单一蒸发源膜厚分布的均匀性

2020-01-10

光学薄膜厚度的均匀性是薄膜制备的一项重要指标,它影响着光学元件的光谱特性,并决定着能达到要求的实际有效镀膜面积。同时,它也是衡量镀膜装置性能的一项重要指标。膜厚均匀性是指在基片不同位置或随着基片位置的改变,所沉积的膜厚的变化情况。对于高精度、高性能的光学系统,或大口径的光学元件和批量生产的光学元件,膜厚的均匀分布至关重要。

 

影响膜厚均匀性分布的因素有很多,例如,镀膜系统的几何配置、夹具的形状、基片的运动方式、蒸发源的蒸发特性、镀膜工艺等。镀膜元件对膜厚均匀性精度要求苛刻,只通过优化上述几个因素并不能满足要求,此时,需要添加修正板对膜厚分布进行严格校正,这也是真空镀膜中改善膜厚分布均匀性的一种重要方法。

 

在以往的理论研究和实际生产中,当涉及到改善均匀性分布时,通常会将修正板置于蒸发源的正上方。在大多数情况下,光学介质薄膜由交替沉积的高、低折射率膜料组成,而高、低折射率膜料的蒸发特性不同,很难用一块修正板同时改善两种膜料的厚度均匀性。此时,通常采用双蒸发源、双修正板并将修正板置于对应膜料正上方的方法,以改善多层膜的膜厚分布。但在实际应用中,考虑到成本和效率等因素,也存在数量较多的单一蒸发源配置的真空镀膜设备,本文基于非余弦膜厚分布理论对膜厚分布进行了研究,分析了修正板位置对均匀性的影响,提出采用单一蒸发源镀制单层钛酸镧、氟化镁薄膜验证这一方法。

                              1.jpg                                             

在常规可见光波段,增透膜是最常用的一种薄膜,通常采用交替蒸发钛酸镧、氟化镁膜料进行制备。如果采用单一蒸发源同时蒸发这两种膜料,单一修正板就无法保证组合光谱的均匀性。因此,对于使用两种材料交替镀制的光学薄膜, 需要考虑双修正板修正组合的光谱均匀性。在理想情况下,一种膜料对应一种修正板,可以最大程度地保证均匀性。即镀制钛酸镧膜层时用一个修正板,镀制氟化镁膜层时用另外一个修正板。在镀膜过程中,可以通过控制修正板的升降来选择对应的修正板。由此可知,关键在于寻找到合适的修正板放置位置。传统的做法是将修正板放置于蒸发源的正上方。从图中可以看出,在蒸发源正上方的曲线密集度较小,这意味着此处是膜厚梯度变化最敏感的区域,膜厚分布对修正板的仰角变化、蒸发源的位置 变化、蒸发源蒸镀特性的变化很敏。这表明在修正膜厚时,在相同的遮挡角度条件下,沿球面夹具分布的方向所遮挡的膜厚最接近,修正板的修剪效率也会得到提升。可以预测,对于任意膜料,膜厚分布都存在这样两个角度,这也应为修正板放置的位置。

 

针对单源蒸发条件下旋转球面夹具的膜厚均匀性进行了理论计算。利用极坐标法对膜厚分布进行简化表征,对修正板放置位置进行分析。对于给定的膜料,存在两个对称的极角,在这两个方向上放置修正板时,修正板更容易修剪,且膜厚分布对形状、尺寸以及蒸发源光斑移动不敏感。