蒸發(fā)鍍膜基片工裝改進(jìn)與鍍膜均勻性研究

徐嶺茂，王濟(jì)洲，李 坤，王多書，周 暉

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

隨著空間遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)高分辨率遙感數(shù)據(jù)的要求也在不斷提高[1-3]，多光譜或全光譜成像光學(xué)系統(tǒng)是未來軍事偵查、資源探測(cè)等獲得高分辨率遙感數(shù)據(jù)的主要手段之一。作為光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分，紅外光學(xué)薄膜具有非常廣泛的應(yīng)用。

中波紅外譜段光學(xué)薄膜膜層較厚，尤其是窄帶濾光片等光譜指標(biāo)要求較高的紅外光學(xué)薄膜，通常厚度能達(dá)到幾十微米，對(duì)于蒸發(fā)膜料的需求非常大。如果鍍膜真空室尺寸較大，無法在保證光譜性能的情況下一次完成膜層鍍制，只能采用分爐中間添加膜料的方法鍍制，但是需要較長(zhǎng)的抽氣過程，以致制備效率較低。同時(shí)，軍工需求的光學(xué)產(chǎn)品批量小、尺寸小，直接采用原有鍍膜基片工裝會(huì)造成大量的蒸發(fā)膜料浪費(fèi)。此外，在光學(xué)薄膜制備過程中，膜厚均勻性是一個(gè)非常重要的，且比較難解決的技術(shù)問題[4-6]。

針對(duì)中波紅外光學(xué)薄膜鍍制過程中遇到的膜料利用率低、膜厚均勻性差等問題，根據(jù)理論分析，在行星式平面工件盤的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套可自由調(diào)節(jié)高度及大小的旋轉(zhuǎn)平面基片工裝，減小蒸發(fā)源與基片的距離。通過鍍制單層膜，計(jì)算確定基片與監(jiān)控片沉積速率的比例系數(shù)，再通過厚度監(jiān)控來控制膜層厚度，為高質(zhì)量中波紅外光學(xué)薄膜的高效鍍制提供必要條件。

1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)蒸發(fā)鍍膜特性，小平面蒸發(fā)源的蒸氣發(fā)射具有方向性，按照與表面法線方向所成角度的余弦分布。同時(shí)，蒸發(fā)源周圍任意點(diǎn)處薄膜厚度與該點(diǎn)到蒸發(fā)源距離的平方成反比。由此可知，在同樣的工藝條件下，當(dāng)減小蒸發(fā)源與基片的距離時(shí)，能夠提高基片上薄膜的沉積速率，節(jié)省膜料，節(jié)約成本[7-9]。然而，隨著基片與蒸發(fā)源距離的減小，在同等面積基片上鍍膜時(shí)膜厚均勻性變差。因此，當(dāng)減小蒸發(fā)源與基片的距離時(shí)，基片上鍍膜均勻性是否滿足要求是一個(gè)重要的問題，必須進(jìn)行分析。

圖1（a）為用行星式平面工件盤鍍膜示意圖，基片在真空室轉(zhuǎn)盤上自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)，具有較大的有效鍍膜面積，一爐可鍍制較多的短波紅外或可見光薄膜產(chǎn)品。根據(jù)中波紅外光學(xué)薄膜批量小、尺寸小的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套可自由調(diào)節(jié)高度的旋轉(zhuǎn)平面基片鍍膜工裝，如圖2所示。使用該工裝的鍍膜示意圖如圖1（b）所示?？梢钥吹剑褂迷撗b置后，蒸發(fā)源與基片距離大幅減小。在薄膜沉積速率不變的情況下，可以減小蒸發(fā)源電子槍束流，提高膜料蒸發(fā)穩(wěn)定性及利用率，進(jìn)而提高蒸發(fā)鍍膜過程的工藝穩(wěn)定性。

圖1 改進(jìn)前后光學(xué)鍍膜設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Coating schematic diagram of Denton's automatic opti‐cal coating equipment

圖2 自由調(diào)節(jié)高度的旋轉(zhuǎn)平面基片支撐裝置Fig.2 Freely height-adjustable rotating plane substrate support device

首先，對(duì)圓盤基片上薄膜的均勻性進(jìn)行理論分析，得到滿足均勻性要求的幾何配置。然后，采用該配置對(duì)鍍膜均勻性進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證理論計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2 理論計(jì)算

2.1 膜厚方程

基片置于旋轉(zhuǎn)的平面工件盤上，轉(zhuǎn)軸與蒸發(fā)源的距離為R，如圖3所示。由于工件盤繞著中心軸旋轉(zhuǎn)，鍍膜時(shí)其上任意點(diǎn)的膜厚可以認(rèn)為等于靜止基片上以旋轉(zhuǎn)軸為中心的圓環(huán)鍍層的厚度平均值（只要蒸鍍時(shí)間足夠長(zhǎng)，不完全旋轉(zhuǎn)的蒸鍍量?jī)H為總膜厚的很小部分）[10-12]。

圖3 蒸發(fā)源位于旋轉(zhuǎn)工件盤下方時(shí)蒸鍍配置圖Fig.3 Coating configuration when the evaporation source is located under the rotating substrate support plate

假設(shè)工件盤不轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)算以旋轉(zhuǎn)軸為中心的圓環(huán)附近任意點(diǎn)的平均膜厚。計(jì)算過程中將蒸發(fā)源設(shè)定為常見的蒸發(fā)源，即遵守余弦分布的小平面源。

設(shè)工件盤上任意點(diǎn)A，其所在圓的半徑為r，A點(diǎn)到蒸發(fā)源S的距離為l，h是工件盤與蒸發(fā)源的垂直高度，A點(diǎn)在圓周上轉(zhuǎn)過的角度為ψ，A點(diǎn)處表面元法線與S和A點(diǎn)連線的夾角為θ，小平面源法線與其和A點(diǎn)連線夾角為φ。

對(duì)于遵守余弦分布律的小平面源，任意點(diǎn)A處膜厚方程[12]為：

式中：ts為膜厚，cm；μ為蒸發(fā)材料的密度，g/cm3；m為蒸發(fā)材料的總質(zhì)量，g。

該蒸發(fā)鍍膜配置的幾何關(guān)系為：

當(dāng)蒸發(fā)源為小平面源時(shí)，由式（1）和式（2）可得任意點(diǎn)A處的膜厚方程為：

當(dāng)工件盤繞著中心旋轉(zhuǎn)時(shí)，在半徑為r的圓環(huán)上任意點(diǎn)的膜厚為：

2.2 膜厚均勻性分析

在該配置下，可通過計(jì)算圓盤上任意點(diǎn)A與平面工件架中心點(diǎn)（r=0）的相對(duì)膜厚得到圓盤上膜厚的均勻性。

所用設(shè)備為R=250 mm。當(dāng)已知中波紅外光學(xué)產(chǎn)品的尺寸時(shí)，由式（5）可知，膜厚均勻性依賴于h值的大小。取三個(gè)典型h值：400、450和500 mm，當(dāng)工件盤沿中心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，基片的理論膜厚分布如圖4所示?？梢钥闯?，在h/R=1.6、1.8和2.0的幾何配置下，膜厚最大值在工件盤中心點(diǎn)，膜厚沿工件盤徑向逐漸減小，且在h/R=1.8時(shí)工件盤上膜厚均勻性最優(yōu)。因此，選取h/R為1.8，設(shè)定所要放置產(chǎn)品的工件盤最大半徑r=30 mm，此時(shí)r/R=0.12，蒸發(fā)源為小面源時(shí)膜厚不均勻性為0.20%。

圖4 沿中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)平面工件盤上的膜厚分布曲線Fig.4 Film thickness distribution on a flat work plate rotating along the central axis

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

采用理論分析中較理想的h/R=1.8幾何配置的工件盤支撐裝置進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證膜厚均勻性。采用該全自動(dòng)光學(xué)鍍膜機(jī)及改進(jìn)的工件盤支撐裝置，將設(shè)計(jì)厚度為1 600 nm的鍺膜沉積在硒化鋅基片上，沉積速率為0.4 nm/s。將設(shè)計(jì)厚度為1 000 nm的硫化鋅薄膜沉積在玻璃基片上，沉積速率為1.0 nm/s。鍍膜溫度均為150℃，鍍膜室壓力為1×10-2Pa。采用PerkinElmer Frontier傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)試鍺膜的透射光譜，采用可見-近紅外分光光度計(jì)（PerkinElmer，Lamda950）測(cè)試硫化鋅薄膜的透射光譜。工件盤上不同位置鍺膜和硫化鋅薄膜的透射光譜分別如圖5（a）和（b）所示。其中，對(duì)距中波紅外短波通濾光片半功率點(diǎn)最近的波峰進(jìn)行觀察，r/R=0，0.06和0.12位置的鍺單層膜對(duì)應(yīng)的峰值位置分別為4 333、4 337和4 339 nm，位置最大偏差為6 nm，r/R=0，0.06和0.12位置的硫化鋅薄膜對(duì)應(yīng)的峰值位置分別為2 274、2 276和2 278 nm，位置最大偏差為4 nm，該峰值偏差主要是膜厚不均勻造成的，鍺膜透射峰位置偏差為0.14%，硫化鋅薄膜透射峰位置偏差為0.18%。采用高、低折射率材料（鍺和硫化鋅）所制備的中波紅外短波通濾光片的透射光譜如圖6所示，該短波通濾光片的半功率點(diǎn)位置為4 500 nm，工件盤中心點(diǎn)與邊緣位置薄膜半功率點(diǎn)位置相差8 nm，相對(duì)于中心波長(zhǎng)的偏差為0.18%，與理論計(jì)算結(jié)果接近。

圖5 工件盤上不同位置薄膜的透射光譜Fig.5 Transmission spectra of films at different positions on the work plate

圖6 工件盤上不同位置中波紅外短波通濾光片透射光譜Fig.6 Transmission spectra of mid-wave infrared short-wave pass filters at different positions on the work plate

4 結(jié)論

為了提高膜料利用率，設(shè)計(jì)了一套鍍膜工裝，研究了在不添加膜料情況下一次完成鍍膜過程所獲得薄膜的膜厚均勻性。

（1）理論計(jì)算得到，當(dāng)可自由調(diào)節(jié)高度及大小的旋轉(zhuǎn)平面基片工裝的h/R為1.8、蒸發(fā)源為小面源時(shí)，膜厚不均勻性不大于0.20%。

（2）利用該工裝進(jìn)行的單層鍺膜與硫化鋅膜層厚度實(shí)驗(yàn)研究表明，鍺膜透射峰位置偏差為0.14%，硫化鋅薄膜透射峰位置偏差為0.18%，該峰值偏差主要是膜厚不均勻造成的。

（3）采用該工裝在工件盤中心點(diǎn)與邊緣位置得到的中波紅外短波通濾光片（半功率點(diǎn)位置4 500 nm）的光譜最大差距為8 nm，由此可得中心點(diǎn)與邊緣位置膜厚不均勻性為0.18%，與理論計(jì)算所得的結(jié)果相近。