薄膜光学第四章课件

教学内容教学目的和要求光学薄膜器件的质量要素（光学性能、机械、环境等）；

影响膜层质量的工艺要素；

获得精确膜层厚度的方法；

获得均匀膜层的方法。了解和掌握影响光学薄膜质量的主要因素以及控制方法。光学镀膜技术光学镀膜工艺光学镀膜理论和设计4.1光学薄膜器件的质量要素

光学镀膜器件的光学性能光学薄膜的光学常数：折射率和厚度。膜层折射率误差来源、膜层厚度误差来源膜层折射率误差来源1）膜层的填充密度，也叫聚集密度。它是膜层的实材体积和膜层的几何轮廓之比。2）膜层的微观组织物理结构。即使用同样的膜层材料，采用不同的物理气态沉积技术（PVD），得到的膜层具有不同的晶体结构状态，具有不同的介电常数和折射率。3）膜层的化学成分。采用PVD的热蒸发技术制造光学薄膜几乎每一种化合物的膜层材料蒸发时都会有一定程度的热分解。沉积在基板表面的膜层是蒸发源材料热分解后又在零件表面再次化合反应的化合物膜层、分解物以及未分解材料的混合物，而且分解、化合反应进行的程度也受不同工艺的影响。最后所得到的是混合物的平均折射率。控制膜层折射率就是要控制这三个因素的影响！

光学镀膜器件环境稳定性环境因素：盐水雾水、高温高湿、温度剧变、酸碱腐蚀等。选用化学稳定性好的材料作为膜料；提高膜层的聚集密度。对于致密膜层，酸、碱、盐、水等对膜层的腐蚀是面腐蚀，腐蚀速度慢，耐久性强；相反对于结构疏松的膜层，酸、碱、盐、水等对膜层的腐蚀会渗透到内部，属于体腐蚀，腐蚀速度快，耐久性差。选材受到的制约往往比较多，所以提高光学镀膜器件耐久性关键是提高膜层的填充密度。膜层填充密度对膜层质量的影响膜层填充密度的定义：膜层材料的折射率为nf，实心材料的折射率为ns，膜层内空隙介质的折射率nv。则有加权平均折射率膜层填充密度可以影响到折射率、膜层的机械强度和稳定性、膜层应力和散射等。膜层填充密度：膜层颗粒大小、膜层密度。大颗粒膜层带来1）膜层表面粗糙，于是光线散射损耗大，表面摩擦系数大，抗摩擦损伤能力差。2）结构疏松，不结实。提高膜层填充密度需考虑的工艺因素有：基片温度、沉积速率、真空度、蒸汽入射角以及离子轰击等。膜层填充密度低，膜层内空隙分量加大。1）膜层与基底间的吸附能力小，膜层结构疏松、牢固度差；2）膜层结构不规则，均匀性差；3）空隙吸收环境气体导致膜层有效光学厚度对环境温度变化比较敏感，导致光学特性不稳定；4）增加光学损耗，降低光束质量；5）表面粗糙，抗摩擦能力差；6）不结实；7）抗腐蚀性能差。沉积速率的影响：沉积速率：单位时间内在被镀表面上形成的膜层厚度来表示。是描述薄膜沉积快慢的工艺参数（nm.s-1）。沉积速率低，凝结只能在大的聚集体上进行，膜层结构疏松。提高沉积速率，膜层颗粒细而致密，膜层均匀，散射小，牢固度好。沉积速率影响主要的薄膜参数：折射率、牢固度、机械强度、附着力等。提高沉积速率的方法：提高蒸发源的温度和增大蒸发源的面积。受真空度影响主要的薄膜参数：折射率、散射、机械强度和不溶性等。基片温度的影响：基片温度对膜层原子和分子提供额外的能量补充。主要影响膜层结构、凝集系数、膨胀系数、聚集密度等。宏观上反映在折射率、散射、应力、附着力、硬度和不容性等方面的差异上。1）冷基片：一般用于蒸镀金属膜；2）升温优点：将吸附基片表面的剩余气体排除，增加基片与沉积分子之间的结合力；促使膜层的物理吸附向化学吸附转化，使膜层更加紧密，附着力增加，提高了机械强度；减少蒸汽分子再结晶温度与基片温度之间的差异，提高膜层的密集度，增加膜层的硬度，消除内应力。过高温度可导致膜层结构变化或膜料分解。离子轰击的影响：镀前轰击：使基片表面因离子溅射剥离而再清洁和电活化，提高膜层在基片表面的凝集系数和附着力。镀后轰击：提高膜层的聚集密度，增进化学反应提高机械强度、均匀性和抗激光损伤阈值。基片材料的影响：1）基片材料的膨胀系数不同将导致膜层的热应力不同；2）化学亲和力不同影响膜层的亲和力和牢固度。基片清洁的影响：残留在基片表面的污物和清洁剂将导致1）膜层对基片的附着力差；2）散射或吸收增大，抗激光损伤阈值低；3）透光性能变差。膜层材料的影响：膜层材料的化学纯度、物理状态的预处理（真空烧结或锻压）影响膜层的结构和性能。蒸发方法的影响：不同的蒸发方法提供给蒸发分子和原子的初始动能差异很大，影响膜层的折射率、散射、附着力等。蒸气入射角的影响：蒸气入射角指蒸汽分子入射方向与基片沉积表面法线的夹角。影响膜层的生长特性和聚集密度，所以影响膜层的折射率和散射特性等。一般控制在30以内。烘烤处理的影响：在大气中对膜层加温处理，有利用于应力释放，对膜层的折射率、应力和硬度等有影响。提高膜层的机械强度需要考虑的工艺参数为：1）真空度的提高，聚集密度增大，牢固度增加，膜层结构得到改善，化学成分变纯但应力增加。2）沉积速率提高，聚集密度增大，膜层结构得到改善，光散射变小，牢固度增加。提高沉积速率的途径为增加蒸发源的面积和提高蒸发源的温度。3）基片温度的提高，有利于将吸附在基片表面的剩余气体分子排除，增加基片和沉积分子之间的结合力；同时会促使物理吸附向化学吸附转化，使膜层更加致密。但温度过高会使膜层变质。

提高膜层机械强度的工艺途径（附着力、应力、聚集密度等）控制折射率的主要工艺途径控制折射率的主要途径有：1）真空度。真空度的提高，聚集密度增大，折射率会相应提高。2）基片温度。提高基片温度可以促进沉积的膜料分子与剩余气体分子的化学反应，改变膜层的结晶形式和晶格常数，从而改变折射率。3）膜料蒸气分子到基片的入射角。影响膜层的生长特性和聚集密度，所以影响膜层的折射率。小的入射角有利于提高折射率。4）沉积速率。提高蒸发速率，使膜层颗粒细而致密，折射率也会提高。

获得致密膜层的方法光学性能：环境稳定性和制造重复性。机械性能：牢固性和耐久性。提高膜层填充密度对提高膜层的质量是非常关键的。提高膜层填充密度的途径1）提高真空度：减少膜料蒸汽分子与真空室残余气体的碰撞几率。这种碰撞会使膜料气体分子改变运动方向和速度，使得膜层松散粗糙，严重的甚至不能沉积成膜。真空度的提高，能使得吸附在基质表面的残余气体减少，提高膜层的吸附力，增大膜层填充密度。另外能减少膜料气体分子与残余气体间的化学反应，改善膜层的纯度和晶体结构等。2）提高基片表面的清洁度。提高基片温度可以促进沉积的膜料分子与剩余气体分子的化学反应，改变膜层的结晶形式和晶格常数，从而改变折射率。3）膜料蒸气分子到基片的入射角。影响膜层的生长特性和聚集密度，所以影响膜层的折射率。小的入射角有利于提高折射率。4）沉积速率。提高蒸发速率，使膜层颗粒细而致密，折射率也会提高。单层膜反射率

对于确定波长，当膜层光学厚为四分之一波长整数倍时，反射率有极值。（定波长检测）对于确定膜层光学厚，当波长满足四倍光学厚的整数分之一时，在该波长处反射率有极值。（定光学膜厚检测）极值法缺陷：1.对极值点判断比较困难；过正控制。选比某波长（满足nd=/4）稍短的波长作为监控波长，允许反射率或透过率有一定的过正量，让停镀点避开极值点。3）光电定值法。此法实际上是极值法的一种改进形式。通常需在控制片上先预镀适当的膜层，使得可使用截止波长作为控制波长，提高截止波长的准确定位，也可增加每一层膜层控制信号的变化幅度从而减少监控误差。适用于干涉滤光片的监控。

高级次监控。增大反射率或透过率变化的总幅度，减少相对判断误差，提高膜层控制精度。预镀监控片。通过提高监控片的有效光学导纳，增大反射率或透过率的变化幅度，减少相对判断误差。2.受限于所用测量光电元件的响应。

任意厚度的薄膜厚度监控技术1）石英晶体监控；石英晶体具有压电效应。其固有频率不仅取决于几何尺寸和切割类型，还与其厚度有关。厚度的改变使得固有频率发生变化。影响膜层厚度均匀性的主要因素：1）蒸发源的发射特性。获得均匀膜层厚度的方法

不同结构（点源、面源或螺旋丝）的蒸发源有不同的发射特性。每一种蒸发源的发射分布即随经度不同，也随纬度不同。2）同一种蒸发源不同的膜料，有不同的分布特性。不同膜料，不同蒸发温度和热传导率，造成蒸发点大小形状不同。3）蒸发源与被镀件的相对位置对膜层厚度分布影响非常大。4）被镀件的面形对于膜层厚度的分布影响也很大。获得均匀膜层厚度的途径1）可以获得均匀膜层厚度的蒸发源与零件的位置：点状蒸发源置于被镀件所在的球心位置；面装蒸发源位于被镀件所在的同一球面上。2）基板表面的平行性和基板温度的均匀性控制。3）采用旋转夹具；转动速度必须保持平稳。4）膜层的沉积速率尽可能平稳。5）控制真空度变化幅度。6）增设膜层厚度的调节板。光学薄膜材料（光学、机械和化学性质）金属薄膜：铝、银和金等。反射率高、截止带宽、色中性好以及偏振效应小，但吸收较严重，机械强度较低。不透明金属膜在空气中垂直入射时的反射率为介质和半导体薄膜的材料要求：透明度、折射率、机械牢固度、化学稳定性以及抗高能辐射。透明度：大部分介质材料在可见及红外波段都是透明的，而半导体在近红外和红外去是透明的。选择材料的原则是使透明区有尽可能高的透明度，即消光系数尽可能小。高折射率在可见光区的消光系数比低折射率大1至2个量级；易分解的氧化物材料（TiO2、TaO5等）的消光系数比常用的硫化物和氟化物（ZnS、MgF2）高；多晶薄膜的损耗最大，其次为无定型结构，单晶最小。折射率：薄膜的折射率应做到是确定的和可以重复的（工艺稳定）。依赖下面几个因素：材料种类。如材料外层价电子容易极化，折射率就高。对于类似的原子结构，随着原子量增加，折射率也增加。对于化合物，电子键结合的化合物比离子键结合的折射率高。折射率按递增顺序排列为卤化物、氧化物、硫化物以及半导体材料。色散：正常色散和反常色散。晶体结构不同折射率也不同。机械强度和化学稳定性：薄膜和基片、薄膜与薄膜之间良好的附着性；薄膜的应力尽可能小且其性质相反（压应力和张应力），以降低多层膜的积累应力。结合具体使用场合选材胶合使用的场合，对机械和化学性能比较低；潮湿场合，对耐潮湿性能比较讲究；海面应用场合，对盐