CN113881926B - 一种提升光学薄膜沉积精度的方法 - Google Patents

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Abstract

一种提升光学薄膜沉积精度的方法，包括以下步骤：1)选取敏感度最低的膜层结构进行制备；2)镀膜；3)通过光性反演技术得到膜层结构在实际制备过程中存在的偏差；4)考虑膜层制备偏差后，重新修改设计膜层厚度，并进行第二次镀膜；5)制备得到光性曲线与设计光性高度吻合的薄膜。本发明通过选择低敏感度膜层结构、光性反演、厚度误差修正，提高光学薄膜在制备过程中的准确性和稳定性，得到沉积精度更高的光学薄膜元件。

Description

一种提升光学薄膜沉积精度的方法
技术领域
本发明属于光学薄膜领域，尤其涉及到高精密光学薄膜的沉积技术，具体是一种提升光学薄膜沉积精度的方法。
背景技术
在使用膜系设计软件设计光学薄膜的时候，通常都是考虑的最完美的情况，但是在实际应用中，制备的光学薄膜往往会因为各种各样的偏差而导致光学性能的偏离。对于单层膜和一些简单的多层膜，镀膜工程师们可以在多次无方向性的试镀过程中找到规律，做出定性的判断，并从工艺手段上，对薄膜的沉积过程做出一些改进。但是这种方法异常繁琐，且效率极低。
发明内容
本发明的目的是解决精密光学薄膜制备过程中存在较大厚度偏差的问题，提出一种提升光学薄膜沉积精度的方法。利用光性反演计算方法，修正膜层厚度在制备过程中存在的误差，提高光学薄膜在制备过程中的准确性和稳定性，得到沉积精度更高的光学薄膜元件。
本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下：
一种提升光学薄膜沉积精度的方法，包括如下步骤：
1)设计光学薄膜，并选择低敏感度膜层：
根据目标光性S0(λi)得到多组设计结果，设第m组光性为[S1(λi)]m的各膜层物理厚度[pn]m，n为膜层数，则考虑各膜层物理厚度[pn]m偏差后的光性变为[S2(λi)]m；计算光性[S2(λi)]m的期望值Exp和期望值Exp相对应的68.2689％概率走廊Exp(±D)，选择Exp(+D)与Exp(-D)差值最小的一组，设该组的光性为S1(λi)，各膜层物理厚度pn；
2)镀膜：
将基底和靶材放入真空室，抽真空，烘烤基底，并进行镀膜，制备得到各膜层物理厚度pn的光学薄膜N；
3)膜层厚度反演：
设光学薄膜N的测试光性S3(λi)，在S1(λi)的基础上，将S3(λi)作为优化目标，在膜层数不变的前提下优化各膜层厚度，得到误差函数DF最小的设计结果，其各膜层物理厚度为qn，n为膜层数；
4)修正设计膜层厚度：
实际制备的膜层厚度与设计膜层厚度的差值等效于pn-qn，修正设计各膜层物理厚度为2×pn-qn，并进行第二次镀膜；
5)制备得到光性与目标光性S0吻合的薄膜。
所述步骤1中各膜层物理厚度[pn]m的偏差为相对物理厚度偏差2％和绝对物理厚度偏差2nm。
所述步骤1中的期望值Exp计算公式为：
Figure BDA0003277886410000021
其中
Figure BDA0003277886410000022
为波长λi处光性为S2(λi)对应的概率，k为重复次数；
所述步骤1中光性为透过率、反射率、吸收率、相位、群延迟时间、群延迟色散和/或高阶色散。
所述步骤3中的误差函数DF计算公式为:
Figure BDA0003277886410000023
其中w为权重因子，L为波长间隔；
所述的步骤3中将S3(λi)作为优化目标在膜层数不变的前提下优化各膜层厚度，具体是使用膜系设计软件TFCalc、Macleod和Optilayer中的任意一种，通过简单形优化算法对膜层厚度进行优化调整，优化过程中控制膜层数不变。
与现有技术相比，本发明技术效果如下：
1)设计阶段选择敏感度最低的膜层结构，降低制备难度；
2)制备阶段通过光性反演技术，修正膜层物理厚度在制备过程中存在的误差，提高光学薄膜在制备过程中的准确性和稳定性。
附图说明
图1为本发明一种提升光学薄膜沉积精度的方法示意图；
图2为本发明一种提升光学薄膜沉积精度的方法实施例一设计膜层结构；
图3为本发明一种提升光学薄膜沉积精度的方法实施例一设计光谱数学期望及概率走廊曲线；
图4为本发明一种提升光学薄膜沉积精度的方法实施例一首次制备后的光谱；
图5为本发明一种提升光学薄膜沉积精度的方法实施例一修正偏差后的设计膜层结构；
图6为本发明一种提升光学薄膜沉积精度的方法实施例一修正偏差后的测试光谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施例进行详细说明。
实施例1：以石英玻璃为基底、Ta2O5为高折射率材料、SiO2为低折射率材料制备800nm，45度p偏振高反膜。
如图2示为800nm高反膜的设计膜层结构，其光谱数学期望及对应的68.2689％概率走廊如图3所示，概率走廊与光谱数学期望偏差较小，所以该设计的膜层敏感度较低，适合制备。
本实例采用双离子束溅射镀膜技术制备，首先靶材选用金属Ta和SiO2，超声清洗石英基底，在用去离子水冲洗，烘干后放入真空腔内；抽真空，直至真空度到达2×10-6Pa；加热基底，并保持温度在120摄氏度左右；使用双离子束溅射设备在基底上镀膜，主离子源电压为1250V，使用氩气作为主离子源气体，辅助离子源电压为650V，氩气和氧气流量比为1:5，充氧量为15sccm，控制膜料分子在基底上的沉积速率约为0.2nm/s。
最后制备得到的反射镜反射光谱如图4中的虚线所示。图4中的实线为设计光谱。可以观察到设计光谱与测试光谱之间存在一定的偏差。
将测试光谱作为优化目标，反复调整各膜层的厚度，知道新的设计光谱与测试光谱达到较好的拟合度，此时误差函数DF＝14.1456。将图2所示的各膜层物理厚度减去新设计的膜层物理厚度得到各个膜层在制备过程中存在的偏差值，将图2所示的各个膜层物理厚度加上每层膜对应的偏差值，得到新的设计，如图5所示为新设计的膜层结构。图5的设计结构与图1中的设计结构相比，氧化硅层的厚度增加，说明氧化硅层在实际制备过程中的厚度小于设计值，进而导致了光谱的偏差。采用图5所示的膜层结构，重复镀膜操作，得到如图6中虚线所示的制备结果，与设计光谱基本一致。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种提升光学薄膜沉积精度的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)设计光学薄膜，并选择低敏感度膜层：
根据目标光性S0(λi)设计多组光学薄膜，设第m组光性为[S1(λi)]m的各膜层物理厚度[pn]m，n为膜层数，则考虑各膜层物理厚度[pn]m偏差后的光性变为[S2(λi)]m；计算光性[S2(λi)]m的期望值Exp和期望值Exp相对应的68.2689％概率走廊Exp(±D)，选择Exp(+D)与Exp(-D)差值最小的一组，设该组的光性为S1(λi)，各膜层物理厚度pn；
2)镀膜：
将基底和靶材放入真空室，抽真空，烘烤基底，并进行镀膜，制备得到各膜层物理厚度pn的光学薄膜N；
3)膜层厚度反演：
设光学薄膜N的测试光性S3(λi)，在S1(λi)的基础上，将S3(λi)作为优化目标，在膜层数不变的前提下优化各膜层厚度，得到误差函数DF最小的设计结果，其各膜层物理厚度为qn，n为膜层数；
4)修正设计膜层厚度：
实际制备的膜层厚度与设计膜层厚度的差值等效于pn-qn，修正设计各膜层物理厚度为2×pn-qn，并进行第二次镀膜；
5)制备得到光性与目标光性S0吻合的薄膜。
2.根据权利要求1所述的提升光学薄膜沉积精度的方法，其特征在于：所述步骤1中各膜层物理厚度[pn]m的偏差为相对物理厚度偏差2％和绝对物理厚度偏差2nm。
3.根据权利要求1所述的提升光学薄膜沉积精度的方法，其特征在于：所述步骤1中的期望值Exp计算公式为：
Figure FDA0003277886400000011
其中
Figure FDA0003277886400000012
为波长λi处光性为S2(λi)对应的概率，k为重复次数。
4.根据权利要求1所述的提升光学薄膜沉积精度的方法，其特征在于：所述步骤1中光性为透过率、反射率、吸收率、相位、群延迟时间、群延迟色散和/或高阶色散。
5.根据权利要求1所述的提升光学薄膜沉积精度的方法，其特征在于：所述步骤3中的误差函数DF计算公式为:
Figure FDA0003277886400000021
其中w为权重因子，L为波长间隔。
6.根据权利要求1所述的提升光学薄膜沉积精度的方法，其特征在于：所述的步骤3中将S3(λi)作为优化目标在膜层数不变的前提下优化各膜层厚度，具体是使用膜系设计软件TFCalc、Macleod和Optilayer中的任意一种，通过简单形优化算法对膜层厚度进行优化调整，优化过程中控制膜层数不变。
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