一种光学薄膜沉积设备及方法与流程

本发明涉及光学薄膜沉积领域，特别是涉及一种光学薄膜沉积设备及方法。

背景技术：

现有技术中光学薄膜沉积通常采用电子束蒸发技术。电子束蒸发的原理：阴极灯丝发射电子束，电子束经磁场偏转后入射至膜料，对膜料局部加热，挥发的膜料分子附着在基片夹具表面，沉积成为薄膜。但是电子束蒸发技术，由于蒸发的不稳定性，所沉积膜层的厚度精度在5nm以上。因此采用电子束蒸发技术对薄膜进行沉积仅可用于对膜厚精度要求不高的器件，例如高反膜。对于高精度光学器件，该方法则难以适用。

原子层沉积是在一个加热反应器中的衬底上交替引入气相前驱体，通过交替的表面饱和反应进行自限制生长超薄薄膜的技术。一个原子层沉积周期可分为四个步骤：向基底通入第一种前驱气体，与基体表面发生吸附或反应；用惰性气体冲洗剩余气体；通入第二种前驱体反应物；第二种前驱体反应物与吸附在基体表面的第一种前驱气体发生化学反应生成涂层，或与第一前躯体和基体反应的生成物继续反应生成涂层；再次用冲洗气体将多余的气体冲走。原子层沉积每一周期沉积薄膜的厚度精度可达0.1nm，原子层沉积过程可通过控制反应周期数精确地控制薄膜的厚度。原子层沉积技术可应用于对沉积薄膜精度要求较高的光学器件的薄膜沉积。

但是原子层沉积的薄膜具有很高的应力，应力的存在不仅会导致待镀基片变形，还会造成膜层从基片脱落，从而影响薄膜沉积的效果。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明利用离子束辅助原子层沉积，通过离子束对原子层沉积薄膜的应力予以控制。

本发明的技术方案如下：

一种光学薄膜沉积设备，包括离子源、基片夹具、夹具底座、底座固件、真空室、均匀性修正挡板、气路系统、宽光谱膜厚监控系统。

进一步的，离子源位于真空室的顶部，基片夹具置于离子源下方，基片夹具放置于夹具底座上部，夹具底座置于底座固件内部，底座固件位于真空室底部，均匀性修正挡板设置于离子源与基片夹具之间；气路系统与真空室相连通，气路系统向真空室内运输气体并维持真空室内压强稳定；宽光谱膜厚监控系统与真空室连接，实时监控薄膜沉积的厚度。

进一步的，离子源可以为射频离子源、阴极离子源或其它离子源。

进一步的，基片夹具为圆盘结构，基片夹具表面设置夹具孔，夹具孔用于装夹待镀基片，基片夹具表面设置第一通孔和第二通孔，第一通孔用于装夹陪镀基片，第二通孔用于透光；夹装后的基片的上表面与基片夹具上表面齐平；基片夹具的下表面的边缘设有凸起。

进一步的，夹具孔的数量和形状根据待镀基片的数量和形状来定。

进一步的，第一通孔的尺寸依照夹具孔进行设计，使第一通孔可容纳陪镀基片。

进一步的，夹具底座可旋转，夹具底座为中间镂空的结构，镂空结构用于容纳待镀基片和陪镀基片，夹具底座壁的上表面设有凹槽，凹槽与基片夹具下表面边缘的凸起相配合，基片底座通过凹槽和基片夹具下表面的凸起相配合带动基片夹具旋转；夹具底座底面设置与基片夹具的第一通孔和第二通孔相对应的第三通孔和第四通孔。

进一步的，第三通孔和第四通孔的位置与第一通孔和第二通孔的位置对齐，四个通孔的孔径一致或相差不大。

进一步的，根据待镀基片的需求，可更换不同高度的夹具底座，也可通过在夹具底座里增加垫块来适应待镀基片的高度。

进一步的，底座固件中心部位设置有第五通孔，第五通孔用于容纳夹具底座；底座固件左肩部设置水平方向的多层进气孔，多层进气孔分别供相应气体通过；底座固件的右肩部设置有沟槽和第一抽气孔，沟槽与第一抽气孔相连通。气体从左侧多层进气孔进入，从右侧第一抽气孔流出，不遮挡离子束的路径，保证离子束照射的均匀性。

进一步的，底座固件上设置有第二凹槽可用来容纳宽光谱膜厚监控系统的零部件。

进一步的，底座固件可加热，加热温度可达400℃，可以保证原子层沉积薄膜所需温度。

进一步的，宽光谱膜厚监控系统等不耐高温的部件可通过冷却循环水系统进行保护。

进一步的，第一抽气孔位于沟槽的下部，沟槽的高度与多层进气孔的最下层的进气孔的高度相差小于50mm。

进一步的，真空室设置窗口，窗口上设置有气路通道和冷却循环水通道，气路通道与多层进气孔连通，使进入到真空室内的气体由单一通道分散为多通道；真空室上留有第二抽气孔，第二抽气孔连接真空泵，真空泵用于对真空室抽真空，第二抽气孔与第一抽气孔相连通；真空室设置加热模块,加热模块用于对真空室进行加热。

进一步的，气路系统包括阀门和气路，阀门包括流量阀和控制阀。气路包括一条第一气路和至少两条第二气路，第一气路向真空室内提供不参与原子层沉积反应的气体，使真空室内产生一定的压强，并维持真空室内压强恒定；第二气路向真空室内提供前驱体反应物和不参与原子层沉积反应的气体。第二气路包含三种气体流通方式：(1)向真空室内提供大流量不参与原子层沉积反应的气体；(2)向真空室内提供小流量不参与原子层沉积反应的气体；(3)向真空室内提供前驱体反应物，其中小流量不参与原子层沉积反应的气体和前驱体反应物交替向真空室内提供，前驱体反应物用于原子层沉积。此设计使真空室5内气体总量不变，维持真空室内压强恒定，使真空室内的压强不因充入前驱体而改变，不因切换镀膜材料而改变。

进一步的，本发明提供的气路系统可以保证两种前驱体互不干涉地流向待镀基片，以实现薄膜材料的交替吸附。

进一步的，第二气路数量视所需沉积的薄膜材料或所需使用的前躯体气体种类而定。

进一步的，不参与原子层沉积的气体可以为氩气(ar)、氮气(n2)或其他惰性气体。

进一步的，前驱体反应物可以为三甲基铝(tma)、四双甲基胺铪、h2o等，两条第二气路中前驱体反应物根据所需沉积薄膜来选择。

进一步的，宽光谱膜厚监控系统包括光源、探头和控制模块；光源设置于夹具底座下方，探头位于基片夹具上方，光源和探头竖直方向对齐，夹具底座旋转时，光源的光以一定的频率穿过第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔，被探头接收，控制模块与光源和探头连接，用于接收、观测、分析薄膜的实时厚度。宽光谱膜厚监控系统对原子层沉积的薄膜进行实时监控。

进一步的，均匀性修正挡板的形状和数量可根据离子源情况进行调整。

进一步的，均匀性修正挡板与可旋转的夹具基座相配合来提高离子束照射的均匀性，从而提高原子层沉积薄膜的均匀性。

光学薄膜沉积方法，包括以下步骤：

步骤1：开启真空泵和加热模块，使真空室保持一定的温度和真空度，将待镀基片放置于基片夹具的夹具孔内，将陪镀基片放置基片夹具的第一通孔内，使夹具底座带动基片夹具旋转，并打开宽光谱膜厚监控系统，宽光谱膜厚监控系统的光源发射出光线；

步骤2：第一气路和两条第二气路向真空室内通入，保持真空室内压强恒定；

步骤3：开启离子源，离子源产生离子束，离子束从上方射到基片的待镀面；

步骤4：两条第二气路交替向真空室内提供前驱体反应物和不参与原子层反应的气体，并保持真空室内压强稳定，前驱体反应物在所述离子束的辅助下进行原子层沉积。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明公开了一种光学薄膜沉积设备及方法，通过离子束对原子层沉积薄膜予以控制。原子层沉积薄膜会产生应力，通过离子束轰击膜层，可有效降低应力。本发明利用宽光谱厚度监控系统，对原子层沉积的薄膜进行厚度实时监控，更进一步提高沉积薄膜的精度；本发明公开的一种光学薄膜沉积设备及方法可实现高精度低应力薄膜的沉积，可满足一般光学系统等光学器件、大型激光装置对所沉积薄膜的高精度要求。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明提供的一种光学薄膜沉积设备的组装图的示意图；

图2为本发明提供的一种光学薄膜沉积设备的基片夹具示意图；

图3为本发明提供的一种光学薄膜沉积设备的夹具底座示意图；

图4为本发明提供的一种光学薄膜沉积设备的底座固件示意图；

图5为本发明提供的一种光学薄膜沉积设备的底座固件另一个视角的示意图；

图6为本发明提供的一种光学薄膜沉积设备的底座固件的主视图；

图7为本发明提供的一种光学薄膜沉积设备的底座固件的主视图沿i-i方向的剖面图；

图8为本发明提供的一种光学薄膜沉积设备的底座固件的主视图沿f-f方向的剖面图；

图9为本发明提供的一种光学薄膜沉积设备的真空室腔体的示意图；

图10为本发明提供的一种光学薄膜沉积设备的组装图的另一个视角的示意图；

图11为本发明提供的一种光学薄膜沉积设备的气路系统示意图；

其中，1-离子源、2-基片夹具、3-夹具底座、4-底座固件、5-真空室、6-均匀性修正挡板、7-夹具孔、8-第一通孔、9-第二通孔、10-凸起、11-凹槽、12-第三通孔、13-第四通孔、14-第五通孔、15-多层进气孔、16-沟槽、17-第一抽气孔、18-窗口、19-光源、20-探头、21-气路通道。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明公开的一种光学薄膜沉积设备，包括离子源1、基片夹具2、夹具底座3、底座固件4、真空室5、均匀性修正挡板6。离子源1位于真空室5的顶部，离子源1为射频离子源，基片夹具2置于离子源1下方，基片夹具2放置于夹具底座3上部，夹具底座3放置于底座固件4内部，底座固件4位于真空室底部，均匀性修正挡板6设置于离子源1与基片夹具2之间。本发明公开的一种光学薄膜沉积设备还包括气路系统和光谱膜厚监控系统(图中未视出)，气路系统向真空室内运输气体并维持真空室内压强稳定；宽光谱膜厚监控系统与真空室连接，实时监控薄膜沉积的厚度。

如图2所示，基片夹具2为圆盘结构，基片夹具2表面设置夹具孔7，夹具孔7用于装夹待镀基片；基片夹具2表面设置第一通孔8和第二通孔9，第一通孔8用于装夹陪镀基片，第二通孔9用于透光，夹装后的基片的上表面与基片夹具2上表面齐平；基片夹具2的下表面设有凸起10。其中夹具孔7的数量和形状根据待镀基片的数量和形状来定，第一通孔8的尺寸可依照夹具孔进行设计，使第一通孔8可容纳陪镀基片。

如图3所示，夹具底座3可旋转，夹具底座3为中间镂空的结构，镂空结构用于容纳待镀基片和陪镀基片，夹具底座3壁的上表面设有凹槽11，凹槽11与基片夹具2下表面边缘的凸起10起相配合，基片底座3通过凹槽11和基片夹具2下表面边缘的凸起10相配合带动基片夹具2旋转；夹具底座3底面设置与基片夹具2的第一通孔8和第二通孔9相对应的第三通孔12和第四通孔13，第三通孔12和第四通孔13用于透过光线。第三通孔12和第四通孔13的位置与第一通孔8和第二通孔9的位置对齐，四个通孔的孔径一致或相差不大。在薄膜沉积的过程中，可根据待镀基片的需求，可更换不同高度的夹具底座3，也可通过在夹具底座3里增加垫块来适应待镀基片的高度。

如图4-8所示，底座固件4中心部位设置有第五通孔14，第五通孔14用于容纳夹具底座3；底座固件4左肩部设置水平方向的多层进气孔15，多层进气孔15分别供相应气体通过；底座固件的右肩部设置有沟槽16和第一抽气孔17，沟槽16与第一抽气孔17连通，气体从左侧多层进气孔15进入，经右侧沟槽16从第一抽气孔17流出，不遮挡离子束的路径。底座固件4上留有第二凹槽(图中未视出)可用来容纳宽光谱厚度监控系统的零部件(图中未视出)。底座固件4可加热，温度可达400℃，可以保证原子层沉积薄膜所需温度。宽光谱膜厚监控系统等不耐高温的部件可通过冷却循环水系统进行保护。第一抽气孔17位于沟槽16的下部，沟槽16的高度与多层进气孔15最下层的进气孔的高度相差40mm。

如图9-10所示，真空室5设置窗口18，窗口18上设置气路通道21和冷却循环水通道(图中未视出)；气路通道21与多层进气孔15连通，使进入到真空室5内的气体由单一通道分散为多通道，多层进气孔与右肩的沟槽16相配合可保证气体均匀的流经液体表面。真空室5上留有第二抽气孔(图中未视出)，第二抽气孔连接真空泵(图中未视出)，真空泵用于对真空室5抽真空，第二抽气孔与第一抽气孔17相连通；真空室5设置加热模块(图中未视出)，加热模块用于对真空室5进行加热。

如图11所示，气路系统包括阀门和气路，阀门包括流量阀和控制阀(v0-v7、v11-v17)，控制阀可以为电磁阀或气动阀。气路包括一条第一气路和至少两条第二气路，第一气路向真空室5内提供不参与原子层沉积反应的气体，使真空室5内产生一定的压强，并维持真空室5内压强恒定；第二气路向真空室5内提供前驱体反应物和不参与原子层沉积反应的气体。第二气路包含三种气体流通方式，(1)向真空室内提供大流量不参与原子层沉积反应的气体；(2)向真空室内提供小流量不参与原子层沉积反应的气体；(3)向真空室内提供前驱体反应物，其中小流量不参与原子层沉积反应的气体和前驱体反应物交替向真空室内提供，前驱体反应物用于原子层沉积反应。此设计使真空室5内气体总量不变，维持真空室5内的压强恒定，使真空室5内的压强不因充入前驱体而改变，不因切换镀膜材料而改变。本发明公开的气路系统可以保证两种前驱体互不干涉地流向待镀基片，以实现薄膜材料的交替吸附。第二气路数量视所需沉积的薄膜材料或所需使用的前躯体产物的种类而定。作为本发明的一个实施例，不参与原子层沉积的气体为ar气,ar气源产生一定的压强，经过流量阀和各控制阀(v0-v7、v11-v17)，形成一条第一气路：ar气，ar气路通过控制阀v0控制气路的开闭；两条第二气路：h2o/ar和tma/ar。h2o/ar和tma/ar气路的工作原理一致，以h2o/ar为例，当控制阀(v1-v7)全部关闭时，无气体流出；当开启v1、v2、v3、v4、v7时，流出的是ar气；当开启v1、v2、v3、v5、v6、v7时，流出的是ar和h2o的混合气体。

如图5和图9所示，宽光谱膜厚监控系统包括光源19、探头20和控制模块(图中未视出)，光源19设置于夹具底座3下方，探头20位于基片夹具2上方，光源19和探头20竖直方向对齐，夹具底座3旋转时，光源19的光以一定的频率穿过第一通孔8、第二通孔9、第三通孔12和第四通孔13，被探头20接收，控制模块与光源19和探头20连接，用于接收、观测、分析薄膜的实时厚度。作为本发明的一个实施例，光源19固定在底座固件4上，探头20固定在均匀性修正挡板6上。基片夹具2旋转时，光源19发射的光会经过夹具底座3和基片夹具2上的通孔被探头20采集，其中第一通孔8装有陪镀样品，第二通孔9是空的，控制模块将采集到的透过第一通孔8和第二通孔9的光进行对比可得到薄膜的厚度，从而对薄膜的厚度进行实时监控。

均匀性修正挡板6的形状和数量可根据离子源1情况进行调整。均匀性修正挡板6与可旋转的夹具基座3相配合来提高离子束照射的均匀性，从而提高原子层沉积薄膜的均匀性。

本发明还提供一种光学薄膜沉积方法，下面以沉积100nm厚al2o3薄膜为例，不参与原子层沉积的气体为ar气，前驱体反应物为tma和h2o,详细介绍本发明提供的光学薄膜沉积方法：

步骤1：开启真空泵和加热模块，使真空室5保持一定的温度和真空度，使夹具底座3带动基片夹具2旋转，并打开宽光谱膜厚监控系统，开启宽光谱膜厚监控系统的光源19、探头20和控制模块；

步骤2：开启第一气路的控制阀v0，以及两条第二气路的控制阀v1、v2、v3、v4、v7，v11、v12、v13、v14、v17的阀门，向真空室5内通入ar气,保持真空室5内压强恒定；

步骤3：开启离子源1，离子源1产生离子束，离子束从上方入射到基片的待镀面；

步骤4：根据经验速率0.1nm/周期，需沉积1000个周期。每个周期控制阀的工作顺序如下：关闭v14，开启v15/v16，向真空室5内通入前驱体tma，tma与基体表面发生吸附；关闭v15/v16，停止向真空室内通入tma，开启v14，利用ar气冲洗剩余tma；关闭v4，开启v5/v6，向真空室5内通入前驱体h2o，h2o与tma发生反应生成al2o3薄膜；关闭v5/v6，停止向真空室内通入h2o，开启v4，利用ar气冲洗剩余h2o。在薄膜沉积的过程中，光源19固定在底座固件4上，探头20固定在均匀性修正挡板6上。基片夹具2旋转时，光源19发射的光会经过夹具底座3和基片夹具2上的通孔被探头20采集，其中第一通孔8装有陪镀样品，第二通孔9是空的，控制模块将采集到的透过第一通孔8和第二通孔9的光进行对比可得到薄膜的厚度，对薄膜的厚度进行实时监控。

在实际的薄膜沉积沉积过程中，由于原子层沉积在长时间范围内(几天的间隔)不能保持完全稳定，每周期沉积厚度可能发生高达5％的误差，因此需要对薄膜总厚度进行在线监控，来保证薄膜沉积厚度的准确性。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。