磁控溅射光学膜均匀性改进

　　随着光通讯的发展，对光学薄膜的性能要求越来越高，这对镀膜机的均匀性提出更高要求。本文通过设计一种新的夹具，使镀膜机的均匀性由1%优化为0.1%。

　　随着光通讯以及其他行业的飞速发展，各种不同功能的光学薄膜涌现，其光谱性能要求越来越高，使用越来越广泛，50G，GFF 等高难度薄膜的需求越来越多，这对镀膜机的要求也越来越高。

　　目前市场上的主流镀膜机均匀性最高只能达到1%，在镀制普通光学薄膜时影响不大，但是在镀制50G，GFF 等高难度薄膜时，镀膜的良率和产量都很难达到要求。目前业界的措施多为使用遮蔽板来优化均匀性。但是遮蔽板一来需要大量试验来确定尺寸，同时不同的膜系遮蔽板不能通用，这大大限制了遮蔽板的使用。本文通过直接对镀膜机的夹具进行改进来改善均匀性，目前未见相关报道。

1、镀膜机的结构

　　本文使用OCLI 的J-CLASS 磁控溅射镀膜机，主要由真空系统，溅射系统，光控系统3 部分组成，因真空系统和光控系统对均匀性影响较小，本文不做赘述。主要介绍溅射系统，如图1 所示：镀膜基片用螺丝锁在一个安装在腔体顶部，高速旋转的轴上，如图2 所示：

图1 溅射系统

图2 镀膜基片安装示意图

2、镀膜机的均匀性

　　以如下设计来镀制一个均匀性实验，前36层以1535nm 波长监控，后面37 层用1565nm 波长监控。

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　　测量的光谱曲线如图3：

图3 均匀性设计光谱曲线

　　光谱曲线的左右两个峰，分别代表低折射率材料和高折射率材料的谱线， 用这个谱线的0.5dB 带宽中心波长来计算均匀性。

　　测量半径方向各点光谱，可以分别测得各点高低折射率材料的0.5dB 带宽中心波长，得到半径- 中心波长曲线，如下：

图4 原夹具均匀性曲线

　　均匀性计算公式为：均匀性=(中心波长最大值-最小值)/ 监控波长*100%。计算出镀膜机的均匀性为：

　　低折射率材料均匀性=(1549.3-1535)/1535=0.9%。

　　高折射率材料均匀性=(1577.6-1565)/1565=0.8%。

3、新设计的夹具

　　老夹具采用螺丝固定基片，基片与旋转轴完全锁死，由马达带动基片高速旋转。但是机械运动中不可避免的存在各种振动，以及由于功率波动带来的速率不稳定，会导致基片旋转的速率不稳，以及基片的抖动，从而导致均匀性不好。

　　本文设计一种全新的夹具，示意图如图5：采用一个光滑圆球，使基片在高速旋转时，在离心力的作用下，减少摩擦力，使旋转更平稳，从而提高径向的均匀性，其各部分结构实物图如图6 所示。

图5 新夹具示意图

图6 新夹具实物图

　　基片与旋转轴之间采取动连接，依靠摩擦力来带动基片旋转。而飞行球以及套环很光滑，可以有效的屏蔽马达功率不稳带来的速率不稳以及各种振动带来的基片抖动，从而显著提高膜层的均匀性。

4、改进夹具后的均匀性

　　采取和改进夹具之前相同的均匀性实验方法，测得改进夹具后的均匀性结果如图7：

图7 新夹具均匀性曲线

　　通过计算，高低折射率材料的均匀性分别如下：

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

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

5、结论

　　本文采用一种全新设计的夹具，成功的将径向均匀性从约1%改善到0.1%，使镀制高性能薄膜以及提高镀膜良率提供了一种新的方法，与使用遮蔽板相比，不需要设计一系列的遮蔽板以及经常更换遮蔽板，可以降低成本，减少实验，提高生产效率。