[发明专利]一种真空镀膜机行星转动夹具上球面光学元件镀膜均匀性修正挡板的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜制备技术领域，尤其一种用于真空镀膜机行星转动夹具中控制球面光学元件薄膜厚度均匀性的修正挡板设计方法。 

背景技术

光学薄膜是现代光学系统的重要组成部分，在几乎所有的光学元件表面，通过物理或者化学方法制备具有特殊性能的薄膜，已经成为改善光学元件光学性能的必须手段。随着高精度光学测量仪器、高分辨光学成像技术以及光刻技术的发展，光学元件口径以及球面光学元件口径/曲率半径比越来越大，为了保证使用了大口径、大口径/曲率半径比球面光学元件的光学系统性能，需要精确控制光学元件薄膜厚度均匀性，进而控制透射或反射率均匀性及波前误差。利用物理气相沉积薄膜时，薄膜沉积速率和分子沉积到光学元件表面时的入射角度有很大关系。在行星转动夹具中球面光学元件的口径比行星转动夹具口径小，并放置在行星转动夹具的中心位置，由于分子沉积到球面上不同位置的入射角度差别很大，导致高曲率度球面光学元件表面薄膜厚度不均匀性相对平面光学元件更加明显。控制薄膜厚度均匀性技术成为球面光学元件镀膜技术中最重要的研究内容之一。 

现有提高光学元件表面薄膜厚度均匀性的方法主要有：（1）通过优化简单或行星转动夹具的运动方式来提高光学元件薄膜厚度均匀性。例如在离子束溅射方法镀膜时，利用双轴驱动行星转动夹具系统（M.Gross,S.Dligatch,and A.Chtanov,“Optimization of coating uniformity in an ion beam sputtering system using a modified planetary rotation method,”Appl.Opt.50,C316-C320 (2011)）可以实现大尺寸平面光学元件薄膜厚度均匀性。由于夹具的运行方式在设计定型后难以改变，这些方法通常只能用于平面光学元件，或者特定形状的曲面光学元件薄膜厚度均匀性的控制；（2）通过安装位置固定或者运动的修正挡板来提高薄膜厚度均匀性。修正挡板通过有选择地遮挡沉积在光学元件上沉积速率较快的位置，达到修正薄膜厚度均匀性的目的。利用修正挡板提高薄膜厚度均匀性已经有广泛的应用，如P.Kelkar等人在行星转动夹具上利用修正挡板在深紫外波段实现了一系列不同口径、不同口径/曲率半径比的球面光学元件薄膜厚度均匀性的控制（P.Kelkar,B.Tirri,R.Wilklow,D.Peterson,“Deposition and characterization of challenging DUV coatings,”Proc.SPIE7606,706708,706708-8(2008)）。利用修正挡板提高薄膜厚度均匀性的优势在于夹具的运行方式固定，仅需要改变修正挡板的形状，因此有更好的适用性和扩展性。 

目前薄膜厚度分布理论以及以此为基础的修正挡板理论设计方法，主要基于如下假设：蒸发膜料在真空中以直线方式传播，直到沉积在光学元件表面或真空室其他位置；膜料沉积速率函数表达式和蒸发方式有关，对于小面积加热蒸发源，膜料的蒸汽分布函数可用cosⁿψ表示（F.Villa and O.Pompa,“Emission pattern of real vapor sources in high vacuum:an overview,”Appl.Opt.38,695–703(1999)）。修正挡板理论设计方法在简单转动夹具上已经被成功使用，如B.Sassolas等人设计的修正挡板实现了大口径曲面光学元件薄膜厚度均匀性的控制（B.Sassolas,R.Flaminio,J.Franc,C.Michel,J.-L Montorio,N.Morgado,and L.Pinard,“Masking technique for coating thickness control on large and strongly curved aspherical optics,”Appl.Opt.48,3760-3765(2009)）。行星转动夹具上镀膜均匀性修正挡板的设计，目前主要是依靠镀膜经验设计初始修正挡板，然后通过大量实验反复修改挡板形状，最终达到预期的薄膜厚度均匀性分布。这种修正挡板设计过程耗时长，通常需要数次甚至十多次的实验过程才能获得满意结果，并且要求设计者经验丰富。利用理论辅助设计修正挡板的方法在行星转动夹具上一直没有得到 应用，主要是因为行星转动夹具中，光学元件始终高速自转，镜面上点的位置相对于修正挡板的位置没有固定的关系，因此不能直接得出修正挡板形状的数学表达式。 

发明内容