一种光学薄膜沉积设备及方法技术

本发明专利技术涉及光学薄膜沉积领域，公开了一种光学薄膜沉积设备及方法。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；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进行薄膜沉积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。本发明专利技术利用离子束辅助原子层沉积技术，从而对原子层沉积薄膜的应力实现控制，降低薄膜沉积的应力。

【技术实现步骤摘要】
一种光学薄膜沉积设备及方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术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。本专利技术的技术方案如下：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，本专利技术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，本专利技术的有益效果为：本专利技术公开了一种光学薄膜沉积设备及方法，通过离子束本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学薄膜沉积设备，其特征在于，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；所述离子源位于所述真空室的顶部，所述基片夹具置于所述离子源下方，所述基片夹具放置于所述夹具底座上部，所述夹具底座置于所述底座固件内部，所述底座固件位于所述真空室底部，所述均匀性修正挡板设置于所述离子源与所述基片夹具之间；所述气路系统与所述真空室相连通，所述气路系统向所述真空室内运输气体并维持所述真空室内压强稳定；所述宽光谱膜厚监控系统与所述真空室连接，实时监控薄膜沉积的厚度。/n

【技术特征摘要】
1.一种光学薄膜沉积设备，其特征在于，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；所述离子源位于所述真空室的顶部，所述基片夹具置于所述离子源下方，所述基片夹具放置于所述夹具底座上部，所述夹具底座置于所述底座固件内部，所述底座固件位于所述真空室底部，所述均匀性修正挡板设置于所述离子源与所述基片夹具之间；所述气路系统与所述真空室相连通，所述气路系统向所述真空室内运输气体并维持所述真空室内压强稳定；所述宽光谱膜厚监控系统与所述真空室连接，实时监控薄膜沉积的厚度。


2.根据权利要求1所述的一种光学薄膜沉积设备，其特征在于，所述基片夹具为圆盘结构，所述基片夹具表面设置夹具孔，所述夹具孔用于装夹待镀基片，所述基片夹具表面设置第一通孔和第二通孔，所述第一通孔用于装夹陪镀基片，所述第二通孔用于透过光线；夹装后的所述基片的上表面与所述基片夹具上表面齐平；所述基片夹具的下表面边缘设有凸起。


3.根据权利要求2所述的一种光学薄膜沉积设备，其特征在于，所述夹具底座可旋转，所述夹具底座为中间镂空结构，所述镂空结构用于容纳所述待镀基片和所述陪镀基片，所述夹具底座壁的上表面设有凹槽，所述凹槽与所述基片夹具下表面边缘的所述凸起相配合，所述基片底座通过所述凹槽和所述基片下表面的所述凸起相配合带动所述基片夹具旋转；所述夹具底座底面设置与所述基片夹具的所述第一通孔和所述第二通孔相对应的第三通孔和第四通孔。


4.根据权利要求1所述的一种光学薄膜沉积设备，其特征在于，所述底座固件中心部位设置第五通孔，所述第五通孔用于容纳所述夹具底座；所述底座固件左肩部设置水平方向的多层进气孔，所述多层进气孔分别供相应气体通过；所述底座固件的右肩部设置有沟槽和第一抽气孔，所述沟槽与所述第一抽气孔连通。


5.根据权利要求4所述的一种光学薄膜沉积设备，其特征在于，所述第一抽气孔位于所述沟槽的下部，所述沟槽的高度与所述多层进气孔的最下层的进气孔的高度相差小于50mm。


6.根据权利要求5所述的一种光学薄膜沉积设备，其特征在于，所述真空室设置窗口，所述窗口上设置有气路通道，所述气路通道与所述多层进气孔连通，使进入到真空室内的气体由单一通道分散为多通道...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘浩，赵祖珍，沈洋，孙兵妹，
申请(专利权)人：深圳清华大学研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44