磁控濺射光學(xué)膜均勻性改進(jìn)

2017-06-17 劉思用 武漢光迅科技股份有限公司

  隨著光通訊的發(fā)展,對(duì)光學(xué)薄膜的性能要求越來(lái)越高,這對(duì)鍍膜機(jī)的均勻性提出更高要求。本文通過(guò)設(shè)計(jì)一種新的夾具,使鍍膜機(jī)的均勻性由1%優(yōu)化為0.1%。

  隨著光通訊以及其他行業(yè)的飛速發(fā)展,各種不同功能的光學(xué)薄膜涌現(xiàn),其光譜性能要求越來(lái)越高,使用越來(lái)越廣泛,50G,GFF 等高難度薄膜的需求越來(lái)越多,這對(duì)鍍膜機(jī)的要求也越來(lái)越高。

  目前市場(chǎng)上的主流鍍膜機(jī)均勻性最高只能達(dá)到1%,在鍍制普通光學(xué)薄膜時(shí)影響不大,但是在鍍制50G,GFF 等高難度薄膜時(shí),鍍膜的良率和產(chǎn)量都很難達(dá)到要求。目前業(yè)界的措施多為使用遮蔽板來(lái)優(yōu)化均勻性。但是遮蔽板一來(lái)需要大量試驗(yàn)來(lái)確定尺寸,同時(shí)不同的膜系遮蔽板不能通用,這大大限制了遮蔽板的使用。本文通過(guò)直接對(duì)鍍膜機(jī)的夾具進(jìn)行改進(jìn)來(lái)改善均勻性,目前未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

1、鍍膜機(jī)的結(jié)構(gòu)

  本文使用OCLI 的J-CLASS 磁控濺射鍍膜機(jī),主要由真空系統(tǒng),濺射系統(tǒng),光控系統(tǒng)3 部分組成,因真空系統(tǒng)和光控系統(tǒng)對(duì)均勻性影響較小,本文不做贅述。主要介紹濺射系統(tǒng),如圖1 所示:鍍膜基片用螺絲鎖在一個(gè)安裝在腔體頂部,高速旋轉(zhuǎn)的軸上,如圖2 所示:

磁控濺射光學(xué)膜均勻性改進(jìn)

圖1 濺射系統(tǒng)

磁控濺射光學(xué)膜均勻性改進(jìn)

圖2 鍍膜基片安裝示意圖

2、鍍膜機(jī)的均勻性

  以如下設(shè)計(jì)來(lái)鍍制一個(gè)均勻性實(shí)驗(yàn),前36層以1535nm 波長(zhǎng)監(jiān)控,后面37 層用1565nm 波長(zhǎng)監(jiān)控。

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  測(cè)量的光譜曲線如圖3:

磁控濺射光學(xué)膜均勻性改進(jìn)

圖3 均勻性設(shè)計(jì)光譜曲線

  光譜曲線的左右兩個(gè)峰,分別代表低折射率材料和高折射率材料的譜線, 用這個(gè)譜線的0.5dB 帶寬中心波長(zhǎng)來(lái)計(jì)算均勻性。

  測(cè)量半徑方向各點(diǎn)光譜,可以分別測(cè)得各點(diǎn)高低折射率材料的0.5dB 帶寬中心波長(zhǎng),得到半徑- 中心波長(zhǎng)曲線,如下:

磁控濺射光學(xué)膜均勻性改進(jìn)

圖4 原夾具均勻性曲線

  均勻性計(jì)算公式為:均勻性=(中心波長(zhǎng)最大值-最小值)/ 監(jiān)控波長(zhǎng)*100%。計(jì)算出鍍膜機(jī)的均勻性為:

  低折射率材料均勻性=(1549.3-1535)/1535=0.9%。

  高折射率材料均勻性=(1577.6-1565)/1565=0.8%。

3、新設(shè)計(jì)的夾具

  老夾具采用螺絲固定基片,基片與旋轉(zhuǎn)軸完全鎖死,由馬達(dá)帶動(dòng)基片高速旋轉(zhuǎn)。但是機(jī)械運(yùn)動(dòng)中不可避免的存在各種振動(dòng),以及由于功率波動(dòng)帶來(lái)的速率不穩(wěn)定,會(huì)導(dǎo)致基片旋轉(zhuǎn)的速率不穩(wěn),以及基片的抖動(dòng),從而導(dǎo)致均勻性不好。

  本文設(shè)計(jì)一種全新的夾具,示意圖如圖5:采用一個(gè)光滑圓球,使基片在高速旋轉(zhuǎn)時(shí),在離心力的作用下,減少摩擦力,使旋轉(zhuǎn)更平穩(wěn),從而提高徑向的均勻性,其各部分結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖6 所示。

磁控濺射光學(xué)膜均勻性改進(jìn)

圖5 新夾具示意圖

磁控濺射光學(xué)膜均勻性改進(jìn)

圖6 新夾具實(shí)物圖

  基片與旋轉(zhuǎn)軸之間采取動(dòng)連接,依靠摩擦力來(lái)帶動(dòng)基片旋轉(zhuǎn)。而飛行球以及套環(huán)很光滑,可以有效的屏蔽馬達(dá)功率不穩(wěn)帶來(lái)的速率不穩(wěn)以及各種振動(dòng)帶來(lái)的基片抖動(dòng),從而顯著提高膜層的均勻性。

4、改進(jìn)夾具后的均勻性

  采取和改進(jìn)夾具之前相同的均勻性實(shí)驗(yàn)方法,測(cè)得改進(jìn)夾具后的均勻性結(jié)果如圖7:

磁控濺射光學(xué)膜均勻性改進(jìn)

圖7 新夾具均勻性曲線

  通過(guò)計(jì)算,高低折射率材料的均勻性分別如下:

  低折射率材料均勻性=(1535.2-1533.6)/1535=0.1%。

  高折射率材料均勻性=(1567.1-1565.6)/1565=0.1%。

5、結(jié)論

  本文采用一種全新設(shè)計(jì)的夾具,成功的將徑向均勻性從約1%改善到0.1%,使鍍制高性能薄膜以及提高鍍膜良率提供了一種新的方法,與使用遮蔽板相比,不需要設(shè)計(jì)一系列的遮蔽板以及經(jīng)常更換遮蔽板,可以降低成本,減少實(shí)驗(yàn),提高生產(chǎn)效率。