一种高稳定性薄膜监控方法及镀膜装置

摘要

本发明提供了一种高稳定性薄膜监控方法及镀膜装置，该方法包括：在镀膜机伞架上的至少三点位置设置膜厚监控系统，得到至少三个瞬时膜厚数据；将该至少三个瞬时膜厚数据代入膜厚分布公式中，求得材料蒸发特性参数n；通过监控该材料蒸发特性参数n值的变化，对薄膜厚度进行监控并实时修正。本发明能够在薄膜批量生产过程中，得到均匀性良好、重复性高，稳定性好的光学薄膜，有效提高高精度镀膜的良品率。

权利要求

1.一种高稳定性薄膜监控方法，其特征在于，该方法包括：在镀膜机伞架上的三点位置设置膜厚监控系统，得到三个瞬时膜厚数据；

其中，第一点位置位于镀膜机伞架的中心顶点位置，标记为A点；作镀膜机伞架俯视投影图，第二点位置为俯视投影图中A点与蒸发源连线的延长线与镀膜机伞架最外圈边缘的相交点，标记为B点；在俯视投影图上，第三点位置位于镀膜机伞架最外圈边缘，标记为C点，并且满足角∠CAB为60°；

将该三个瞬时膜厚数据代入膜厚分布公式(1)中，求得材料蒸发特性参数n；

其中，t为膜厚，指数n为材料蒸发特性参数，C为比例常数，为蒸发角度，θ为沉积角度，r为蒸发源到测量点的距离；

通过监控该材料蒸发特性参数n值的变化，对薄膜厚度进行监控并实时修正。

2.一种使用如权利要求1所述的高稳定性薄膜监控方法的镀膜装置，其特征在于，所述镀膜装置包括设置在真空镀膜室内的镀膜机伞架，所述镀膜机伞架上设置第一膜厚监控系统、第二膜厚监控系统和第三膜厚监控系统；

所述第一膜厚监控系统设置于镀膜机伞架的中心顶点位置，标记为A点；作镀膜机伞架俯视投影图，所述第二膜厚监控系统设置于俯视投影图中A点与蒸发源连线的延长线与镀膜机伞架最外圈边缘的相交点，标记为B点；在俯视投影图上，所述第三膜厚监控系统设置于镀膜机伞架最外圈边缘，标记为C点，并且满足角∠CAB为60°。

3.根据权利要求2所述的镀膜装置，其特征在于，所述膜厚监控系统为晶振膜厚控制系统或光学膜厚控制系统。

说明书

一种高稳定性薄膜监控方法及镀膜装置

技术领域

[0001] 本公开涉及光学薄膜制备技术领域，尤其涉及一种高稳定性薄膜监控方法及镀膜装置。

背景技术

[0002] 常规的镀膜设备无论是球面公转伞还是平面公自转伞结构，其厚度监控均为在镀膜机伞架中心位置放置一个晶振膜厚控制系统或光学控制系统来监控所镀膜厚以及速率
等，镀膜机的结构如图1所示。图2所示为球面公转伞上最内A1与最外A2两个样品点，理想重
复性良好的情况下，A1与A2点的膜厚比例是一定的。而在实际批量生产的过程中，虽然工艺
参数已经确定，但实际炉次之间蒸发参数n值会有一定的细微变化，造成A1与A2的膜厚比例
发生变化。 A1与A2点的膜厚比例发生变化会导致两个问题：首先，炉次之间薄膜的光谱重
复性不好。常规镀膜设备同一位置的炉次之间的膜厚误差通常大于2%以上，这不利于连续
制备高精度要求的薄膜。其次，炉次之间薄膜的光谱均匀性也会发生变化。常规镀膜设备不
同位置的炉次之间膜厚均匀性也会发生变化，这会降低高精度镀膜的良品率，而常规单点
膜厚监控系统是不能监控这一比例变化的，因此，常规镀膜方法及设备无法解决上述两个
问题。

发明内容

[0003] 有鉴于此，本公开实施例提供一种高稳定性薄膜监控方法及镀膜装置，该薄膜监控方法结合镀膜装置能够在薄膜批量生产过程中，得到均匀性良好、重复性高，稳定性好的
光学薄膜，有效提高高精度镀膜的良品率。

[0004] 为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0005] 一种高稳定性薄膜监控方法，该方法包括：在镀膜机伞架上的至少三点位置设置膜厚监控系统，得到至少三个瞬时膜厚数据；

[0006] 将该至少三个瞬时膜厚数据代入膜厚分布公式(1)中，求得材料蒸发特性参数n；

[0007] （1）

[0008] 其中，t为膜厚，指数n为材料蒸发特性参数，C为比例常数，为蒸发角度，为沉积角度，r为蒸发源到测量点的距离；

[0009] 通过监控该材料蒸发特性参数n值的变化，对薄膜厚度进行监控并实时修正。

[0010] 在一种优选的实施方式中，包括：在镀膜机伞架上的三点位置设置膜厚监控系统，得到三个瞬时膜厚数据；

[0011] 其中，第一点位置位于镀膜机伞架的中心顶点位置，标记为A点；作镀膜机伞架俯视投影图，第二点位置为俯视投影图中A点与蒸发源连线的延长线与镀膜机伞架最外圈边
缘的相交点，标记为B点；在俯视投影图上，第三点位置位于镀膜机伞架最外圈边缘，标记为
C点，并且满足角∠CAB为60°。

[0012] 本发明还提供一种使用上述的高稳定性薄膜监控方法的镀膜装置，所述镀膜装置包括设置在真空镀膜室内的镀膜机伞架，所述镀膜机伞架上设置第一膜厚监控系统、第二
膜厚监控系统和第三膜厚监控系统；

[0013] 所述第一膜厚监控系统设置于镀膜机伞架的中心顶点位置，标记为A点；作镀膜机伞架俯视投影图，所述第二膜厚监控系统设置于俯视投影图中A点与蒸发源连线的延长线
与镀膜机伞架最外圈边缘的相交点，标记为B点；在俯视投影图上，所述第三膜厚监控系统
设置于镀膜机伞架最外圈边缘，标记为C点，并且满足角∠CAB为60°。

[0014] 在一种优选的实施方式中，所述膜厚监控系统为晶振膜厚控制系统或光学膜厚控制系统。

[0015] 在一种优选的实施方式中，所述镀膜机伞架为球面公转伞或平面公自转伞结构。

[0016] 本发明的一种高稳定性薄膜监控方法及镀膜装置，其有益效果在于：本发明能够计算出薄膜厚度在整个球面公转伞上的膜厚分布，实现对膜厚均匀性和重复性的监测和控
制，是一种具有良好均匀性、超高重复性的高稳定性膜厚控制方法及镀膜装置，能够有效解
决传统镀膜工艺中，炉次之间薄膜的光谱均匀性及光谱重复性不好的问题，有效提高了高
精度镀膜的良品率。

附图说明

[0017] 为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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的附图。

[0018] 图1为常规镀膜装置的结构示意图；

[0019] 图2为图1中常规镀膜装置的球面公转伞部分结构示意图；

[0020] 图3为小面源电子束蒸发的非余弦分布结构示意图；

[0021] 图4为本发明实施例中镀膜装置距离中心不同位置所对应的瞬时膜厚分布示意图；

[0022] 图5为本发明实施例中三个膜厚监控系统的选点规则示意图；

[0023] 图6为A镀膜机第一炉的均匀性示意图；

[0024] 图7为A镀膜机第二炉的均匀性示意图；

[0025] 图8为B镀膜机第一炉的均匀性示意图；

[0026] 图9为B镀膜机第二炉的均匀性示意图；

[0027] 图10为本发明另一个实施例中三个膜厚监控系统的选点示意图；

[0028] 图11为单膜厚监控系统的镀膜机（A镀膜机）3个炉次相同位置的光谱曲线示意图；

[0029] 图12为90°三点监控系统的镀膜机3个炉次相同位置的光谱曲线示意图；

[0030] 图13为本发明中60°三点监控系统的镀膜机（B镀膜机）3个炉次相同位置的光谱曲线示意图；

[0031] 图14为本发明一种实施例中膜厚均匀性示意图。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

[0033] 以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开
一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实
施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神
下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可
以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下
所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

[0034] 要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/
或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面
可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例
来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除
了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践
此方法。

[0035] 还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘
制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可
能更为复杂。

[0036] 另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

[0037] 参考图1，图1为常规镀膜装置的结构示意图。如图1所示，蒸发源4把膜料加热到汽化状态，气体状薄膜分子向上挥发，碰触到放置在球面公转伞1上的玻璃基板，冷凝沉积成
膜。这样沉积的薄膜厚度在整个球面伞上的分布是不均匀的，因此通常在蒸发源4和球面公
转伞1之间添加膜厚修正板3，以确保均匀性。

[0038] 监控探头2，位于机器的中心位置，用于监测和控制薄膜厚度。监控探头2得到的薄膜厚度值并不代表实际镀膜的厚度，而是与球面公转伞1上所镀的膜厚之间呈一定的比例
关系，这种比例关系通常用Tooling表示，可以在一定程度上反映镀膜的膜厚重复性。

[0039] 图2为图1的常规镀膜装置中，球面公转伞1上最内A1与最外A2两个样品点示意图，理想重复性良好的情况下，A1与A2点的膜厚比例是一定的。而在实际生产的过程中，炉次之
间蒸发特性会有一定的细微变化，就会造成A1与A2的膜厚比例发生变化，从而引起均匀性
的变化；A1和A2的膜厚分布发生变化后，与中心监控探头位置的膜厚比例也会发生变化，即
Tooling也会因此发生变化。

[0040] 如此情况下，常规单点膜厚监控系统不能监控这两种变化，均匀性和重复性便难以得到保证。

[0041] 另外，由于薄膜厚度在整个球面公转伞上的分布，是机器结构、镀膜工艺以及公转伞形状等影响因素的函数。因此，在机器结构和镀膜工艺确定的情况下，同时监测A1和A2的
膜厚情况，不能反映出A1和A2之外其他点比如A3的膜厚情况，不能反映出薄膜厚度在整个
球面公转伞上的膜厚分布。

[0042] 因此，两点监控也无法解决上述均匀性和重复性不高的问题。必须合理考虑取点的数量以及取点的位置，才能计算出薄膜厚度在整个球面公转伞上的膜厚分布，才能真正
实现对均匀性和重复性的监测和控制。

[0043] 因此，本发明提出一种高稳定性薄膜监控方法及镀膜装置，该方法包括：在镀膜机伞架上的至少三点位置设置膜厚监控系统，得到至少三个瞬时膜厚数据；

[0044] 将该至少三个瞬时膜厚数据代入膜厚分布公式(1)中，求得材料蒸发特性参数n；

[0045] （1）

[0046] 其中，t为膜厚，指数n为材料蒸发特性参数，C为比例常数，为蒸发角度，为沉积角度，r为蒸发源到测量点的距离；

[0047] 通过监控该材料蒸发特性参数n值的变化，对薄膜厚度进行监控并实时修正。

[0048] 常规蒸发镀膜机为单一蒸发源蒸发方式，主要以小面源蒸发为主，小面源电子束蒸发的发射特性遵循非余弦分布，其具体结构如图3所示，球面伞上的膜厚分布可以用上述
的公式(1)表示。

[0049] 指数n为材料蒸发特性参数，与蒸发特性有关；C为比例常数，为蒸发角度，为沉积角度，r为蒸发源到S点的距离。考虑到监控探头测量的膜厚属于瞬时膜厚。因此，把各参
数代入公式（1），得到各位置的瞬时膜厚分布公式（2）：

[0050] （2）

[0051] 膜厚分布公式在本领域主要应用于镀膜机整伞均匀性的计算。公式中的材料蒸发参数n作为材料蒸发的特性参数，可以用来评估镀膜的重复性和稳定性。理想均匀性和重复
性条件下，n的值是固定不变的。镀膜过程中的均匀性和重复性变化，可以用n发生了微弱变
化进行数学模拟。

[0052] 在公式（2）中，在伞上某一位置s的（h，r，θ）参数被同时确定，薄膜密度μ和蒸发参数n是未知数，且薄膜密度μ是位置s的函数。这意味着，需要知道至少3个位置点的瞬时膜厚
分布，才能解析出蒸发参数n的具体值。至少需要3个监控点才能准确检测和控制镀膜设备
的均匀性和重复性。

[0053] 在一种优选的实施方式中，在镀膜机伞架上的三点位置设置膜厚监控系统，得到三个瞬时膜厚数据；接下来，说明设置上述三点监控点的方法。

[0054] 在机器几何配置与材料确定后，公式（2）可以使用极坐标图来更直观的描述。图4为2700镀膜机距离中心不同位置所对应的瞬时膜厚分布，图4中每个圆的面积正比于在该
位置旋转一周后沉积的膜厚。

[0055] 图4中，位于伞架中心点的极坐标图为正圆，而随着S点到转轴的距离 的增大，极坐标图变成椭圆。极坐标上每个点展示的是该位置的瞬时膜厚信息，每个圆或椭圆的中心
位置是已知的，则定义一个椭圆则还需要三个点。

[0056] 第Ⅰ区域：为伞上不同位置在伞左侧位于中心位置附近的瞬时膜厚分布情况，从图中可以看出，相较于另外两个区域，Ⅰ区域的每个位置的瞬时误差最小，所以在中心位置放
置1个膜厚监控点（监控点A）可以监控整体的膜厚分布，减少控制误差。

[0057] 因此，第一个膜厚监控系统的位置位于镀膜机伞架的中心顶点位置，标记为A点。

[0058] 第Ⅱ区域：为伞上不同位置在蒸发源正上方靠近伞最外圈位置附近的膜厚分布情况，从图中可以看出，相较于另外两个区域，Ⅱ区域的每个位置的瞬时误差最大，所以在水
平轴向放置第二个膜厚监控点（监控点B）。

[0059] 因此，作镀膜机伞架俯视投影图，如图5所示，第二点位置为俯视投影图中A点与蒸发源连线的延长线与镀膜机伞架最外圈边缘的相交点，标记为B点。

[0060] 第Ⅲ区域：为伞上瞬时膜厚相同或相近的区域，从图4中可以看出，此区域的膜厚分布情况相近，在图4中第Ⅲ区域与第Ⅰ区域、第Ⅱ区域连线所成的角度为60°，所以在60°角
的延长线最外侧放置第三个膜厚监控点（监控点C）。

[0061] 因此，在俯视投影图上，第三点位置位于镀膜机伞架最外圈边缘，标记为C点，并且满足角∠CAB为60°。

[0062] 通过以上的选点规则选取的三个特征监控点的选取如图5所示，图中，公转伞1的中心点为主监控点A，其余两点为第一辅助监测点B和第二辅助监测点C，通过实际测试三点
的真实膜厚数据，计算机通过计算就可以逆推出材料蒸发参数n值的大小，并写入程序实时
监控，通过算法对n值进行判断并通过对工艺的修改补正n值，以达到提高镀膜机均匀性与
重复性的目的。

[0063] 接下来，参考附图6‑12，结合实施例对本发明作进一步地详细说明：使用单膜厚监控系统的镀膜机（后续简称为A镀膜机）与本发明中∠CAB为60°的三点监控监控系统的镀膜
机（B镀膜机）对薄膜的均匀性与重复性进行验证，为了保证实验结果可靠，两台镀膜机尺寸
相同且除监控系统外的其他配置均相同。

[0064] 实施例1：膜厚均匀性验证

[0065] 本发明中的高稳定性真空镀膜机具有多点膜厚监控监测系统，与传统单点膜厚监控系统相比均匀性能够获得有效的提升。

[0066] 具体实验验证方式为：使用A、B两种镀膜机分别对400‑700nm减反膜的均匀性进行调试。图6‑图9为A、B镀膜机分别制备两炉的均匀性曲线示意图，图6中a1为A镀膜机第一炉
的均匀性情况，图7中a2为A镀膜机第二炉的均匀性情况，图8中b1为B镀膜机第一炉的均匀
性情况,图9中b2为B镀膜机第二炉的均匀性情况。从图6和图7放大图的对比中可以看出，A
镀膜机两个炉次之间整伞的均匀性发生了变化，且无规律；从图8和图9放大图的对比可以
看出，两炉次之间整伞均匀性几乎没有发生改变，本发明的镀膜机中的三点厚度控制系统
对于每个炉次之间的均匀性提升有很大帮助。

[0067] 实施例2：重复性验证

[0068] 本发明中的高稳定性真空镀膜机具有三点监控监测系统，与传统单点膜厚监控系统相比炉次之间的重复性改善效果良好。

[0069] 具体实验验证方式为：使用单膜厚监控系统的镀膜机、如图10所示的∠CAB为90°三点监控检测系统的镀膜机与本发明中图5所示∠CAB为60°三点监控监测系统的镀膜机制
备400‑700nm减反膜，分别制备3炉，制备后比较相同位置不同炉次之间样品的光谱情况，光
谱如图11、图12、图13所示，图11、图12、图13分别为单膜厚监控系统、∠CAB为90°三点监控
系统与本发明中∠CAB为60°监控系统的三种镀膜机3个炉次相同位置的光谱曲线。通过统
计计算，单膜厚监控系统镀膜机的重复性误差为2.5%，∠CAB为90°三点监控系统镀膜机的
重复性误差为1.25%，∠CAB为60°三点监控系统镀膜机的重复性误差为0.8%。通过∠CAB为
90°监控系统与∠CAB为60°监控系统的对比，可以证明本发明∠CAB为60°三点监控系统镀
膜机的重复性更好，验证了理论的推算。

[0070] 实施例3：材料蒸发特性参数n的监控与工艺调整

[0071] 本实例说明的是如何通过真实测量的三点膜厚数据来计算出材料蒸发特性参数n，以及当n变化时，如何通过工艺的调整来对镀膜的质量进行改善。

[0072] 建立一个三点监控系统的n值评价函数如公式（3）所示：

[0073] （3）

[0074] 其中 为根据伞架中心点位置计算得到的材料参数n， 、 、 分别为该时刻下A、B、C三点所测试的瞬时膜厚。

[0075] 在使用TiO2/SiO2两种材料制备400‑700nm的过程中，监控多次后总结数据，在重复性良好的情况下，TiO2材料的材料蒸发特性参数n稳定在2.4左右，SiO2材料的材料蒸发特性
参数n稳定在2.0左右。

[0076] 在蒸发至第三层TiO2时，由于未知外界因素改变，TiO2材料的蒸发参数突变至2.6，通过算法分析，计算机对蒸发参数的变化做出判断，对工艺进行微调（计算机设定n值为
2.4，误差±0.2，过程中突变至2.6，计算机控制电子枪控制系统自动微调光斑大小以及位
置而使TiO2的蒸发参数n值趋于2.4），工艺调整后材料蒸发特性参数n稳定在2.4附近。镀后
对整伞的均匀性进行了测试，测试图如图14所示。从图14中可以看出通过对n值的自动调
控，有效的提升了镀膜的重复性，提高了镀膜机的良品率。

[0077] 以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应
涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。