CN212103012U - 一种高精度低应力光学薄膜沉积装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及光学薄膜沉积领域，特别涉及一种高精度低应力光学薄膜沉积装置。本实用新型公开的一种高精度低应力原子层沉积装置，包括真空腔、基片夹具、挡板、靶材、离子源、气路***、宽光谱监控***；基片夹具、挡板、靶材在真空腔内从上至下依次设置，气路***与挡板连通向真空腔中提供气体，宽光谱监控***与所述真空腔连接实时监控薄膜沉积的厚度，实现在同一真空腔内既可进行离子束溅射沉积又可进行原子层沉积，无需跨真空腔转移基片。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学薄膜沉积领域，特别涉及一种高精度低应力光学薄膜沉积装置。
背景技术
离子束溅射沉积技术(IBS)是利用离子源产生一定能量的离子束轰击置于高真空中的靶材，使其原子溅射出来，沉积在基底成膜的过程。离子束溅射沉积技术，具有溅射所得的粒子能量较高，成膜质量好等优点。然而离子束溅射薄膜的压应力过高，极易导致基片凸起。基片凸起会导致透过光学器件的光束发生畸变，严重者会导致膜层脱落。离子束溅射可以用于小口径高精度薄膜器件的沉积，但难以用于对基片面型要求较高的场合，比如大口径光学元件。截止目前，防止离子束溅射所致基片凸起的措施非常有限。现有技术中为了克服离子束溅射薄膜的压应力过高的问题，试图在基片背面沉积相同的薄膜。但此方法技术难度大，成本高。因此研制能够实现低应力薄膜沉积的装置至关重要。
实用新型内容
为了解决上述问题，本实用新型公开了一种高精度低应力光学薄膜沉积装置，在同一真空腔内可同时进行离子束溅射沉积和原子层沉积(ALD)。
本实用新型采用如下技术方案：
本实用新型公开了一种高精度低应力光学薄膜沉积装置，包括真空腔、基片夹具、挡板、靶材、离子源、气路***、宽光谱监控***。其中基片夹具、挡板、靶材在真空腔内从上至下依次设置，气路***与挡板连通，气路***向真空腔中提供气体，宽光谱监控***与真空腔连接，宽光谱监控***实时监控薄膜沉积的厚度。
进一步的，基片夹具与真空腔活动连接，基片夹具上设置若干个第一通孔。基片夹具夹装待镀基片，第一通孔用于透过光线。
进一步的，活动连接可以为转动连接或者可上下移动的连接。
进一步的，挡板尾部与真空腔转动连接，在步进电机或铰链的控制下挡板可沿竖直方向的轴转动60°-90°，挡板转动的过程可实现对基片夹具的遮挡 (挡板不转动)和不遮挡(挡板转动)。
进一步的，挡板上表面设置气体通道和至少一个第二通孔，气体通道上设置若干个气孔。气孔用于气体流入和流出，第二通孔用于透过光线。
进一步的，气体通道形状不限，可根据实际情况进行调整；进气孔设置在气体通道尾部，进气孔与真空室外的气路***连接，连接管道可以为软管；出气孔设置在气体通道头部，挡板不转动时，挡板上表面的气体通道上的气孔正对基片的待镀面，出气孔的具***置和数量不限，可根据均匀性需求进行布局。
进一步的，离子源固定在真空腔内，离子源发射的离子束与所述靶材表面成30°-70°，使溅射离子能达到基片夹具。挡板开启时，离子源发射离子束轰击靶材使靶材上的原子溅射出来在待镀基片上进行薄膜沉积。
进一步的，气路***包括阀门和至少两条气路，阀门控制气路的闭合和气体的流速。阀门包括流量阀和控制阀。
进一步的，通过控制气路***中的阀门，使得气体以一定的规律流向基片夹具，实现原子层薄膜沉积。
进一步的，每条气路包括并联设计的第一载体气路和第一前驱体气路，第一载体气路向真空腔内提供载体，第一前躯体气路可向真空腔内提供前驱体和载体。
进一步的，前驱体可以为氩气(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，气路与挡板上的气体通道尾部上的气孔连接，气路通过气体通道上的气孔向真空腔内输送氧气。
进一步的，第一前驱体气路包括并联设计的第二前驱体气路和第二载体气路，并联设计的第二前驱体气路和第二载体气路可保证在切换载体和前驱体时，进入真空腔的总气体流量保持不变。
进一步的，宽光谱监控***包括光谱探测器、光源和控制模块，光源设置于挡板下方，光谱探测器设置于基片夹具上方，光谱探测器与光源竖直方向对齐，在薄膜沉积的过程中，光源穿过所述第一通孔和所述第二通孔，光源向所述光谱探测器发射一定频率的光，控制模块与光源和光谱探测器分别连接用于接收、观测、分析薄膜的实时厚度。
进一步的，本实用新型在薄膜沉积装置中安装宽光谱监控***，对沉积薄膜进行实时监控，使所沉积薄膜的精度更高。
进一步的，真空腔连接真空泵，真空泵用于抽出进入真空腔中的气体。
与现有技术相比，本实用新型达到如下有益效果：
本实用新型公开的一种高精度低应力光学薄膜沉积装置在同一真空腔内既可进行离子束溅射沉积又可进行原子层沉积，无需跨真空腔转移基片，大大减少操作步骤，降低低应力薄膜沉积的成本；本实用新型公开的一种高精度低应力光学薄膜沉积装置利用离子束溅射压应力和原子层沉积张应力相互补偿的特征，以实现低应力薄膜沉积。
附图说明
为了更清楚的说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例1沉积的四层增透膜光学器件的光谱图；
图2为本实用新型提供的一种高精度低应力光学薄膜沉积装置的示意图；
图3为本实用新型提供的一种高精度低应力光学薄膜沉积装置中挡板的放大图；
图4为本实用新型提供的一种高精度低应力光学薄膜沉积装置中气路***的示意图；
其中，1-真空腔、2-基片夹具、3-挡板、4-靶材、5-离子源、6-第一通孔、 7-第二通孔、8-气体通道、9-进气孔、10-出气孔、11-光源、12-光谱探测器。
具体实施方式
下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型的保护范围。
实施例1
本实施例将光学器件分别在现有的原子层沉积装置(Pantheon Mainframe CVD304,Aviza,California,USA)上沉积Al2O3膜层，在现有的离子束溅射装置上(Navigator,Cutting-Edge-Coating,Hannover,Germany)沉积SiO2薄膜，交替进行两次沉积，构成Al2O3/SiO2/Al2O3/SiO2四层增透膜(AR)光学器件。膜层厚度分别为148nm/182nm/178nm/135nm。沉积每一层的过程中都有陪镀片，将陪镀片在分光光度计上测试可得到该层薄膜的厚度；增透膜的光谱在分光光度计(PerkinElmer,Lambda 1050,MA,USA)上测试；其膜面峰-谷值(PV)在干涉仪进行测试(Zygo，Connecticut,USA)；应力由Stoney公式进行计算。测试所沉积光学器件的增透膜峰位和峰值透射率并与设计值进行比较，结果如图1所示。
可见，总体而言增透膜峰位与峰值透射率与设计良好符合，说明了两种薄膜沉积方式在精度控制方面的天然优势，本实用新型利用离子束溅射技术和原子层沉积技术交替进行薄膜沉积可实现高精度薄膜的沉积。
实施例2
本实施例将光学器件在现有的原子层沉积装置(Pantheon Mainframe CVD 304,Aviza,California,USA)上沉积Al2O3单层膜。
实施例3
本实施例将光学器件在现有的离子束溅射装置(Navigator, Cutting-Edge-Coating,Hannover,Germany)上沉积SiO2单层膜。
分别测试实施例1-3光学器件所沉积薄膜的应力和所造成的光学器件面型畸变测试结果如表1所示。
表1原子层沉积Al2O3薄膜、离子束溅射SiO2薄膜以及四层增透膜的测量数据
由表1可知，原子层沉积Al2O3单层膜的张应力高达300MPa，离子束溅射SiO2单层膜的压应力高达300MPa，而增透膜器件的应力仅38MPa，远低于单层膜的应力，可见本实用新型公开的一种高精度低应力光学薄膜沉积方法，采用离子束溅射和原子层沉积交替进行薄膜沉积可有效对薄膜沉积的应力进行控制。
本实用新型公开了一种高精度低应力光学薄膜沉积装置，如图2和图3所示，本实用新型公开了一种高精度低应力光学薄膜沉积装置包括真空腔1、基片夹具2、挡板3、靶材4、离子源5、气路***(图中未示出)和宽光谱监控***。其中基片夹具2、挡板3和靶材4在真空腔1内从上到下依次设置，基片夹具2与真空腔1旋转连接，挡板3与真空腔1转动连接。基片夹具2上设有多个第一通孔6。挡板3上设置一个第二通孔7和气体通道8，气体通道8上设有进气孔9和出气孔10。离子源5固定在真空腔1中，离子源5发射的离子束与靶材4的表面成45°角。宽光谱监控***包括光源11、光谱探测器12和控制模块(图中未视出)。在薄膜沉积的过程中，光源11发出的光以一定的频率穿过第一通孔6和第二通孔7被光谱探测器12接收，控制模块与光源11和光谱探测器12连接用于接收、观测、分析薄膜的实时厚度。
如图4所示本实用新型中公开的一种高精度低应力薄膜沉积装置中的气路***包括阀门和两条气路。其中阀门包括流量阀和控制阀(V1-V7、V11-V17)，控制阀为电磁阀。气路与挡板上设置气体通道的进气孔连通，向真空腔内提供气体。两条气路为H2O/Ar气路和H2O/TMA(三甲基铝)气路，两条气路的工作原理相同。以H2O/Ar气路为例，H2O/Ar气路包括第一载体气路和第一前驱体气路，第一载体气路上的控制阀为V1、V2、V3，第一前驱体气路上的控制阀为V1、 V4、V5、V6、V7，第一前驱体气路包括第二载气气路和第二前驱体气路，第二载体气路上的控制阀为V1、V4、V7，第二前驱体气路上的控制阀为V1、V5、 V6、V7，当控制阀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。
本实用新型公开的一种高精度低应力薄膜沉积装置在交替进行离子束溅射沉积和原子层沉积过程中的一种实施方式如下：
(1)将待镀基片装夹到基片夹具2上，使基片夹具2带动待镀基片旋转，开启宽光谱监控***中的光源11、探测器12和控制模块，将挡板3旋转90°至竖直方向，使挡板3不遮挡离子束的路径。
(2)开启离子源5，离子源5发出离子束轰击靶材4，靶材4选用Ta2O5靶材，靶材4中的原子溅射出来沉积到待镀基片表面形成Ta2O5薄膜完成离子束溅射沉积过程。
(3)将挡板3旋转至水平方向，开启气路***中的流量阀和控制阀V1、V2、 V3、V4、V7、V11、V12、V13、V14、V17向真空室内通入一定Ar气，使真空腔1内产生一定的压强，关闭控制阀V14，开启控制阀V15、V16向真空腔1内通入TMA和Ar的混合气体，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完成原子层沉积。
(4)交替进行离子束溅射与原子层沉积过程直至得到所需沉积的薄膜，在薄膜沉积的过程中采用宽光谱监控***对所沉积的薄膜进行实时监控。
综上所述，本实用新型公开的一种高精度低应力光学薄膜沉积装置在同一真空腔内既可进行离子束溅射沉积又可进行原子层沉积，利用离子束溅射压应力和原子层沉积张应力相互补偿的特征，以实现低应力薄膜沉积；本实用新型利用离子束溅射和原子层沉积稳定和精度高的特征，实现高精度薄膜的沉积；本实用新型公开的一种高精度低应力光学薄膜沉积装置无需跨真空腔转移基片，大大减少操作步骤，降低薄膜沉积的成本；此外本实用新型公开的沉积装置中设置宽光谱监控***对所沉积的薄膜实时监控，使所沉积的薄膜精度更高。
以上借助具体实施例对本实用新型做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本实用新型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，都属于本实用新型所保护的范围。
Claims (8)
1.一种高精度低应力光学薄膜沉积装置，其特征在于，包括真空腔、基片夹具、挡板、靶材、离子源、气路***、宽光谱监控***；所述基片夹具、所述挡板、所述靶材在所述真空腔内从上至下依次设置，所述气路***与所述挡板连通，所述气路***向所述真空腔中提供气体，所述宽光谱监控***与所述真空腔连接，所述宽光谱监控***实时监控薄膜沉积的厚度。
2.根据权利要求1所述的一种高精度低应力光学薄膜沉积装置，其特征在于，所述基片夹具与所述真空腔活动连接，所述基片夹具上设置若干个第一通孔。
3.根据权利要求2所述的一种高精度低应力光学薄膜沉积装置，其特征在于，所述挡板与所述真空腔转动连接，所述挡板上表面设置气体通道和至少一个第二通孔，所述气体通道上设置若干个气孔。
4.根据权利要求1所述的一种高精度低应力光学薄膜沉积装置，其特征在于，所述离子源固定在所述真空腔内，所述离子源发射的离子束与所述靶材表面成30°-70°。
5.根据权利要求3所述的一种高精度低应力光学薄膜沉积装置，其特征在于，所述气路***包括阀门和至少两条气路，所述阀门包括流量阀和控制阀。
6.根据权利要求5所述的一种高精度低应力光学薄膜沉积装置，其特征在于，每条所述气路包括并联设计的第一载体气路和第一前驱体气路；所述第一前驱体气路包括并联设计的第二前驱体气路和第二载体气路。
7.根据权利要求6所述的一种高精度低应力光学薄膜沉积装置，其特征在于，所述气路与所述气孔连接。
8.根据权利要求7所述的一种高精度低应力光学薄膜沉积装置，其特征在于，所述宽光谱监控***包括光谱探测器、光源和控制模块，所述光源设置于所述挡板下方，所述光谱探测器设置于所述基片夹具上方，所述光谱探测器与所述光源竖直方向对齐，所述光源穿过所述第一通孔和所述第二通孔，所述光源向所述光谱探测器发射一定频率的光，所述控制模块与所述光源和所述光谱探测器分别连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |