CN104849861B - 一种用于制备光学薄膜的方法 - Google Patents
一种用于制备光学薄膜的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104849861B CN104849861B CN201510292686.0A CN201510292686A CN104849861B CN 104849861 B CN104849861 B CN 104849861B CN 201510292686 A CN201510292686 A CN 201510292686A CN 104849861 B CN104849861 B CN 104849861B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- film
- optical thin
- thin film
- optical
- performance
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 58
- 239000012788 optical film Substances 0.000 title claims abstract description 55
- 239000010408 film Substances 0.000 claims abstract description 84
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 62
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 51
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 49
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 27
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 21
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 8
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 claims description 4
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 4
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 claims description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 3
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 15
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 abstract description 13
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 abstract description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 16
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 11
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 8
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 6
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 3
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000572 ellipsometry Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000007735 ion beam assisted deposition Methods 0.000 description 1
- 238000001659 ion-beam spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000013332 literature search Methods 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 1
- 238000005375 photometry Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000002922 simulated annealing Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/0012—Optical design, e.g. procedures, algorithms, optimisation routines
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Polarising Elements (AREA)
Abstract
本发明公开了一种用于制备高性能光学薄膜的方法，首先，按照光学薄膜性能需要，设计初始膜系，并采用物理气相沉积技术制备光学薄膜；使用分光光度计或者椭偏仪对光学薄膜性能进行表征；建立光学薄膜结构模型，实现膜料特征参数与光学薄膜性能关联；对光学薄膜实测特性数据进行反演，通过多参数拟合确定膜料特征参数，同时获取物理气相沉积技术制备光学薄膜过程中膜料物理厚度控制的系统误差和延迟误差校正因子；依据获得的膜料特征参数，按照光学薄膜性能要求，重新优化光学薄膜膜系设计，结合膜料物理厚度控制误差修正，采用物理气相沉积技术制备高性能光学薄膜。本发明能全面优化光学薄膜设计，提高膜料物理厚度控制精度，适用于各种高性能光学薄膜制备。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学薄膜制备方法，特别指同时确定膜料特征参数和物理厚度控制误差校正因子，用于制备各种高性能光学薄膜的方法。
背景技术
高性能光学薄膜能显著地提高光学系统的性能，使得光学薄膜的设计和制备成为当前科学技术研究的一大热点。高性能光学薄膜的实现得益于光学薄膜膜系设计和制备工艺提升。伴随着计算机技术的快速发展，光学薄膜膜系设计方法日益完善，且膜系设计效率极速提高。但光学薄膜膜系设计离不开膜料特征参数的确定，包括膜料的物理厚度、折射率和消光系数。当前用于确定膜料特征参数的方法主要分为光度法和椭圆偏振法。使用上述两种方法确定膜料特征参数的研究多是围绕单层膜开展，仅能确定一种膜料的特征参数(郭春,李斌成,"用模拟退火方法确定MgF2薄膜折射率和厚度,"光学精密工程21,858-863(2013).)。然而，高性能的光学薄膜一般至少需要两种或者两种以上的膜料组合设计而成。以往逐一确定各种膜料特征参数的实施办法，工作效率极低，显然不能满足高效光学薄膜膜系设计需求。
真空镀膜技术的深入研究，推动了各种物理气相沉积技术的全面发展，使得高性能光学薄膜的制备成为可能。高性能光学薄膜制备的成功与否则取决于真空镀膜过程中膜料厚度控制的准确性。一般膜料厚度控制精度较高的方法是光控法(A.V.Tikhonravov andM.K.Trubetskov，“Elimination of cumulative effect of thickness errors inmonochromatic monitoring of optical coating production:theory”,AppliedOptics,46(11):2084-2090(2007).)。但是，除简单的高反膜设计以外，为满足光学系统性能需要，光学薄膜多采用非规整膜系设计，这就意味着光学薄膜膜系设计中存在较多的厚度极薄层，此时光控法不适合监控薄层膜料厚度，且光控法存在控制误差累计，严重影响光学薄膜的性能。相比之下，传统的通过监控与膜料物理厚度有关量的控制方法，如石英晶振法、时间控制法和工转转数监控法等，依然是制备高性能光学薄膜最常用的工艺方法。采用这些方法控制膜料物理厚度时，控制信号存在系统误差和延迟误差。文献检索发现，以往真空镀膜过程对膜料物理厚度控制时仅修正了系统误差，而鲜有对延迟误差进行校正。延迟误差的修正对高性能光学薄膜制备是至关重要的。总之，为制备高性能光学薄膜，迫切需要解决上述问题，快速准确地获取膜料特征参数，全面修正膜料物理厚度控制的系统误差和延迟误差。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种用于制备高性能光学薄膜的方法，能准确地获取膜料特征参数，精确地确定膜料物理厚度控制误差校正因子，全面优化光学薄膜设计，提高膜料物理厚度控制精度。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种用于制备高性能光学薄膜的方法，该方法的步骤如下：
步骤(1)、按照光学薄膜性能需要，设计初始膜系，并采用物理气相沉积技术制备光学薄膜；
步骤(2)、使用分光光度计或者椭偏仪对光学薄膜性能进行表征；
步骤(3)、建立光学薄膜结构模型，实现膜料特征参数与光学薄膜性能关联；
步骤(4)、对光学薄膜实测特性数据进行反演，通过多参数拟合确定膜料特征参数，同时获取各种膜料物理厚度控制的系统误差和延迟误差校正因子；
物理气相沉积技术制备光学薄膜时，光学薄膜膜系中任意层膜料的实际物理厚度与期望物理厚度间满足如下关系：
d1＝Δ0d0+Δ1 (1)
式中：d1和d0分别是膜料实际物理厚度和期望物理厚度；Δ0和Δ1分别是膜料物理厚度的系统误差校正因子和延迟误差校正因子。
步骤(5)、依据获得的膜料特征参数，按照光学薄膜性能要求，重新优化光学薄膜膜系设计，结合膜料物理厚度控制误差修正，采用物理气相沉积技术制备高性能光学薄膜。
所述步骤(1)中的光学薄膜可以是增透膜、高反膜、分光膜、滤光膜和偏振膜。
所述步骤(1)中的初始膜系可以是单层膜或者多层膜；所述的物理气相沉积技术制备光学薄膜选用的膜料可以是一种或者多种。
所述步骤(1)中的物理气相沉积技术包括热舟蒸发、电子束蒸发、等离子体辅助沉积、离子束辅助沉积、离子束溅射沉积、磁控溅射沉积和原子层沉积。
所述步骤(2)中光学薄膜性能指的是透过率、反射率和/或反射系数比的模和幅角，所述的使用分光光度计或者椭偏仪对光学薄膜性能进行表征，分别指的是分光光度计对薄膜透过率和/或反射率的测量，椭偏仪对薄膜反射系数比的模和幅角表征。
所述步骤(3)中膜料特征参数包括物理厚度、折射率和消光系数。
所述步骤(4)中物理气相沉积技术制备光学薄膜过程中控制膜料物理厚度的方法有石英晶振法、时间监控法和转数控制法。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明依据对初始设计制备的光学薄膜性能表征，经过实测数据反演能高效地确定各种膜料的特征参数。
(2)本发明充分考虑了物理气相沉积技术制备光学薄膜过程中膜料物理厚度控制的系统误差和延迟误差，符合光学薄膜制备工艺的物理实际能显著地提高膜料物理厚度控制精度。传统方法仅关注系统误差修正，未考虑薄膜物理厚度的延迟误差。本发明提出的方法实现系统误差控制精度高于99.9％，延迟误差控制达到0.1nm精度，特别适用于各种光学薄膜制备。
附图说明
图1为本发明用于制备高性能光学薄膜的方法的流程示意图；
图2为实测沉积在石英基底上的宽带增透膜透射率曲线，其中，虚线和实线数据分别代表考虑膜料物理厚度控制的延迟误差前后实测透射率光谱；
图3为两种光学玻璃基底、单面镀膜和双面镀膜的透射率曲线，其中，(a)N-SF1玻璃；(b)N-SSK8玻璃。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
图1为本发明用于制备高性能光学薄膜的方法的流程示意图。具体实施步骤如下：首先，按照光学薄膜性能需要，设计初始膜系，并采用物理气相沉积技术制备光学薄膜；再使用分光光度计或者椭偏仪对光学薄膜性能进行表征。其中分光光度计对光学薄膜透射率和/或反射率进行测量，椭偏仪对光学薄膜的反射系数比的模和幅角进行测试；接着，建立光学薄膜结构模型，实现膜料特征参数与光学薄膜性能关联，这里膜料特征参数包括物理厚度、折射率和消光系数；然后对光学薄膜实测特性数据进行反演，通过多参数拟合确定膜料特征参数，同时获取物理气相沉积技术制备光学薄膜过程中膜料物理厚度控制的系统误差和延迟误差校正因子；最终依据获得的膜料特征参数，按照光学薄膜性能要求，重新优化光学薄膜膜系设计，结合膜料物理厚度控制误差修正，采用物理气相沉积技术制备高性能光学薄膜。
高性能光学薄膜指的是光学薄膜的光谱性能尽可能满足薄膜实际应用需要，具体体现在光学薄膜制备时薄膜实测光谱数据尽可能与理论设计结果相符。由于真空镀膜过程薄膜厚度控制存在系统误差和延迟误差，致使制备的光学薄膜性能与理论设计存在偏差，如何准确校正薄膜厚度控制误差是制备高性能光学薄膜的工作重点。
下面通过实施例对本发明做进一步说明：
以石英玻璃为基底，采用本发明提出的方法，使用物理气相沉积技术制备了480nm-720nm的单面宽带增透膜。薄膜样品制备后，单面增透膜在450nm-800nm波段范围的透射率采用美国PE公司生产的Lambda 1050型分光光度计测量，实测光谱数据如图2所示。其中，光学薄膜制备中仅考虑膜料物理厚度系统误差而没校正延迟误差时，制备的宽带增透膜的实测光谱数据如图2中虚线所示，显然该方案制备的光学薄膜透过率曲线在500nm-550nm波段存在缺陷，单面宽带增透膜在480nm-720nm波段的平均透过率约为95.8％；当光学薄膜制备中充分考虑膜料物理厚度控制的系统误差和延迟误差时，制备的宽带增透膜的实测光谱数据如图2中实线所示，实测单面宽带增透膜在480nm-720nm波段的平均透过率高于96.4％。实验结果充分证实，采用本发明提出的方法，依据光学薄膜制备的物理实际，全面校正膜料物理厚度控制的系统误差和延迟误差，由此制备的宽带增透膜光谱性能更佳，在480nm-720nm波段的平均透过率提高0.6％，与理论计算结果非常吻合。
石英玻璃是最常用的低折射率基底，结合常用的高折射率N-SF1玻璃和中等折射率N-SSK8玻璃基底上制备光学薄膜性能对本发明做进一步说明。图3(a)所示为，高折射率N-SF1玻璃基底未镀膜，以及采用本发明提出的方法制备600nm-900nm波段的单面和双面宽带增透膜后的实测透过率曲线。单面宽带增透的N-SF1玻璃在600nm-900nm波段的平均透过率为93.1％，双面宽带增透的N-SF1玻璃在该波段的平均透过率高达99.6％；图3(b)所示为，中等折射率N-SSK8玻璃基底未镀膜，以及采用本发明提出的方法制备600nm-900nm波段的单面和双面宽带增透膜后的实测透过率曲线。单面宽带增透的N-SSK8玻璃在600nm-900nm波段的平均透过率为94.2％，双面宽带增透的N-SSK8玻璃在此波段的平均透过率优于99.7％。上述实施例充分说明本发明方法对各种玻璃基底上制备高性能增透膜的可行性，基于光学薄膜制备的常识，本发明提出的方法对常用的高反膜、分光膜、滤光膜和偏振膜的制备同样具有普适性。
总之，本发明提出一种制备高性能光学薄膜的方法，通过准确地获取膜料特征参数和膜料物理厚度控制误差校正因子，全面优化光学薄膜设计，提高膜料物理厚度控制精度，实现各种高性能光学薄膜制备。本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
Claims (5)
1.一种用于制备光学薄膜的方法，其特征在于，该方法的步骤如下：
步骤(1)、按照光学薄膜性能需要，设计初始膜系，并采用物理气相沉积技术制备光学薄膜；
步骤(2)、使用分光光度计或者椭偏仪对光学薄膜性能进行表征；
步骤(3)、建立光学薄膜结构模型，实现膜料特征参数与光学薄膜性能关联；
步骤(4)、对光学薄膜实测特性数据进行反演，通过多参数拟合确定膜料特征参数，同时获取各种膜料物理厚度控制的系统误差和延迟误差校正因子；
物理气相沉积技术制备光学薄膜时，光学薄膜膜系中任意层膜料的实际物理厚度与期望物理厚度间满足如下关系：
d1＝△0d0+△1 (1)
式中：d1和d0分别是膜料实际物理厚度和期望物理厚度；△0和△1分别是膜料物理厚度的系统误差校正因子和延迟误差校正因子；
步骤(5)、依据获得的膜料特征参数，按照光学薄膜性能要求，重新优化光学薄膜膜系设计，结合膜料物理厚度控制误差修正，采用物理气相沉积技术制备高性能光学薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种用于制备光学薄膜的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的初始膜系是单层膜或者多层膜；所述的物理气相沉积技术制备光学薄膜选用的膜料是一种或者多种。
3.根据权利要求1所述的一种用于制备光学薄膜的方法，其特征在于：所述步骤(2)中光学薄膜性能指的是透过率、反射率和/或反射系数比的模和幅角，所述的使用分光光度计或者椭偏仪对光学薄膜性能进行表征，分别指的是分光光度计对薄膜透过率和/或反射率的测量，椭偏仪对薄膜反射系数比的模和幅角表征。
4.根据权利要求1所述的一种用于制备光学薄膜的方法，其特征在于：所述步骤(3)中膜料特征参数包括物理厚度、折射率和消光系数。
5.根据权利要求1所述的一种用于制备光学薄膜的方法，其特征在于：所述步骤(4)中物理气相沉积技术制备光学薄膜过程中控制膜料物理厚度的方法有石英晶振法、时间监控法和转数控制法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510292686.0A CN104849861B (zh) | 2015-06-01 | 2015-06-01 | 一种用于制备光学薄膜的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510292686.0A CN104849861B (zh) | 2015-06-01 | 2015-06-01 | 一种用于制备光学薄膜的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104849861A CN104849861A (zh) | 2015-08-19 |
| CN104849861B true CN104849861B (zh) | 2017-08-08 |
Family
ID=53849626
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510292686.0A Active CN104849861B (zh) | 2015-06-01 | 2015-06-01 | 一种用于制备光学薄膜的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104849861B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106199952B (zh) * | 2016-07-05 | 2019-01-08 | 中国建筑材料科学研究总院 | 一种减少观察角度变化产生色差的膜系设计及制备方法 |
| CN106154544B (zh) * | 2016-08-31 | 2019-01-08 | 中国建筑材料科学研究总院 | 膜系多角度光谱敏感性分析方法及其应用 |
| CN107893216B (zh) * | 2017-09-30 | 2020-04-28 | 同济大学 | 一种修正石英监控法制备宽带增透膜沉积误差的方法 |
| CN114815130B (zh) * | 2022-03-11 | 2023-12-01 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 基于离子束的光学薄膜元件的面形控制方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000190207A (ja) * | 1998-12-28 | 2000-07-11 | Tdk Corp | 研磨方法及び薄膜磁気ヘッドの製造方法 |
| FI109245B (fi) * | 2000-09-29 | 2002-06-14 | Abb Oy | Menetelmä sähköverkon komponentin taajuussuojaukseen ja taajuusrele |
| US7247345B2 (en) * | 2002-03-25 | 2007-07-24 | Ulvac, Inc. | Optical film thickness controlling method and apparatus, dielectric multilayer film and manufacturing apparatus thereof |
| CN101307488B (zh) * | 2007-05-15 | 2012-05-09 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 多晶硅薄膜的制备方法 |
-
2015
- 2015-06-01 CN CN201510292686.0A patent/CN104849861B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104849861A (zh) | 2015-08-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104849861B (zh) | 一种用于制备光学薄膜的方法 | |
| CN101403806B (zh) | 基于锗基底的可见/红外宽光谱分色片 | |
| CN107893216B (zh) | 一种修正石英监控法制备宽带增透膜沉积误差的方法 | |
| CN102703880B (zh) | 利用原子层沉积制备高精度光学宽带抗反射多层膜的方法 | |
| CN103018798A (zh) | 低损耗深紫外多层膜的制备方法 | |
| CN108265269A (zh) | 提升多层激光薄膜元件环境稳定性的镀膜方法 | |
| CN105568227A (zh) | 一种同质双层氧化铪减反膜及其制备方法 | |
| CN108169827B (zh) | 一种深紫外波段宽带分束薄膜膜层的制备方法 | |
| CN102983226A (zh) | 一种多结太阳电池宽光谱减反射膜及其制备方法 | |
| CN116590683B (zh) | 一种光学薄膜及其制备方法、光学薄膜元件 | |
| CN102928894B (zh) | 193nmP光大角度减反射薄膜元件的制备方法 | |
| CN111286700B (zh) | 基于混合物单层膜的光学镀膜元件面形补偿方法 | |
| CN108227048B (zh) | 硅晶圆上的一种低发射率红外增透膜 | |
| CN104834025B (zh) | 一种基于纳米刻蚀的日盲紫外增透膜 | |
| CN207908721U (zh) | 硅晶圆上的一种低发射率红外增透膜 | |
| JP4793011B2 (ja) | 反射防止膜形成方法 | |
| CN108614313B (zh) | 可调的降低光学表面反射率的方法 | |
| CN115877491B (zh) | 一种偏移光学厚度的激光倍频分束镜及其制备方法 | |
| JP2011256442A (ja) | 成膜方法 | |
| US20160195656A1 (en) | Structure of ultraviolet light polarization component and manufacturing process therefor | |
| CN107561614B (zh) | 一种大口径均匀性滤光片及其制备方法 | |
| CN106772710B (zh) | 一种减反射膜的制备方法及大角度入射减反射膜 | |
| CN221056698U (zh) | 模压硫系玻璃镜片 | |
| CN113881926B (zh) | 一种提升光学薄膜沉积精度的方法 | |
| CN115980995A (zh) | 抑制半波孔的倍频分束薄膜的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |