光学薄膜技术第三章薄膜制造技术

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10-3pa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。3.2.1PVD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），简称“帕”1(atm)标准大气压=760mmHg=101325Pa真空在薄膜制备中的作用主要有二个方面：一是减少蒸发材料的分子与残余气体分子的碰撞，这样才能将分子在蒸发过程中所得到的动能，全部转换成与基板的结合能，以得到牢固的光学薄膜。二是抑制蒸发材料的分子与真空室中残余气体之间的反应。3.2.3PVD所需真空度基本确定原则：气体分子的平均自由程大于蒸发源到被镀件之间的距离d。即膜料蒸汽的每一个分子都无碰撞地喷镀到零件表面。经计算，当d=1m时，真空度p=7×10-3Pa，但此时的碰撞概率为63%。规定：碰撞概率＜10%；计算：真空度p≈7×10-4Pa大多数镀膜机的d=0.5m，所以光学镀膜机的真空度指标设定为p＜1.3×10-3Pa这时才能有效地减少碰撞现象的产生。3.3真空的获得与检验真空泵是获得真空的关键设备，现代光学薄膜技术中获得真空的设备主要有以下几种：机械泵——罗茨泵——油扩散泵——分子泵——冷凝泵等。3.3.1真空泵1、真空与真空泵抽真空——抽出容器内的气体，获得真空状态的过程或动作。真空泵——用于抽出容器内气体的机器。2、常见真空泵类型⑴分类气体传输泵——能使气体不断吸入和排出而达到抽气的目的。如油封旋片式机械泵、罗茨泵。气体捕集泵——利用泵体、工作物质对气体分子的吸附和凝结作用抽出容器内的气体。如低温泵、吸附泵。⑵各种真空泵的工作范围实际上能够直接用于抽大气并向大气中排气的真空泵只有机械泵。而单独使用机械泵只能获得低真空。因此，镀膜机的真空机组最少需要两个真空泵形成接力式真空机组，才能获得所需要的高真空度。3、旋片式机械泵机械泵是采用旋片式的转子和定子组成，随着转子的旋转，不断地进行吸气、压缩和排气的循环过程，使连到机械泵的真空室获得真空。油的作用：它有润滑和密封的作用，排气阀及其下部的泵体空腔用密封油密封，机械泵的密封油即机械泵油，它是一种矿物油。4、油扩散泵典型的高真空泵在圆柱状的筒内安装着三级喷嘴，圆筒下部的油用装在下面的电炉加热蒸发，使气压达到1托左右，然后从三个喷嘴向出气口的方向喷射。从进气口扩散来的空气分子被卷进喷射的油蒸气中而向着出气口方向加速前进。被与排气口连接的机械泵抽走。虽然油蒸气流的大部分冲向出气口，但还是有一部分冲向进气口，因此，在扩散泵的进气口一般要安装水冷挡板或者液态氮捕集器，使油蒸气冷凝，以减少油蒸气向真空室中扩散。用于喷射的油，在高温时一接触大量的空气就容易变质。即使在常温下，如果长时间接触一个气压的空气，也会因吸收空气中的水分等而使泵的性能下降。因此，在油扩散泵不工作时，一定要关闭进气口和出气口的阀门，以尽量使内部保持良好的真空状态。5、罗茨泵提高由机械泵和油扩散泵组成的真空机组的抽气速度。①在较宽的压强范围内有较快的抽速；②启动快，能立即工作；③对被抽气体中含有的灰尘和水蒸气不敏感④转子不必润滑，泵腔内无油；⑤振动小，转子动平衡条件好，没有排气阀；⑥驱动功率小，机械摩擦损失小⑦结构紧凑。罗茨泵在泵腔内，有二个“8”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为1的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。由于转子的不断旋转，被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间v内，再经排气口排出。在转子之间，转子与泵壳内壁之间，保持有一定的间隙，可以实现高转速运行。在一根轴上安有3～5级的罗茨型转子,它为三级罗茨泵的构造,各级转子由中间壁来隔离,形成各级的泵腔,上一级的排气口连到下一级的进气口,各级串联应用,各级转子的直径和形状是相同的,而各级转子的宽度有时是不同的。3.3.2低温冷凝泵低温冷凝泵是一种利用低温冷凝和低温吸附原理抽气的真空泵抽气原理:在低温泵内设有由液氦或制冷机冷却到极低温度的冷板。它使气体凝结，从而达到抽气作用。低温抽气的主要作用是低温冷凝、低温吸附和低温捕集。①低温冷凝：气体分子冷凝在冷板表面上或冷凝在已冷凝的气体层上；抽氢时，冷板温度比抽空气时更低。低温冷凝抽气冷凝层厚度可达10毫米左右。②低温吸附：气体分子以一个单分子层厚被吸附到涂在冷板上的吸附剂表面上。吸附的平衡压力比相同温度下的蒸气压力低得多。③低温捕集：在抽气温度下不能冷凝的气体分子，被不断增长的可冷凝气体层埋葬和吸附。由于泵的冷表面可以直接放入需抽真空的空间，甚至是真空空间的一个组成部分，所以它不需用管道连接，冷凝板的面积可做得很大，具有很大的抽气速率，是一般的扩散泵难以达到的。低温冷凝泵的特点：①真正的无油真空泵：低温冷凝，保持真空，无污染；②抽速大：特别对H2O、H2等气体抽速很大；③运行费用低：只需电和冷却水，不需液氮等低温液体④适应性强：无运动部件，不受外界干扰；⑤可以安装在任何方位；⑥运动部件少且低速运行，寿命长；⑦达到10-7Pa的极限真空度，部分可达到10-9Pa的极限真空度。3.3.3PVD使用的高真空系统3.3.4真空度的检测真空度以残余气体的压力表示。真空度是用真空计进行测量的，但是，被测量的真空度不同，必须采用不同的真空计。在一般的真空设备中，通常附有2-3个真空计。1、热电偶真空计原理：通过热电偶中热丝的温度与压强的关系确定真空度。热丝3的温度随着规管内真空度的提高而升高。测量范围：0.13～13pa优点：①测量的压强是被测容器的真实压强；②能连续测量，并能远距离读数；③结构简单，容易制造；④即使突然遇到气压急剧升高，也不会烧毁。缺点：①标准曲线因气体种类而异；②读数滞后；③受外界影响大；④老化现象严重，必须经常校准。2、热阴极电离真空计（高真空测量）热阴极电离真空计，在一般的真空设备中可以说是几乎不可缺少的真空计，从10-1Pa到l0-5Pa的真空，它都能比较精确地测量。★工作原理——电子在电场中飞行时从电场获得能量，若与气体分子碰撞，将使气体分子以一定几率发生电离，产生正离子和次级电子。其电离几率与电子能量有关。电子在飞行路途中产生的正离子数，正比于气体密度n,在一定温度下正比于气体的压力p。可根据离子电流的大小指示真空度。测量范围：0.1～1×10-5Pa关于这种真空计应该注意的是：由于真空计工作时灯丝处于加热状态，所以，如果它在加热状态下使用于差的真空状态或者误入空气，灯丝就会因氧化而烧断。蒸发系统：热蒸发;溅射;离子镀;离子辅助蒸发3.4热蒸发真空蒸镀法是法拉第在1857年首创的，这是最简便的薄膜制作方法，也是实验室中最普及的方法，真空蒸镀法原理简单，只要在真空中把制造薄膜的物质加热蒸发并使其蒸气附着在基底或工件的表面上就行了。蒸发的过程就是热交换过程，用这种方法制作的薄膜称为真空蒸镀薄膜。真空蒸镀法的优点是：(l)整个设备的结构比较简单；(2)许多物质都可以容易地用真空蒸镀法蒸镀；(3)薄膜的形成机理比较简单，可容易地用晶核的形成和生长理论来解释；(4)由于制作薄膜时热和电的干扰小，所以适用于薄膜形成时薄膜物理性质的研究；(5)能制作具有与主体材料不同成分比的化合物，也能制作具有与主体材料不同晶体结构的物质。真空蒸镀法的缺点：(1)薄膜与基片表面之间的结合力一般是比较弱的；(2)对薄膜结构敏感的一些性质，再现性差，可靠性差，无论用什么方法来制作薄膜这一问题都存在，然而真空蒸镀的薄膜却特别突出；(3)高熔点物质和低蒸气压物质的真空蒸镀膜是很难制作的，特别是经常使用的铂和钽等物质很难用真空蒸镀法来制作薄膜；(4)蒸发物质的坩埚材料也或多或少地一起蒸发，从而混入薄膜中成为杂质。此外，真空设备中的残余气体分子也会进入薄膜成为杂质。蒸发材料的基本加热装置——蒸发源所谓真空镀膜就是在真空中把制造薄膜