光学薄膜技术第三章薄膜制造技术全解.doc

第三章 薄膜制造技术 光学薄膜可以采用物理汽相沉积（PVD)和化学液相沉积（CLD)两种工艺来获得。CLD工艺简单，制造成本低，但膜层厚度不能精确控制，膜层强度差，较难获得多层膜，废水废气对环境造成污染，已很少使用。 PVD需要使用真空镀膜机，制造成本高，但膜层厚度能够精确控制，膜层强度好，目前已广泛使用。 PVD分为热蒸发、溅射、离子镀、及离子辅助镀等。 制作薄膜所必需的有关真空设备的基础知识 用物理方法制作薄膜，概括起来就是给制作薄膜的物质加上热能或动量，使它分解为原子、分子或少数几个原子、分子的集合体（从广义来说，就是使其蒸发），并使它们在其他位置重新结合或凝聚。 在这个过程中，如果大气与蒸发中的物质同时存在，那就会产生如下一些问题： ①蒸发物质的直线前进受妨碍而形成雾状微粒，难以制得均匀平整的薄膜； ②空气分子进入薄膜而形成杂质； ③空气中的活性分子与薄膜形成化合物； ④蒸发用的加热器及蒸发物质等与空气分子发生反应形成化合物，从而不能进行正常的蒸发等等。 因此，必须把空气分子从制作薄膜的设备中排除出去，这个过程称为抽气。空气压力低于一个大气压的状态称为真空，而把产生真空的装置叫做真空泵，抽成真空的容器叫做真空室，把包括真空泵和真空室在内的设备叫做真空设备。制作薄膜最重要的装备是真空设备． 真空设备大致可分为两类：高真空设备和超高真空设备。二者真空度不同，这两种真空设备的抽气系统基本上是相同的，但所用的真空泵和真空阀不同，而且用于真空室和抽气系统的材料也不同，下图是典型的高真空设备的原理图，制作薄膜所用的高真空设备大多都属于这一类。 下图是超高真空设备的原理图，在原理上，它与高真空设备没有什么不同，但是，为了稍稍改善抽气时空气的流动性，超高真空设备不太使用管子，多数将超高真空用的真空泵直接与真空室连接，一般还要装上辅助真空泵（如钛吸气泵）来辅助超高真空泵。 3.1 高真空镀膜机 1.真空系统 现代的光学薄膜制备都是在真空下获得的。普通所说的真空镀膜，基本都是在高真空中进行的。 先进行(1)然后进行(2)。因为所有的（超）高真空泵只有在真空室的压力降低到一定程度时才能进行工作，而且在高真空泵（如油扩散泵）中，要把空气之类的分子排出，就必须使排气口的气体压力降低到一定程度。 小型镀膜机的真空系统 低真空机械泵+高真空油扩散泵+低温冷阱 低真空机械泵先将真空室抽到＜5pa的低真空，为后续抽真空提供前提条件；机械泵与油扩散泵组成串联机组，可将真空室抽到10-3 pa的高真空。 大型镀膜机 高真空油扩散泵+低真空机械泵+罗茨泵+低温冷阱 罗茨泵作为提高抽气速度、压缩抽真空时间、提高生产效率的辅助真空泵。 无油真空系统 高真空低温冷凝泵+低真空机械泵 低温冷凝泵的最大优点是无油，有效避免了油扩散泵的油污染问题。膜层更牢固。 2、热蒸发系统 电阻热蒸发电极两对、电子束蒸发源一个或两个。 电阻热蒸发电极用于蒸发低熔点材料；电子束蒸发源用于蒸发高熔点材料。 3、膜层厚度控制系统 ① 石英晶体膜厚仪——基于石英晶体振荡频率随膜层厚度的增加而衰减的原理进行测厚，测的是膜 层的几何厚度。 ② 光电膜厚仪——以被镀零件的光透射或反射信号随膜层厚度的变化值作为测量厚度的依据，测的是膜 层的光学厚度。灵敏度较低。 3.2 真空与物理汽相沉积 用物理方法制作薄膜，概括起来就是给薄膜材料加上热能或动量，使它们蒸发，并在其他位置重新结合或凝聚。 PVD设备被称做真空镀膜机。这些设备的共同突出的特点就是需要高真空。 3.2.1 PVD 与真空 1、热蒸发工艺过程 光学薄膜的淀积中用得最多的是热蒸发法。它的基本原理是把被蒸发材料加热到蒸发温度，使之挥发淀积到放置在工件架上的零件表面，形成所需要的膜层。见右图1 一般运用的加热方式主要有电流加热、高频加热和电子束加热。 2、大气PVD存在的问题 常压时，气体分子密度太高，进入膜层成为杂质。蒸发膜料大多因碰撞而无法直线到达被镀件。 3、真空PVD的优点 气体分子的平均自由行程大于蒸发源到被镀件之间的距离。被镀膜层材料在高真空条件下容易蒸发， 容易获得高纯膜，膜层坚硬，成膜速度快。 3.2.2 真空与压强 所谓“真空”，是指在给定的空间内，压强低于101325帕斯卡(也即一个标准大气压强约101KPa)的气体状态，并非一无所有。处于真空状态下的气体稀簿程度，通常用“真空度”来表示。 “真空度”顾名思义就是真空的程度。是真空泵等抽真空设备的一个主要参数。 真空度的计量采用与压强相同的方法和单位。 高真空度——低压强；低真空度——高压强 压强单位：Pa（帕斯卡 Pascall），简