付秀華，王一博，潘永剛，何云鵬，任海峰

（1 長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

（2 長春理工大學(xué)中山研究院，廣東 中山 528436）

（3 光馳科技（上海）有限公司，上海 200444）

0 引言

光學(xué)透鏡鍍膜后可以抑制反射光，提高透過率，通常應(yīng)用于數(shù)碼相機鏡頭、車載鏡頭和監(jiān)控鏡頭等。膜厚均勻性是指膜厚隨著基板表面位置變化而變化的情況［1］，也是評定薄膜質(zhì)量的一個重要指標，膜厚均勻性差會對膜系特性造成嚴重的影響。光學(xué)透鏡由于曲率大，中心和邊緣位置的膜厚相差較多。用常規(guī)的鍍膜設(shè)備鍍制光學(xué)透鏡的膜厚均勻性較差。

為了改善光學(xué)透鏡的膜厚均勻性，2013 年，長春理工大學(xué)的付秀華等對射頻等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中真空室內(nèi)的電場進行模擬分析，在大面積頭罩上鍍制了厚度均勻性小于3%的金剛石薄膜［2］。2013 年，中科院長春光學(xué)精密機械與物理研究所的張立超等提出了一種修正擋板的方法，在球面光學(xué)元件上實現(xiàn)了膜厚厚度均勻性小于2%，該方法適用于簡單旋轉(zhuǎn)或行星旋轉(zhuǎn)沉積系統(tǒng)［3］。2014 年，蘭州空間技術(shù)物理研究所的吳偉等以熱蒸發(fā)鍍膜機為基礎(chǔ)，對半球基板表面鍍膜的膜厚分布情況進行分析，計算出均勻性較好時蒸發(fā)源與基底的幾何配置［4］。2020 年，福特科光電股份有限公司的朱元強根據(jù)行星夾具的膜厚理論模型，對半球透鏡膜厚分布進行計算，發(fā)現(xiàn)改變蒸發(fā)源的形式能改善膜厚均勻性，在未安裝修正擋板的情況下，點蒸發(fā)源可以把膜厚均勻性控制在5%內(nèi)［5］。2006 年，OLIVER J B 等通過模擬二級行星系統(tǒng)中的基板運動軌跡，分析出了二級行星系統(tǒng)膜厚均勻性優(yōu)于其他旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的原因，最終可將500 mm 范圍內(nèi)的膜厚均勻性提升到1%［6］。2021 年，西安工業(yè)大學(xué)的樊彥崢等針對旋轉(zhuǎn)平面夾具分析了夾具高度以及蒸發(fā)源與中心軸距離對鋁膜膜厚均勻性的影響，設(shè)計了合適的修正擋板，膜厚均勻性從不加修正檔板時的17.8%改善到3.9%［7］。2021 年，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所的潘永剛等研究了旋轉(zhuǎn)球面夾具系統(tǒng)的膜厚分布，并通過MathCAD 建立的數(shù)學(xué)模型求解出了修正板的面積，最終可將Ta2O5單層膜的膜厚不均勻度控制在0.6%以內(nèi)［8］。2021 年，陳延涵針對行星盤傾角與行星盤直徑對透鏡膜厚均勻性進行研究，建立與三級盤傾角、公轉(zhuǎn)半徑等條件之間關(guān)系的彎月透鏡表面相對膜厚分布模型，可將彎月透鏡凸面表面膜厚均勻性控制在±2.45%以內(nèi)［9］，本文在其基礎(chǔ)上研究離子束刻蝕對透鏡膜厚均勻性的影響。

1 基本原理

對于大曲率小尺寸光學(xué)元件來說，三級公自轉(zhuǎn)行星系統(tǒng)，因三級行星盤較小、自轉(zhuǎn)軸與鏡片光軸重合度高，所以相比二級行星機構(gòu)膜厚均勻性更好。

1.1 三級公自轉(zhuǎn)行星系統(tǒng)膜厚分布模型

三級公自轉(zhuǎn)行星盤運動模型如圖1 所示，以腔體底部中心點o為原點建立坐標系。從上到下分別為一級盤、二級盤、三級盤，公轉(zhuǎn)周期分別為T1、T2、T3，T1∶T2∶T3=1∶1∶4。一級盤與主軸同速逆時針旋轉(zhuǎn)，二級盤隨著主軸逆時針公轉(zhuǎn)并隨二級軸逆時針自轉(zhuǎn)，三級盤隨二級軸逆時針公轉(zhuǎn)并隨三級軸順時針自轉(zhuǎn)。

針對圖1 研究星盤上任一點的運動軌跡，簡圖如圖2，假定真空室內(nèi)材料分子之間、材料分子與殘余氣體分子之間無碰撞，且材料分子達到基板表面上全部淀積成致密的薄膜，計算膜厚分布情況。

由于本實驗采用設(shè)備與文獻［9］中使用的設(shè)備為同一臺，P點運行軌跡與膜厚分布模型相同，故相對膜厚為［9］

式中，n是蒸發(fā)源蒸汽參數(shù)，m是材料的總質(zhì)量，ρ是膜層密度，γ是蒸發(fā)源與鍍膜點源之間的距離，φ是面源法線與連接蒸發(fā)源和鍍膜表面的直線所構(gòu)成的角度，θ是鍍膜表面法線與連接蒸發(fā)源和鍍膜表面點之間的直線所構(gòu)成的角度。

根據(jù)空間解析幾何知識，可將錐形夾具上任意一點P的膜厚D（x，y，z）進一步表示為

將透鏡凸面固定在點，cosθ用向量關(guān)系可表示為

式中，L是蒸發(fā)源與腔體中心之間的距離，xN、yN、zN為圖2 中透鏡凸面任一點（除頂點外）N在行星盤上的空間位置，xQ、yQ、zQ為透鏡凸面球心點Q在行星盤上的空間位置。

將式（3）帶入式（2），得到在錐形夾具下透鏡凸面表面任一點（除頂點外）N的膜厚公式為

在未裝修正擋板的情況下，通過式（4）計算TN與TM之比，以此分析透鏡的膜厚分布曲線。

式中，j為沉積過程的時間，TM為透鏡凸面圓弧頂點的膜厚，TN為透鏡凸面（除頂點外）任一點的膜厚。

1.2 離子束刻蝕原理

離子束刻蝕原理為利用高頻電磁波振蕩或輝光放電將氬氣電離，在放電室形成等離子體，并通過多孔柵極產(chǎn)生的加速電場，引出帶有能量的離子束。離子束轟擊基板表面，撞擊時將動能傳遞給被碰原子，引起原子之間的級聯(lián)碰撞［10］。在一次或多次碰撞過程中，如果基板表面的原子獲得更多能量，而此能量大于結(jié)合能時，就會從基板表面脫落，實現(xiàn)對基板表面膜層的刻蝕。

2016 年，ANDERS A［11］繪制了適用于能量沉積的拓展結(jié)構(gòu)區(qū)域相圖，研究了等離子體輔助沉積過程中相關(guān)參數(shù)對薄膜制備的影響，其中包括高能粒子轟擊過程以及離子刻蝕作用的影響。

本文對其結(jié)構(gòu)區(qū)域相圖進行研究，通過多次實驗，根據(jù)離子束刻蝕原理，得到了離子束密度與膜厚比例關(guān)系如圖3 所示。可以看出，隨著離子束密度的增加膜層厚度減小。

2 膜層均勻性研究與分析

實驗設(shè)備為光馳科技（上海）有限公司OTFC1800X 型三級公自轉(zhuǎn)行星真空鍍膜機，該設(shè)備配有雙擴散泵抽氣系統(tǒng)、MXC-3 膜林膜厚控制儀、6 位晶控探頭、雙180°電子槍、并配有反射電子捕捉器（Back Scattering-Electron Trap，BST）、非聚焦型射頻離子源。其中一、二、三級行星盤半徑分別為700 mm、250 mm、120 mm。

以玻璃材質(zhì)的平凸透鏡為例，尺寸如圖4 所示，研究非聚焦型射頻離子源對球面光學(xué)元件膜厚均勻性的影響。

球面光學(xué)元件表面的彎曲程度可以用光學(xué)元件通光口徑（Clear Aperture，CA）與光學(xué)元件表面曲率半徑（Radius of Curvature，ROC）的比率τ來描述，τ為正值表示凸球面，負值表示凹球面，τ的絕對值越大，光學(xué)元件表面彎曲越大［12］。凸面的半張角β=31°、曲率半徑R=13 mm、通光孔徑CA=13.5 mm，τ=1.04。

測量時將透鏡放在顯微分光鏡頭下的平臺上，調(diào)節(jié)平臺的角度將鏡頭對準透鏡，測量點位如圖5，有5 個點。其中0°測量點位為透鏡頂點，而15°、27°測量點分別為平臺15°、27°顯微分光鏡頭所測量的位置。為了在圖片中方便表示，將測量點位-27°、-15°、0°、15°、27°分為用-2、-1、0、1、2 表示。

2.1 無離子束刻蝕時行星盤傾角對膜層均勻性的影響

2.1.1 二級行星盤傾角對膜層均勻性的影響

為了研究二級行星盤不同傾角對膜厚均勻性的影響，將透鏡固定在二級行星盤的中心位置，依次調(diào)節(jié)二級盤的傾角為15°、45°、68°，用表1 的工藝參數(shù)鍍制一層厚度為360 nm 的Ti3O5單層膜，并研究其膜層均勻性。其中，E/B表示中和器電流與離子源電流的比值。圖6 為二級行星盤角度分別為15°、45°、68°時的膜厚分布曲線。從圖6 可知，膜厚分布曲線呈半弧狀，頂點位置明顯多于邊緣位置，-2 與2 兩測量點位，膜層相差較多。

表1 Ti3O5單層膜的蒸鍍工藝參數(shù)Table 1 Evaporation process parameters of Ti3O5 monolayer film

2.1.2 三級行星盤傾角對膜層均勻性的影響

為了研究三級行星盤不同傾角對膜厚均勻性的影響，將透鏡固定在三級行星盤的中心位置，依次調(diào)節(jié)三級盤角度為15°、45°、68°，用表1 的工藝參數(shù)鍍制的Ti3O5單層膜，膜厚分布曲線如圖7。通過圖6 和7 可知，由于透鏡頂點與邊緣的入射角不同，透鏡頂點位置的膜厚明顯多于邊緣位置。使用二級行星盤時測量點位-2、2 兩點膜厚相差較多，使用三級行星盤相對改善了這一情況。

利用LRMS-600PI 顯微分光儀將使用二級盤和三級盤鍍制的透鏡進行測量，通過測量點位波長的偏差反應(yīng)薄膜光學(xué)厚度的偏差［13］，其中λmax為測量波長最大值，λmin為測量波長最小值。膜厚均勻性表示為

通過表2 可知，隨著行星盤的角度增加，膜層均勻性增加，且三級行星盤傾角為68°時，均勻性最佳，為3.9%。所以實驗將透鏡放在傾角為68°的三級行星盤上進行。

表2 不同行星盤傾角時膜厚均勻性Table 2 Uniformity of film thickness at different planetary disc angles

2.2 沉積過程中離子束刻蝕對膜厚均勻性的影響與分析

為了研究沉積過程中離子束刻蝕對膜厚均勻性的影響，根據(jù)離子束刻蝕原理，用非聚焦型離子源對沉積過程中的膜層進行刻蝕，利用沉積速率與刻蝕速率不同修正膜厚均勻性。測試其離子源能量分布，見圖8，離子源的能量分布為中心強邊緣弱，呈半弧狀。

在沉積Ti3O5單層膜同時用Ar+離子轟擊膜層表面。離子源參數(shù)見表3。

表3 離子源參數(shù)Table 3 Ion source parameters

膜厚分布曲線如圖9 所示，膜厚均勻性有明顯的提升，離子束刻蝕后膜厚分布曲線更趨近于一條直線，經(jīng)計算Ti3O5的膜層均勻性從3.91%提升到0.36%。

由圖9 可知，透鏡頂點受到離子束能量最大，從頂點到邊緣依次減弱，兩側(cè)刻蝕具有對稱性。

2.2.1 離子源電流對膜層均勻性的影響

離子源電流值（Beam Current，BC）影響離子束密度，離子束流密度反應(yīng)的是單位時間內(nèi)單位面積上離子的多少［14］。采用控制變量法，在離子源其他參數(shù)恒定的條件下，改變離子源電流值，測試其離子束密度，并研究其對Ti3O5膜層均勻性的影響。

通過表4 可知，其他條件恒定不變，離子源電壓值為1 500 V 時，離子源電流增加，Ti3O5的膜層均勻性先減小后增加，BC 值從1 300 mA 增加至1 400 mA，離子束密度從63.6 μA/cm2提升到了67.1 μA/cm2，其均勻性從1.26%提升到0.53%。而BC 值從1 400 mA 增加至1 500 mA 時，離子束密度從67.1 μA/cm2提升到了71.9 μA/cm2，其均勻性從0.53%降低至0.54%，均勻性并無太大改變，但圖10 可見，當離子束密度達到71 μA/cm2，相同時間內(nèi)轟擊膜層的離子數(shù)量增加，對透鏡頂點膜層刻蝕程度過大，膜厚分布曲線呈凹狀。

表4 不同離子源電流的膜厚均勻性Table 4 Film thickness uniformity of different ion source currents

2.2.2 離子源電壓對膜層均勻性的影響

離子源電壓（Beam Voltage，BV）的改變主要影響離子束能量，離子束能量隨著電壓的增大而增大。

通過表5 可知，在其他參數(shù)不變的情況下，當離子源電流為1 500 mA，改變離子源電壓值，研究其對Ti3O5膜層均勻性的影響，并測試離子密度。當電壓值從1 300 V 提升至1 400 V，離子密度從67.3 μA/cm2提升至69.9 μA/cm2，膜層均勻性從0.45%提升至0.36%。從圖11 膜厚分布曲線得知離子束刻蝕透鏡具有對稱性。

表5 不同離子源電壓的膜厚均勻性Table 5 Film thickness uniformity of different ion source voltages

2.2.3 分析

對比分析實驗結(jié)果中離子源電流和電壓對膜厚均勻性的影響。

由表6 可知，改變離子源電流值對膜厚均勻性的影響更大，在離子源電壓恒定為1 500 V 的情況下，電流值增加100 mA，離子束密度增加3.4 μA/cm2，膜厚均勻性提升0.73%。而離子源電流值恒定為1 500 mA時，電壓值增加100 V，離子束密度增加2.6 μA/cm2，膜層均勻性提升0.09%。這是因為離子源電流值主要影響離子束密度，離子束密度增加得越多，單位面積時間單位面積上離子數(shù)量也增加得更多，對膜厚均勻性影響更大。

表6 Ti3O5單層膜離子源參數(shù)Table 6 Ti3O5 monolayer membrane ion source parameters

測試不同離子源參數(shù)的離子束密度，計算不同離子源參數(shù)下的膜層均勻性，繪制了膜厚分布等高線顏色填充圖。見圖12，當離子束密度61～69.97 μA/cm2時，均勻性數(shù)值隨離子束密度增加而降低，均勻性在離子束密度達到69.97 μA/cm2時最佳，為0.36%。

2.3 沉積結(jié)束后離子束刻蝕對膜厚均勻性的影響

為研究沉積結(jié)束后刻蝕對膜厚均勻性的影響，用Optilayer 先擬合沉積結(jié)束后（未刻蝕）的膜層厚度，刻蝕30 min 后再擬合膜厚，以此求得刻蝕速率。

通過表1 的工藝條件沉積Ti3O5單層膜，成膜結(jié)束后，待真空度達到8.0×10-4Pa，分別按照表7 中的參數(shù)設(shè)置離子源，使其產(chǎn)生的非活性Ar+［15］刻蝕膜層表面，測試刻蝕速度并計算最優(yōu)刻蝕時間?？涛g速度公式為

表7 離子源參數(shù)Table 7 Ion source parameters

式中，Rrate為刻蝕速率，Tr為刻蝕的物理膜厚，Tw為刻蝕前的物理膜厚，t為刻蝕時間。表8 為透鏡不同位置的刻蝕速度。

表8 透鏡不同位置的刻蝕速度Table 8 Etching speed at different positions of the lens

最優(yōu)刻蝕時間公式為

式中，R為刻蝕速率，下角標數(shù)字為測量角度的值。

經(jīng)過計算，最佳刻蝕時間為1 957 s，刻蝕后膜厚均勻性為1.14%。

3 兩種刻蝕方法對透鏡的影響

對比研究沉積時刻蝕和沉積結(jié)束后刻蝕兩種刻蝕方法對透鏡膜厚均勻性和表面粗糙度的影響。

3.1 對膜厚均勻性的影響

采用表6 的工藝參數(shù)，用兩種方法分別對膜層進行刻蝕。沉積時刻蝕的刻蝕速度快，成膜時膜料分子剛達到基板表面，未形成致密結(jié)構(gòu)時被Ar+轟擊，此時膜層原子脫離需要的能量小，部分膜層脫落。而沉積結(jié)束后刻蝕速度慢，因在先成膜的過程中膜層已經(jīng)形成致密結(jié)構(gòu)，原子脫落需要的能量大，離子束很難將其刻蝕掉。

通過圖13 可知，沉積結(jié)束后因刻蝕速度慢和膜層透鏡頂點與邊緣膜厚的相差值為固定值，此方法膜厚均勻性受限制，最高為1.14%。由圖14 可知，在沉積時刻蝕，氣相沉積鍍膜同時，采用離子束進行轟擊膜料分子，能達到更好的均勻性。

3.2 對表面形貌影響

使用Zygo 激光干涉儀分別測量了未鍍膜、邊沉積邊刻蝕、和先成膜后刻蝕的透鏡粗糙度，如圖15?？芍?，三種處理方式下的透鏡粗糙度分別為0.036 nm、0.037 nm、0.038 nm，兩種方法的刻蝕均未影響透鏡的粗糙度。

4 結(jié)論

本文以平凸透鏡為例，研究了三級公自轉(zhuǎn)行星結(jié)構(gòu)的膜厚均勻性。采用離子束刻蝕技術(shù)修正透鏡膜厚均勻性，采用沉積時刻蝕和沉積結(jié)束后刻蝕兩種方法，測試其對膜層均勻性和表面形貌的影響。結(jié)果表明在未安裝修正擋板的情況下，三級行星盤傾角σ為68°時，采用沉積時刻蝕的方法鍍制Ti3O5單層膜，膜厚均勻性達到0.36%，面粗糙度為0.037 nm。

本實驗方法適用于小尺寸球面光學(xué)元件，如想對大尺寸球面光學(xué)元件提升膜厚均勻性，在二、三級行星盤加入行徑角和修正檔板，將會是進一步的研究方向。