常用光学薄膜的基本设备-原理和方法35

1、教学内容教学目的和要求光学镀膜系统的组成及其作用；真空的获得和检测方法；用热蒸发方法制造光学薄膜；用溅射方法制造光学薄膜；离子镀原理和方法。了解常用光学薄膜的根本设备、原理和方法。.3.1 常用光学真空镀膜系统获得光学薄膜两种工艺：物理气相堆积和化学液相堆积CLD 物理气相堆积PVD：在真空条件下，采用物理方法，将资料源固体或液体外表气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并经过低压气体(或等离子体)过程，在基体外表堆积具有某种特殊功能的薄膜的技术。主要方法：真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜及分子束外延等。特点：须在真空下进展，本钱高，但膜厚可以准确控制，膜层强度好。. 化学液相堆积

2、CLD：工艺简单，本钱低，但膜层厚度不能控制，膜层强度差，较难获得多层膜且存在水污染问题。光学真空镀膜机的组成：真空系统、热蒸发系统和膜层厚度控制系统。什么是真空？压强低于一个大气压的任何气态空间。真空度：表征真空的物理量。实践上是用气体压强来表示的。压强越小，真空度越高。量度单位：帕斯卡Pa1mmHg=133.3Pa; 1Torr(托)=133.3Pa; 1mbar(毫巴)0.75 Torr100 Pa.真空的划分粗真空：103Pa；低真空：103 101 Pa；高真空：101 106 Pa；超高真空：106Pa真空划分的根据 大于103Pa以上的气体性质与常压差不多；其气流特性一气体之间的

3、碰撞为主，压力在103Pa左右气体开场出现导电景象。 101 Pa是普通机械泵能到达的极限真空。 106 Pa为分散泵能到达的极限真空。在101 106 Pa区真空特性以气体分子与容器壁碰撞为主。在超高真空区，气体分子在固体上以吸附停留为主，此时丈量和获得的工具与高真空区也不一样。.真空系统:真空室、抽真空设备、真空检测设备真空在薄膜制备中的作用：1 减少蒸发分子和剩余气体的碰撞； 碰撞引起蒸发气体运动散乱。2 抑制它们之间的反响。 蒸发分子和剩余气体间的反响影响光学膜的纯度。.蒸发分子和剩余气体的碰撞N0个蒸发分子行进间隔d后未受剩余气体分子碰撞的数目为温度和气体种类一定时有：lP=常数对于

4、25C的空气， lP0.667cmPa被碰撞的百分比为提高平均自在程，需提高真空度。.例题：设蒸发源到基板的间隔为30cm, 在25C时,如要求80%以上的蒸汽分子在行进的过程中不碰撞, 那么要求真空度至少为多少? 假设真空度为6.710-3Pa, 那么碰撞的气体分子大约占百分之几? 解：由对于25C的空气， lP 0.667cmPa，于是假设 P=6.710-3Pa,那么：于是.为保证膜层质量，f 需10 光学镀膜系统的真空度目的。蒸发分子和剩余气体间的反响需思索剩余气体分子到达基板的速率和蒸发分子到达基板的速率。为保证膜层质量，被碰撞的几率f10，那么有光学真空镀膜机的真空系统：1小型机:

5、高真空油分散泵+低真空机械泵+低温冷阱；2大型机:高真空油分散泵+低真空机械泵+罗茨泵+低温冷阱 或高真空低温冷凝泵无油，近来。.高真空油分散泵+低真空机械泵+低温冷凝泵抽真空步骤：1用低真空机械泵先将真空室抽到低于5Pa的低真空形状，为油分散泵后续抽真空作预备；2由机械泵和油分散泵串联机组将真空室抽到高真空形状10-3Pa。此时机械泵的作用是协助油分散泵将气体排到大气中。低温冷凝泵的最大优点为无油，防止油污染，镀膜结实性好。罗茨泵可辅助提高机械泵和油分散泵串联机组的抽气速度，从而紧缩抽真空时间，提高任务效率。抽真空设备.热蒸发系统普通光学真空镀膜机中有电阻热蒸发电极用于蒸发低熔点资料两对，电

6、子束蒸发源用于蒸发高熔点资料一至两个。膜层厚度控制系统精细的膜层厚度控制系统是光学镀膜系统的特点。按控制方法可分两类：1石英晶体膜厚仪。它是基于石英振荡频率随膜厚的添加而衰减的原理进展膜厚丈量的，所丈量的是几何膜厚。丈量灵敏度可达0.1nm。2光电膜厚仪。它以被镀光学零件的透过或反射信号随膜厚的变化值作为丈量膜厚的根据，所测的是膜层的光学厚度。丈量灵敏度较低。属于新技术，有望完善取代前者。.3.2 真空的获得与检测真空泵主要性能参数 抽气速率体积流率：L/s, m3/s； 极限真空: 可以抽到的最低压强； 启动压强: 泵无损启动，并有抽气作用的压强； 前级压强: 排气口压强； 最大前级压强反压

7、强：超越了就会使泵损坏或不能正常任务的前级压强。.真空泵分类1气体传输泵：经过不断吸入和排出气体到达抽气的目的。 变容式泵腔容积周期性变化完成吸气和排气。如油封旋片式机械泵、罗茨泵等。 能量传动式用高速旋转的叶片或高速射流把能量传送给气体分子，使气体分子延续地从入口向出口运动。如分子泵、油分散泵等。2气体捕集泵：利用泵体、任务物质对气体分子的吸附和凝结作用抽出容器内的气体。如吸附泵、吸气剂泵和低温泵等。真空泵任务范围机械泵: 1105Pa；罗茨泵: 10104Pa；油分散泵: 110-6Pa；窝轮分子泵: 110-8Pa；溅射离子泵: 110-8Pa；低温泵: 10-110-8Pa。.留意：直

8、接用于抽大气并向大气中排气的只需机械泵。机械泵原理简介机械泵性能目的抽气速率体积流率：叶片个数转速泵腔的容积； 极限真空: 5.010-2Pa ； 启动压强: 1.013105Pa ； 前级压强: 1.013105Pa； 任务压强: 1.013105Pa 1.333105Pa。常用的真空泵：机械泵、分子泵和罗茨泵、分散泵和低温冷凝泵等。.实际根底：PV=RT即，压强体积=常数温度翻开进气口增大体积吸气关上进气口，减少体积翻开出气口排气。.分散泵原理简介.加热高纯真空油至蒸发向上放射俘获气体将气体带出机械泵，同时油遇冷变成液态流向油槽。分散泵性能目的极限真空: 10-7Pa ； 启动压强: 10

9、-5Pa ； 前级压强: 1Pa； 任务压强: 1.010-1Pa 1.010-6Pa。.罗茨泵原理简介两个“8字型的转子安装在一对平行轴上，由传动比为1的一对齿轮带动做同步反向转动。转子之间、转子和泵壳内壁坚持少量间隙。翻开进气口增大体积吸气关上进气口，减少体积翻开出气口排气。辅助提高机械泵和油分散泵串联机组的抽气速度。.低温冷凝泵原理简介利用低温冷凝和低温吸附原理抽气的容积式真空泵。是获得无油高真空环境的设备。其最大特点就是无油污染。低温冷凝：用液He冷却气体外表可达4.2K。它可用来冷凝空气中除H2、He以外的大部分气体。低温吸附：在低温外表粘贴一些固体吸附剂，气体分子到达这些多孔的吸附

10、外表就被搜集。特点：1.无油污染；2.抽速大；3.运转费低，操作简单；4.顺应性强真空腔内无运动部件，抗外界干扰和真空系统微粒影响才干强；5.可安装在任何部位；6.运动部件少且低速运转，寿命长；7.极限真空都可达10-7Pa，有的型号可达10-9Pa。.机械泵的性能特点：能直接抽大气或向大气排气。用于低真空场所，抽速较慢。分散泵的性能特点： 不能直接抽大气或向大气排气。必需在有水冷的条件下任务。极限真空接近10-7Pa。罗茨泵的性能特点： 抽速较快，用于低真空场所，不能直接抽大气或向大气排气。分子泵的性能特点：不需任何任务液体，属于纯机械运动，极限真空10-8Pa。不能直接抽大气或向大气排气。

11、低温冷凝泵的性能特点：低温冷凝和低温吸附原理。无油，高真空。不能直接抽大气或向大气排气。极限真空10-8Pa。.真空度的检测热电偶真空计、热阴极电离真空计和冷阴极电离真空计三种。热电偶真空计原理：低压强下的气体的热传导与气压有关，在低真空情况下与气压成正比。丈量范围为0.1313Pa。热电偶真空计特点： 能测容器内的真实压强，且能延续丈量和能远间隔读数；构造简单容易制造；即使气压忽然升高也不会烧毁。 规范丈量曲线因气体种类而异；由于热惯性，读数滞后；受外界热辐射等影响较大；老化景象严重。.热阴极电离真空计原理：具有足够能量的电子在运动中与气体分子碰撞会引起电离，产生正离子和电子。而电子在一定的

12、“飞行路程中与气体分子的碰撞次数又正比于气体分子密度。在温度一定时正比于气压。经过丈量正离子数来丈量气压。丈量范围为0.1105 Pa。热阴极电离真空计优点：1呼应快，可延续读数，也可远间隔控制；2可测高真空度；3规管小，易于衔接到被丈量处；热电离真空规管.4普通电离真空计的校准曲线范围较宽，约0.1105 Pa；5对机械振动不敏感。热阴极电离真空计缺陷：1灵敏度与气体种类有关；2压强大于0.1Pa时，灯丝易烧毁。如没维护安装，一旦漏气，规管立刻烧毁；3任务时产生化学去除作用或电去除作用，呵斥压强改动，影响丈量精度；4玻璃壳、电极放电作用会影响丈量精度。.热蒸发经过加热使膜层资料蒸发。主要的光

13、学镀膜方法。电阻加热：低压大电流使高熔点金属制成的蒸发源产生热，从而导致所承载的膜料气化或升华。优点：构造简单、经济而且操作方便。缺陷：1不能蒸发高熔点的资料；2膜料容易热分解；3膜料粒子初始动能低，膜层填充密度低，机械强度差。选用蒸发源应思索的要素：1熔点高，热稳定性好；2蒸发源在任务温度有足够低的蒸气压；3不与膜料反响；4高温下与膜料不相湿相渗或虽然相湿，但不相溶。5经济实惠。.蒸发源的外形随不同的膜层资料的不同而不同。可以采用电阻加热蒸发或升华的膜料有金属、介质或半导体。.电子束加热灯丝经过大电流，其内部的一部分电子因获得足够的能量而逸出外表，发射出热电子。这样高速运动的电子流在外加磁场

14、的作用下聚焦成细束轰击膜料外表，使电子的动能转化为膜料的热能电子枪。发射电流密度和金属温度的关系e型电子枪逸出电子在外加场作用下加速轰击靶资料外表，动能变成热能。.电子束加热优点：1电子束的焦斑大小位置均可调，既方便利用小坩锅，也可以利用大坩锅；2可以一枪多锅，易于蒸发工艺的反复稳定；蒸发速度易控，方便运用多种膜料和一源多用；3灯丝易屏蔽维护，不受污染，寿命长；4运用维修方便；5可蒸发高熔点的资料W, Ta, Mo, 氧化物和陶瓷等；6可快速升温至蒸发温度，化合物分解少；7膜料粒子初始动能高，膜层填充密度高，机械强度高。.溅射用高速正离子轰击膜料外表，经过动量传送，使其分子或原子获得足够的动能

15、从靶外表逸出，在被镀外表凝结成膜。其实际根底是气体的辉光放电：气压在110Pa时，高压电极间气体电离构成的低压大电流导体，并伴有辉光的气体放电景象。与热蒸发镀膜技术比较，其优点为：膜层在基片上的附着力强，膜层纯度高，可同时溅射多种不同成分的合金膜或化合物；其缺陷为：需制备公用镀料，靶利用率低。.将溅射室的真空抽到10-310-4Pa后充入惰性气体至110-1Pa，在阴极上加数千伏负高压，这时出现辉光放电，离子向靶加速运动，经过能量传送，靶材原子被贱出而淀积在基板上。.离子镀属于真空热蒸发与溅射两种技术相结合而产生的一种新工艺。被蒸发粒子在从蒸发源到基板的途中离化，然后向具有负偏压的基板加速。兼

16、有热蒸发的高成膜速率和溅射高能离子轰击得致密膜层的双优效果。.离子镀的优点为：1膜层附着力强。高能粒子轰击使基板更加清洁，产生高温、膜层纯度高，还使附着力弱的原子或分子产生溅射分开基板。另外，促进了膜层资料的外表分散和化学反响，甚至产生注入效应，因此大大加强附着力。2膜层密度高。高能粒子不仅外表迁移率大，而且再溅射时抑制了淀积时的阴影效应，因此膜密度接近块资料。3膜层均匀性好。基板前后外表均能淀积薄膜。凡电力线能设计的部位就能镀膜，该技术可用于复杂外形的光学镀膜。4膜层淀积速率快。离子镀利用热蒸发技术，最高淀积速率可达50m/min。5可在任何资料的工件上镀膜施加高频电场。.制造高硬度的机械刀

17、具和耐磨的固体光滑膜，在金属和塑料等制品上镀耐久的装饰膜等。离子镀的常见类型：蒸发源：可以是任何一种热蒸发方式。离化方式：直流辉光放电、高频辉光放电、弧光放电、电子束、热电子型等等。已构成的适用技术：活化离子镀、空心阴极离子镀和弧源离子镀等。.离子辅助镀在热蒸发镀膜技术中，增设离子发生器，即离子源，产生离子束，在热蒸发进展的同时，用粒子束轰击正在生长的膜层，构成致密均匀构造聚集密度接近于1，使膜层的稳定性提高，到达改善膜层的光学和机械性能的目的。离子辅助的作用镀前轰击：在镀膜前的0.53min，用离子束轰击将要镀膜的零件外表既能清洁待镀膜的外表，又紧缩了离子轰击镀中轰击时间，更能使离子轰击的作

18、用得到最大程度的发扬。.镀中轰击的作用有以下三个方面：1溅射突出岛，消除阴影效应，破坏柱状构造，构成均应填充生长。2膜层粒子受轰击而获得高阈值能的能量时，就可以产生级联碰撞，这样添加原子、分子的迁移率，使膜层粒子间严密结合，有利于构成致密构造。3膜层粒子受离子轰击而获得高阈值能的能量时，其晶格振动加剧，构成部分热峰。当多数粒子均因此而构成部分热峰时，将产生明显的淬火效应。.用于离子辅助镀的离子源：利用气体放电产生等离子体，并能从等离子体中引出离子束。冷阴极辉光放电离子源：冷阴极二次电子发射维持辉光放电。特点：1冷阴极任务寿命长，适用于活性气体；2构造简单，操作方便；3放电电压高400500V，束流小1020 mA，能散度大，束流和能量不能独立调理。热阴极弧光放电：热阴极电子发射维持弧光放电。特点：1热阴极任务寿命短，不适用活性气体；2构造复杂；3低任务电压、低放电电压，束流大数百毫安能散度小，束流和