随着光学镀膜技术的不断发展及市场对光学薄膜要求的日益提高,具 有精度高,重复性好及功能强大等特点的全自动光学真空镀膜机的需求将越来 越大.目前国产全自动光学真空镀膜系统仍然是采用石英晶体控厚技术来实现, 而采用光学膜厚监控技术的国产全自动光学真空镀膜系统仍然是市场空白,在 这一块的需求上目前仍是由进口镀膜系统所占据,尤其是针对精密光学的光控 全自动光学真空镀膜系统.作为首台国产光控全自动光学真空镀膜系统的出现, 它不仅填补了市场的空白,而且它对于国产光学镀膜机制造企业及国内光学镀 膜行业的发展将起到非常大的促进作用.实验证明本系统的控制功能及控制精 度已经达到并在部分功能上甚至超越了同类进口镀膜系统.

 

关键词:光学膜厚监控;全自动;精密光学镀膜

 

广州标旗电子科技有限公司是海洋光学光纤光谱仪全国总代理,精通光学监控技术，提供光控光谱仪系统，咨询电话(020)38319602 38319620 38319595

 

1,开发背景及目的

光学镀膜的关键是在对膜层厚度特别是光学厚度的精确监控上.目前的监 控方式主要分为两种,第一种是石英晶体监控技术,另一种是光学监控技术. 两者各具优缺点.针对石英晶体监控技术,其工作原理是将一固定电压加到石 英片上,因石英的压电效应会使石英片产生振荡,其振荡频率与质量成反比, 因此通过监测频率的变化量△f即可以推算出膜层的几何厚度.但是当膜层厚度 达到一定值时,石英的振荡频率不再遵从此特性,膜层几何厚度的变化△d与振 荡频率的变化△f不再保持线性关系,因此就存在晶片的使用寿命限制,所以厚 度显示就变得不稳定.而且膜层材料的折射率n因成膜条件(如:真空度,蒸发 速率,基板温度,充气流量等因素)的不同而变化,而石英监控方法无法得知 折射率,所以在做精密光学镀膜时,其显示厚度值大多只能作为参考.

 

沉积光学薄膜目前最常用的办法就是光学监控法.当膜层厚度变化时,其 反射率和透射率会随着发生变化,当反射率或透射率走到最大或最小值时可知 光学厚度nd为监控波长的1/4整数倍.利用这种办法进行监控为极值法,这是目 前国产光学镀膜机膜厚的主要监控办法.但由于△nd=x△T/sin(4лnd/λ),在 极值点附近其透射率的变化缓慢,不仅增加了极值判断的困难,还造成厚度误 差加大.为补救极值法的缺点,我们在系统设计中还加入了比例法.因为选择 了监控波长与设计波长不同,就可以避开极值点停镀的麻烦,选择误差最小的 光学厚度位置进行停镀,就可以使得膜厚的误差大大减少.对于非规整膜系, 比例法也是非常有效的,而且在镀制过程中通过变换监控波长,还可以维持监控的灵敏度.

 

目前市场上的国产光学真空镀膜机主要是采用极值法人工判停的光学监控 或采用石英晶体监控办法的自动镀膜这两种办法.由于这两种办法本身存在的 不足,对镀制多层精密光学薄膜来讲均不能胜任.因此在这种背景下,我们开发了具有自主知识产权的光控全自动光学真空镀膜系统.

 

2,设备架构及工作原理: 首先我们采用了国内外流行的离子辅助蒸镀技术 (IAD) 来构筑设备的主体, 即真空腔体内包含了:电子束蒸发源,离子辅助源,光控系统,石英监控系统, 充气系统及全自动控制系统几大部分.考虑到设备是针对精密光学多层膜的全自动镀膜,所以对所有硬件均设计采用以太网进行数据通讯,并构筑了蒸发速率监控,膜层厚度监控及真空系统与镀膜控制系统等多个闭环控制系统来保证 控制功能及精度.显示终端采用了双界面显示,包括有真空系统监控界面及镀 膜控制监控界面.所有显示界面均采用基于windows系统开发的中文视窗界面, 操作简易并且监控直观.通过工控上位机与PLC的通讯控制下面的执行单元.其中主体的光控系统的架构图如下:

 

提供了透射和反射两种监控方式来对应不同成膜的需要.通过高效光纤将信号 传输到光谱仪,并通过信号转换将电信号传输到计算机进行数据处理.