片的两面同时形成膜层，完成镀膜。
具体实施中，以图5来进行说明：双面磁控溅射镀膜设备分三部分，A腔室为放片室，B腔室为传送室，C腔室为镀膜室，加工时，基片放置在A腔室，经过B腔室的传送，进入C腔室里面并置于镀膜支架上，C腔室内的镀膜支架为水平装置，基片水平摆放，镀膜支架上沿周向设置多个基片安装槽，加工时镀膜支架上可以沿周向同时摆放多个基片，C腔室上下层分别有上靶材、下靶材，通过控制功率、充气量来实现基片两面同时镀膜。加工时，镀膜支架旋转，使多个基片同时完成镀膜。
步骤2中，通过Mask装置(镀膜补偿结构，如图6)来补偿基片内外围位置的膜层厚度，在靶材与镀膜支架之间设置镀膜补偿结构，镀膜补偿结构包括多个并排设置的细杆，细杆与其所处位置和镀膜支架中心之间的连线垂直，自镀膜支架中心至外围的方向上细杆长度逐渐缩短，以使膜厚补偿结构对上靶材和下靶材的遮挡面积逐渐减小，从而可以避免由于镀膜支架旋转时基片内侧速度小、基片外侧速度大而引起的镀膜膜厚不同，对基片内外围膜厚进行补偿，使基片表面膜厚一致。镀膜补偿结构中细杆长度可以微调，镀膜时，细杆外露长度越大，对靶材遮挡越多则对应位置的基片表面膜层厚度越小，外露长度越短，则对应位置的基片表面膜层厚度越大。
加工过程中，调整细杆长短，进而影响基片对应处膜层厚度，使该处的分光接近其他处，实现基片整面分光的一致性。
步骤2中，镀膜时，采用高低折射率材料交替进行，高低折射率材料相对而言，高折射率材料蒸发速率设定偏小，即其靶材功率较小，如4KW；低折射率材料蒸发速率设定偏大，即其靶材功率较大，如8KW；
步骤2中，双面磁控溅射镀膜设备对于高低折射率靶材均设置为双靶材，但是双靶材同时镀膜时基片表面易产生发雾异常，在本发明中，经过多重验证，高折射率靶材采用单靶模式进行作业，可有效改善此现象。
步骤2中，镀膜前，需对靶材进行表面处理，先将遮挡板搬运至C腔室中的镀膜位置，在按照设定镀膜工艺进行镀膜操作，即镀膜时膜层只附着在遮挡板上，此动作可有效提高靶材表面质量，满足正式镀膜时的稳定性，避免加工过程异常。
步骤2中，基片两面所镀膜的膜厚差值小于100nm。
具体实施例：
1.薄膜参数的设计：
1.1滤光片的分光规格
本发明实施例滤光片的分光规格满足：在可见光区域实现高透过，在紫外和红外区域实现高截止。
薄膜参数设计过程参考下述规格(本发明包含但不局限于此规格)进行。
λ＝420nm-600nm Tave>95％
λ＝630nm-1100nmTave<0.1％
T50％＝610±5nm
基片厚度：D＝120um
1.2薄膜参数设计
根据分光要求，选取低波通膜堆来进行薄膜的设计优化：
Sub|(0.5LH0.5L)^n|Air
其中，H代表高折射率材料，包含但不局限于Nb2O5，其折射率在2.28左右(700nm处)；L代表低折射率材料，包含但不局限于SiO2，其折射率在1.44左右(700nm处)；n代表常数，表示高折射率材料和低折射率材料的交替构成周期。
根据基片厚度，本发明采用双面(A面和B面)等膜厚低波通结构进行设计，如图1所示，抵消因单面应力过大产生的弯曲现象，整体结构如下：
根据分光要求，设计A面低波通结构为：
Sub|0.2H 0.3L 1H 0.7L(0.5LH0.5L)^10 1.35(0.5LH0.5L)^10|Air
其设计光谱如图2所示，主要满足短波处透过要求及半幅值T50％位置，同时对长波进行截止，A面整体镀膜厚度4862nm。
根据分光要求，设计B面低波通结构为：
Sub|0.2H 0.3L 1H0.7L(0.5LH0.5L)^7 1.4(0.5LH0.5L)^12|Air
其设计光谱如图3所示，主要满足短波处透过要求及对长波进行截止，B面整体镀膜厚度4920nm。
基片双面镀膜后，整体光谱如图4所示。
对比A、B两面设计数据，满足产品分光要求，同时A、B两面薄膜厚度差异在60nm，可实现双面应力抵消。
2.基片加工流程
2.1基片经过超声波清洗处理，表面满足镀膜前外观要求；
2.2使用双面磁控溅射镀膜方式在基片两面同时进行薄膜加工，双面磁控溅射机腔体结构如图5所示，基片镀膜过程位于C腔室，通过上下靶材同时作用形成膜层，完成镀膜，得到滤光片。
2.3对完成镀膜的基片使用U4150分光光度计进行分光检测，结果如图7所示，对比分光规格，满足特性要求。
2.4确认基片实际弯曲翘曲情况，翘曲量小于0.5mm，可以满足后工序，如压印、切割等的加工。
2.5对加工好的基片进行超声波清洗处理，外观满足镀膜成品要求，外观如图8所示。

Claims (5)

1.一种光学滤光片镀膜方法，其特征在于，采用双面磁控溅射镀膜设备，在镀膜支架上沿周向安装多个基片，在镀膜支架上方和下方分别设置上靶材和下靶材，在上靶材与镀膜支架之间和下靶材与镀膜支架之间均设置膜厚补偿结构以对上靶材和下靶材部分遮挡，旋转镀膜支架，利用上靶材和下靶材在基片两面同时进行镀膜，得到光学滤光片；
基片两面所镀膜的膜厚差值小于100nm；
自镀膜支架中心至外围的方向上，膜厚补偿结构对上靶材和下靶材的遮挡面积逐渐减小；
镀膜时，两面均采用高折射率材料靶材和低折射率材料靶材交替进行溅射，高折射率材料靶材溅射时的功率小于低折射率材料靶材溅射时的功率；
高折射率材料靶材采用单靶模式进行溅射，低折射率材料靶材采用双靶模式进行溅射。
2.根据权利要求1所述的光学滤光片镀膜方法，其特征在于，基片为超薄基片。
3.根据权利要求2所述的光学滤光片镀膜方法，其特征在于，基片厚度在0.2mm以下。
4.根据权利要求1所述的光学滤光片镀膜方法，其特征在于，镀膜前，对靶材进行表面处理：采用遮挡板对基片进行遮挡保护，按照设定的镀膜工艺进行溅射操作。
5.根据权利要求1所述的光学滤光片镀膜方法，其特征在于，基片在使用前采用超声波清洗处理。
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