蒸發鍍膜基片工裝改進與鍍膜均勻性研究

徐嶺茂，王濟洲，李 坤，王多書，周 暉

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

隨著空間遙感技術的不斷發展，對高分辨率遙感數據的要求也在不斷提高[1-3]，多光譜或全光譜成像光學系統是未來軍事偵查、資源探測等獲得高分辨率遙感數據的主要手段之一。作為光譜成像光學系統的重要組成部分，紅外光學薄膜具有非常廣泛的應用。

中波紅外譜段光學薄膜膜層較厚，尤其是窄帶濾光片等光譜指標要求較高的紅外光學薄膜，通常厚度能達到幾十微米，對于蒸發膜料的需求非常大。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，但是需要較長的抽氣過程，以致制備效率較低。同時，軍工需求的光學產品批量小、尺寸小，直接采用原有鍍膜基片工裝會造成大量的蒸發膜料浪費。此外，在光學薄膜制備過程中，膜厚均勻性是一個非常重要的，且比較難解決的技術問題[4-6]。

針對中波紅外光學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，根據理論分析，在行星式平面工件盤的基礎上，設計一套可自由調節高度及大小的旋轉平面基片工裝，減小蒸發源與基片的距離。通過鍍制單層膜，計算確定基片與監控片沉積速率的比例系數，再通過厚度監控來控制膜層厚度，為高質量中波紅外光學薄膜的高效鍍制提供必要條件。

1 方案設計

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

圖1（a）為用行星式平面工件盤鍍膜示意圖，基片在真空室轉盤上自轉加公轉，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品。根據中波紅外光學薄膜批量小、尺寸小的特點，設計了一套可自由調節高度的旋轉平面基片鍍膜工裝，如圖2所示。使用該工裝的鍍膜示意圖如圖1（b）所示。可以看到，使用該裝置后，蒸發源與基片距離大幅減小。在薄膜沉積速率不變的情況下，可以減小蒸發源電子槍束流，提高膜料蒸發穩定性及利用率，進而提高蒸發鍍膜過程的工藝穩定性。

圖1 改進前后光學鍍膜設備結構示意圖Fig.1 Coating schematic diagram of Denton's automatic opti‐cal coating equipment

圖2 自由調節高度的旋轉平面基片支撐裝置Fig.2 Freely height-adjustable rotating plane substrate support device

首先，對圓盤基片上薄膜的均勻性進行理論分析，得到滿足均勻性要求的幾何配置。然后，采用該配置對鍍膜均勻性進行工藝實驗，以驗證理論計算的準確性。

2 理論計算

2.1 膜厚方程

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

圖3 蒸發源位于旋轉工件盤下方時蒸鍍配置圖Fig.3 Coating configuration when the evaporation source is located under the rotating substrate support plate

假設工件盤不轉動，計算以旋轉軸為中心的圓環附近任意點的平均膜厚。計算過程中將蒸發源設定為常見的蒸發源，即遵守余弦分布的小平面源。

設工件盤上任意點A，其所在圓的半徑為r，A點到蒸發源S的距離為l，h是工件盤與蒸發源的垂直高度，A點在圓周上轉過的角度為ψ，A點處表面元法線與S和A點連線的夾角為θ，小平面源法線與其和A點連線夾角為φ。

對于遵守余弦分布律的小平面源，任意點A處膜厚方程[12]為：

式中：ts為膜厚，cm；μ為蒸發材料的密度，g/cm3；m為蒸發材料的總質量，g。

該蒸發鍍膜配置的幾何關系為：

當蒸發源為小平面源時，由式（1）和式（2）可得任意點A處的膜厚方程為：

當工件盤繞著中心旋轉時，在半徑為r的圓環上任意點的膜厚為：

2.2 膜厚均勻性分析

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

所用設備為R=250 mm。當已知中波紅外光學產品的尺寸時，由式（5）可知，膜厚均勻性依賴于h值的大小。取三個典型h值：400、450和500 mm，當工件盤沿中心軸旋轉時，基片的理論膜厚分布如圖4所示。可以看出，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，膜厚沿工件盤徑向逐漸減小，且在h/R=1.8時工件盤上膜厚均勻性最優。因此，選取h/R為1.8，設定所要放置產品的工件盤最大半徑r=30 mm，此時r/R=0.12，蒸發源為小面源時膜厚不均勻性為0.20%。

圖4 沿中心軸轉動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 實驗驗證及分析

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行工藝實驗，以驗證膜厚均勻性。采用該全自動光學鍍膜機及改進的工件盤支撐裝置，將設計厚度為1 600 nm的鍺膜沉積在硒化鋅基片上，沉積速率為0.4 nm/s。將設計厚度為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試鍺膜的透射光譜，采用可見-近紅外分光光度計（PerkinElmer，Lamda950）測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，對距中波紅外短波通濾光片半功率點最近的波峰進行觀察，r/R=0，0.06和0.12位置的鍺單層膜對應的峰值位置分別為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應的峰值位置分別為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位置為4 500 nm，工件盤中心點與邊緣位置薄膜半功率點位置相差8 nm，相對于中心波長的偏差為0.18%，與理論計算結果接近。

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 結論

為了提高膜料利用率，設計了一套鍍膜工裝，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）理論計算得到，當可自由調節高度及大小的旋轉平面基片工裝的h/R為1.8、蒸發源為小面源時，膜厚不均勻性不大于0.20%。

（2）利用該工裝進行的單層鍺膜與硫化鋅膜層厚度實驗研究表明，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與邊緣位置得到的中波紅外短波通濾光片（半功率點位置4 500 nm）的光譜最大差距為8 nm，由此可得中心點與邊緣位置膜厚不均勻性為0.18%，與理論計算所得的結果相近。