一种磁控溅射镀光学膜膜厚监控方法

摘要

本发明涉及一种磁控溅射镀光学膜膜厚监控方法，该方法包括如下步骤：①设计一种特定膜系，该膜系主要用于对磁控溅射镀膜沉积速率的监控；②在一定工艺条件下，利用磁控溅射沉积该特定膜系，通过镀膜过程中监控镀膜沉积速率，或镀膜完成后测试、计算该沉积速率；③采用与②相同工艺条件，将②中的沉积速率换算后采用时间或圈数监控膜厚，实现最终膜系的制备。本发明的制作方法利用光学方法监控沉积速率，时间、圈数或类似方法监控膜层厚度，可摆脱光学监控对光源波长、单层光谱变化值等限制。

说明书

技术领域

    本发明涉及一种磁控溅射膜厚控制方法，适用于磁控溅射镀制光学膜领域，特别适用于光学监控受限的镀膜领域。

背景技术

镀膜技术是最初起源于20世纪30年代，直到70年代后期才得到较大发展的一种技术。为了改变光学零件表面光学特性而镀在光学零件表面上的一层或多层膜叫光学薄膜，为了满足特定光学效果，通常需要在基片上真空镀制几十层乃至上百层一定厚度的光学薄膜，并且需要严格控制膜层的厚度。目前光学镀膜方法主要为蒸发、磁控溅射、离子镀等。其中磁控溅射技术的特点是沉积速率稳定，镀膜应力小，可重复性好。

光学膜层厚度监控方法分为质量监控法、光学监控法、电学监控法、其他监控法几大类。光学监控法中常用的方法包括目视法、极值法、波长调制法、定值法等。目视法是通过人眼观察薄膜干涉颜色的变化来控制介质膜的厚度，此方法适合镀制简单膜层，不适合制备高精度膜层结构。极值法是利用膜层沉积过程中反射率或透射率随膜层厚度变化的规律，通过光电膜厚监控仪检测反射透射光谱出现的极值的方法。波长调制法是针对极值法的局限性而提出的一种解决方法，其原理是将监控中的反射率或透射率对波长进行微分从而使得对波长不灵敏的反射率或透射率极值点变为具有较高的灵敏度，但薄膜折射率色散对该方法影响较大。定值法是通过比较实际位相是否达到理论位相来确定结束点位置。然后无论是极值法、定值法还是波长调制法都有其局限性：对于透过率（或反射率）变化不明显的层数无法监控，对于透过率（或发射率）太小的层数无法监控，对于特定波长的限制等等。

发明内容

    本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种新的磁控溅射镀制光学膜层的膜厚监控方法。本发明采用光学方法校订沉积速率，生产过程采用时间、圈数或类似方法监控膜厚，摆脱了光学监控对于波长、透过率（或反射率）的一些限制。

为了达到上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：

一种磁控溅射镀光学膜膜厚监控方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

① 设计一种预定膜系，该预定膜系主要用于对磁控溅射镀膜沉积速率的监控；

② 开启该磁控溅射设备，通过反复调试磁控溅射设备的工艺参数，利用磁控溅射沉积该预定膜系，并利用自带的光学监控模块测定镀膜过程中的沉积速率；或者在镀膜完成后测试、计算镀膜过程中的沉积速率，一种情况是直接测膜厚，或者一种情况是通过光学透过率计算膜厚，利用膜厚除以沉积时间或圈数即为计算出的沉积速率；

③ 采用与步骤②相同的工艺参数，将步骤②中的沉积速率换算成为易于直观看出的包括时间和圈数在内的参数；

④ 采用步骤③获得的包括时间和圈数在内的参数来进行后续磁控溅射镀膜中膜厚的监控，实现最终膜系的制备。

在上述磁控溅射镀光学膜膜厚监控方法中，所述步骤①中预定膜系可以是单层膜系，也可以是多层膜系。

在上述磁控溅射镀光学膜膜厚监控方法中，更进一步，当该预定膜系为单层膜系时，沉积速率的校准可以是镀膜过程中采用光学监控模块监控所得，也可以是镀膜后测试包括透过率在内的光学性能并进行软件拟合或测试厚度计算所得；当该膜系为多层膜系时，沉积速率的校准可以是镀膜过程中采用光学监控模块监控，也可以每镀一层膜后，出炉测试膜层光学性能进行软件拟合或测试厚度计算所得。

在上述磁控溅射镀光学膜膜厚监控方法中，所述步骤③中的工艺参数必须与步骤②中工艺参数条件相同，该工艺参数包括有气压、气体流量，温度、功率、溅射方式和靶磁场。

在上述磁控溅射镀光学膜膜厚监控方法中，所述步骤③中沉积速率换算成时间和圈数的方法是：

膜厚/沉积时间（圈数）=沉积速率。

基于上述技术方案，本发明的膜厚监控方法较现有技术的方法具有如下技术优点：

1.本发明的膜厚监控方法实现的监控精度高，可满足一般分光膜、高反射膜、减反射膜、截止膜的制备精度要求。

2.本发明的膜厚监控方法可以摆脱光学监控对光源波长、单层光谱变化值等限制，应用广泛。

 

附图说明

图1是本发明一种长波通膜系设计光谱效果图。其在1550nm波段高透射，其他波段截止。

图2是本发明一种长波通采用1550nm波长光监控厚膜效果图，其横坐标为物理厚度，纵坐标为透过率。

图3是本发明一种长波通采用1310nm波长光监控厚膜效果图，其横坐标为物理厚度，纵坐标为透过率。

图 4是本发明一种长波通镀膜后实际测试曲线图。

图 5本发明一种蓝色膜系设计采用600nm波长光监控厚膜效果图，其横坐标为物理厚度，纵坐标为透过率。

具体实施方式

下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明的厚膜监控方法做进一步的详细阐述，以求更为清楚明了地描述本发明的工艺和结果，但不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1：

在通信波段中人们往往使用1310nm、1490nm和1550nm的光，在终端往往需要对这些波段的光进行分光，如将1550nm的光透射进入探测系统，而1310nm、1490nm反射进入其他系统，为此我们设计了一种膜系，采用两种材料共97层，物理厚度为22微米，其光谱效果如图1所示。     

制备该膜系对于监控精度有一定要求：如采用晶控，其精度不能满足要求，而且其膜厚较厚，单个晶振片寿命也不能满足监控要求；采用光学监控，也有其局限性。

采用1550nm波长光源监控，膜系后面十几层透过率在36%~100%，如图2所示，满足探测器要求。但若采用1310nm波长的光源监控，膜系后面十几层透过率远远低于1%，如图3所示，无法采用光学监控。这样，此膜系无法用1310nm的光源实现镀膜。同样的情况在光学镀膜中很常见，膜系对于波长有一定要求。

首先设计一种预定膜系，这里预定膜系不做特殊规定，适合镀膜机光学监控系统监控即可，该膜系的目的在于对沉积速率的校准，我们采用膜系2.5H/2H/2H/2L/2L/2L……

将此预定膜系输入磁控溅射镀膜设备并采用光学监控模块进行镀膜监控，所述的光学监控模块为美国SciVac公司的monitor软件。监控波长可以是1310nm,也可以是任何其他波长，我们采用1310波长监控。镀膜完成后，计算在该工艺条件下镀膜的沉积速率。

将上一步中的沉积速率换算成理想膜系每一层镀膜所需时间或圈数，将其输入计算机并采用上述相同的工艺条件镀膜，最终产品光谱曲线见图4所示。

这样采用任意波段的光源对沉积速率进行校准，就可以制备该膜系结构的产品。同样的方式还可以运用到任意波段的反射膜、其他波段的截止膜等产品中去，特别是某些不能用光学系统监控的膜系，该方法的优势尤其明显。

实施例2：

在手机平板领域，有一些颜色膜是通过光学镀膜实现的。实验设计一种蓝色膜系0.7373H/0.3268L/0.8188H/0.7618L。若采用光学600nm波长监控，如图5所示，其第二层光谱变化值较小，监控误差会很大，因此不适合光控。

为实现该膜系的磁控溅射镀膜制备，首先我们设计一个预定膜系-200圈H/200圈L（这里圈数为任意值，能够满足后续测试即可）。在玻璃基底上先镀制200圈H后，通过分光光度计测试其光谱值并利用光学软件拟合H材料的厚度；在此基础上，我们再镀制200圈L在该膜层上并通过测试拟合得L材料的厚度。这里光学软件为Macleod或TFC软件都可以。将拟合得到的厚度除以200圈即得膜层沉积速率。

最后，将上一步中的沉积速率换算成理想膜系每一层镀膜所需时间、圈数或类似参数，输入计算机并采用上述相同的工艺条件镀膜。

    本发明采用光学方法校订沉积速率，生产过程采用时间、圈数或类似方法来监控膜厚，从而摆脱了光学监控对于波长、透过率（或反射率）的一些限制。