镀膜技术介绍

真空镀膜调研•真空镀膜：在真空中把金属、合金或化合物进行蒸发（或溅射），使其沉积在被涂覆的物体（称基片、基板或基体）上的方法。•真空镀膜亦称干式镀膜，与传统的湿法镀膜相比具有如下特点：–真空制备、环境清洁，膜层不易受污染，致密性好、纯度高、膜厚均匀。–膜与基体附着力好，膜层牢固。–不产生废液，避免环境污染。真空镀膜薄膜制备方法真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜法是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜的方法。电阻式蒸发镀膜•蒸发源是真空蒸发镀膜机的关键部件，根据蒸发源的不同可将真空蒸发镀膜分为以下几种：蒸发源电子束加热式电阻加热式感应加热热激光加热式蒸发源电子枪加热电阻高频螺旋线圈大功率激光器优点可蒸镀高熔点膜材，蒸发速率快，膜材不受容器污染，可蒸镀高纯度薄膜。结构简单、造价便宜、适合大批量生产。蒸发速率大（电阻式10倍），温度均匀。可蒸发高熔点面膜材，激光器只能装在真空室外，对薄膜污染少。缺点电子枪造价较高.所镀膜材熔点不高，膜层质量不高，电阻丝寿命有限。蒸发装置必须屏蔽，需要高频发射器。打功率激光器价格昂贵。电阻式蒸发镀膜电阻式蒸发镀膜采用钽、钼、钨等高熔点金属，做成适当形状的蒸发源，其上装入待蒸发材料，让电流通过，对蒸发材料进行直接加热蒸发，或者把待蒸发材料放入Al2O3、BeO等坩埚中进行间接加热蒸发。电子束蒸发镀膜1.电子枪灯丝是损耗零件，需定期更换。2.e型电子枪工作需要一定的真空条件，工作真空度≤6×10-2~2×10-2。3.e型电子枪真个枪头均放置在散热较差的真空室中，特别是电子枪常常用来加热一些高熔点的金属，因此电子枪的散热问题尤为重要。电子枪水冷主要是冷却坩埚、散射电子吸收极及磁极等部分。膜厚理论点蒸发源通常将能够从各个方向蒸发等量材料的微小球状蒸发源称为点蒸发源（简称点源）。假设膜材以每秒m克的蒸发速率想各个方向蒸发，在单位时间内凝结到面dS2上的膜厚t：：单位时间膜厚：蒸发材料的密度tcos42rmt膜厚理论面蒸发源如果蒸发源是小平面，按照余弦定律，膜材在单位时间膜厚t为：2coscosrmt但是，在实际过程中蒸发源并不是理想的点源或面源，用[1]来描述实际的蒸发源更加准确。ncos2coscosrmtn[1]温才,令勇洲,李文俊,等.真空蒸镀氟化镁增透膜的厚度与均匀性控制[J].材料导报,2013,26(22):5-9.真空蒸发镀膜最大的特点是成膜速度快、蒸镀面积大。但是，由于热蒸发的粒子能量低（0.1~1ev），膜层附着力差、容易脱膜，薄膜堆栈密度不高、致密性差，膜层表面粗糙，折射率降低[1]。[1]王英剑,李庆国,范正修.电子束,离子辅助和离子束溅射三种工艺对光学薄膜性能的影响[J].强激光与粒子束,2003,15(9):841-844.真空蒸发镀膜真空溅射镀膜所谓“溅射”就是用荷能离子（通常是气体正离子）轰击物体，从而引起物体表面原子从母体中逸出的现象。射出的粒子大多呈原子状态，常称为溅射原子。用于轰击靶的荷能粒子可以是电子、离子或中性粒子，由于离子在电场下易于加速并获得所需动能，因此大多采用离子作为轰击粒子。与真空蒸发镀膜相比，溅射镀膜有如下的优点：（1）溅射膜与基板之间的附着性好(10~100ev)。（2）溅射镀膜膜层致密，针孔少，且膜层的纯度较高。（3）相比于电子束蒸镀，溅射镀膜层更加光滑。缺点：（1）溅射设备复杂、需要高压装置；（2）溅射淀积的成膜速度低，真空蒸镀淀积速率为1～2nm/s，而溅射速率为0.01～0.04nm/s；真空溅射镀膜王英剑,李庆国,范正修.电子束,离子辅助和离子束溅射三种工艺对光学薄膜性能的影响[J].强激光与粒子束,2003,15(9):841-844.考夫曼离子源1.阴极灯丝加热发射热电子。2.电子与气体原子或分子碰撞。3.气体电离，在放电室形成等离子体。4.多孔栅极产生加速电场。5.离子被加速电场引出、加速、获得能量。6.磁场对电子运动进行约束，增加离化率。7.中和钨丝产生电子。8.中和电子对引出离子中和形成等离子体。霍尔离子源1.阴极钨丝发射热电子向阳极迁移。2.电子与气体原子碰撞使其离化。3.磁场中电子形成霍耳电流产生电场。4.离子被霍耳电场加速引出、加速。5.阴极热电子对引出离子中和形成等离子体。离子源电子束能量优点缺点考夫曼离子源聚焦200~3000高能小束流能量调节宽辐射区较小均匀性差霍尔离子源发散20~200低能大束流辐射区大均匀性较好能量低能量范围小离子源对比由于直接用离子源进行镀膜，成膜速度太慢。目前，对于离子源的使用，多将其作为辅源用于离子束辅助沉积（IAD），配合电子束进行快速蒸镀。IAD可以在镀膜前对基片进行清洗，清除表面污渍。也可以在电子束蒸镀的同时，使用离子源辅助沉积。这可以清除结合力较弱的粒子，增加密度、降低内应力，改善薄膜生长。离子束辅助沉积（IAD）真空离子镀1.当真空室抽至10-4Pa的高真空后，通入惰性气体(如氩)，使真空度达到1-10-1Pa。2.接通高压电源，则在蒸发源与基片之间建立起一个低压气体放电的等离子区。3.加热膜材，蒸汽离子受到等离子体中电子和正离子的碰撞，一部分被电离成正离子，在电场作用下吸附到基片上成膜。4.成膜过程始终伴随着正离子（气体或膜材）对基片的溅射，因此，只有当沉积作用大于溅射剥离时才能制备薄膜。真空离子镀特点优点(1)膜层附着力强。(2)膜层组织致密，耐蚀性好。(3)具有绕镀性能，能够在形状复杂的零件表面镀膜。(4)成膜速率高，可与蒸发镀膜的速率相当；且可镀厚膜（达30m）。缺点(1)离子镀的应用有一定限制。由于高能离子和中性粒子的轰击，沉积的薄膜中缺陷密度大大增加，且在膜与基体之间存在较宽的过渡界面层，在有些情况下，特别是在一些电子器件和集成电路的生产中，都是不允许的。(2)由于高能粒子的轰击，基片温度较高，在需要低温成膜的场合，须另加基片的冷却装置。(3)淀积的薄膜中含气较高。由于到达基片的不仅有中性气体分子，还有气体正离子。气体分子会吸附在膜的表面，而正离子还能渗入薄膜中一定的深度(如能量为1keV的Ar+能够在固体铜中渗入1nm)。真空离子镀特点HfO2材料特性：HfO2薄膜因为具有较高的硬度，高的化学稳定性和优良介电性能而备受关注。特别是用作光学薄膜，它具有硬度高、折射率高、高的强激光损伤阈值且在近紫外到中红外波段的良好透过性能等特点。镀膜方式：电子束蒸发镀膜材料用途：同济大学[1]、成都光机[2]所采用HfO2/SiO2膜堆制作高反膜、增透膜，用于提高激光系统（1064nm）的损伤阈值。[1]程鑫彬,沈正祥,焦宏飞,等.SiO2/HfO2高反射膜的研制[J].强激光与粒子束,2012,24(6):1276-1280.[2]卫耀伟,张哲,刘浩,等.HfO2/SiO2薄膜的激光预处理作用研究[J].强激光与粒子束,2013,25(12):3273-3277.SiO2材料特性：SiO2薄膜是一种重要的低折射率薄膜材料（n=1.46），具有宽透明区(0．15～8μm)、低折射率、高硬度、低热膨胀系数、好的电绝缘性，以及耐摩擦、耐酸碱、抗腐蚀等优点，并在光学领域如减反膜、高反膜、分光膜和滤光膜等各类光学元件的多层膜中有着广泛的应用。镀膜方式：SiO2薄膜的制备有热蒸镀、电子束蒸镀[1]、离子辅助、离子束溅射[2]、磁控溅射、溶胶一凝胶[3]等方式。材料用途：SiO2为低折射率材料，可许多高介质材料搭配构成膜堆。如：TiO2/SiO2[1],Ta2O5/SiO2。其次，SiO2也用作许多光学元件的保护层。[1]付秀华,董连和,付新华,等.红外增透与保护膜技术的研究[J].激光与红外,2007,36(12):1162-1164.[2]刘华松,王利栓,姜玉刚,等.离子束溅射制备Si02薄膜的折射率与应力调整[J].光学精密工程,2013,21(9):2238-2243.[3]马健,刘秉琦,华文深,等.SiO2/TiO2复合薄膜的制备及其可见光透过率[J].光学技术,2009(4):513-516.ZnS材料特性：ZnS是常见的红外光学材料，经过热等静压处理的多光谱ZnS晶体的透明区为0.38~14um，具有良好的机械性能和光学性能，透射率可在72%以上且吸收小，优良的性能使其在红外与激光系统中得到广泛使用。镀膜方式：电子束蒸镀+离子辅助沉积材料用途：ZnS作为高折射率材料，可与低折射率的YbF3、YF3搭配，制造不同波段的激光滤光膜及增透膜[1][2][3]。同时，也可配合MgF2用于双层增透膜。[1]贺才美,付秀华,张家斌,等.可见与红外双波段宽带增透膜的研制[J].光学学报,2009(10):2929-2933.[2]贺才美,付秀华,孙钰林,等.多波段激光滤光膜的研制[J].中国激光,2009(6):1550-1554.[3]宫大为,付秀华,耿似玉,等.红外双波段激光滤光膜的研制[J].中国光学,2011,4(3):293-298.MgF2材料特性：分子量62.31，密度2.9~3.2，熔点1359℃，在10-4Torr真空下的蒸发温度为1540℃。MgF2薄膜的透明区为O．21um～lOum。氟化镁薄膜是所有低折射率材料中最为牢固的薄膜，特别是当基底温度为大约250℃左右时，其膜层牢固度可以得到非常令人满意的结果。镀膜方式：热电阻蒸镀，电子束蒸镀[1]。[1]温才,令勇洲,李文俊,等.真空蒸镀氟化镁增透膜的厚度与均匀性控制[J].材料导报,2013,26(22):5-9.TiO2材料特性：分子量79．88，密度4．29，熔点1850℃，折射率2.05（550nm），在10-4Torr真空下的蒸发温度为2200℃。可用钨舟、钼舟加热蒸发，此时产生分解的吸收膜。也可由电阻加热蒸发Ti，然后在空气中加热氧化二制备Ti02薄膜。用电子束加热蒸发效果很好。但是，由于TiO2在真空中加热蒸发时会分解失氧，形成高吸收的钛的亚氧化物薄膜。因此，在镀制过程中需要给其充加氧气。镀膜方式：电子束蒸镀[1]，离子源辅助沉积[2]，溶胶-凝胶法[3][1]谭宇,梁宏军,刘永强,等.用二氧化钛,二氧化硅和氟化镁膜料镀制0.4μm-1.1μm超宽带增透膜[J].应用光学,2007,28(5):623-626.[2]付秀华,董连和,付新华,等.红外增透与保护膜技术的研究[J].激光与红外,2007,36(12):1162-1164.[3]王永强,胡晓云,苗仲海,等.溶胶-凝胶法制备TiO2-SiO2多层增透膜[J].光子学报,2008,37(6):1165-1168.材料特性：分子量441．89，密度8．74，熔点1800℃，在10-4Torr真空下的蒸发温度为2500℃。可用钽、钨舟、线圈加热蒸发，也可由钨坩埚加热蒸发，用电子束加热蒸发效果良好。Ta2O5薄膜的透明区为0．3~10um，其折射n=2.1(550nm)。可用于干涉涂层中作为高折射率薄膜材料，其机械性能极为牢固，强碱也不能将它腐蚀，所以还可作为保护涂层，特别是在高温环境中的应用。镀膜方式：电子束蒸镀[1]，离子束溅射[2]Ta2O5[1]赵靖,张永爱,袁军林,郭太良,氧离子束流密度对Ta205薄膜的影响,《真空》2009年4期[2]刘华松,傅翾,王利栓,姜玉刚,冷健,庄克文,季一勤,离子束溅射参数与Ta2O5薄膜特性的关联性,《红外与激光工程》2013年7期Al材料特性：熔点660℃，铝膜从紫外区到红外区具有平坦而且很高的反射率，且铝膜表面总是存在着一层透明的A120，薄膜的保护，其化学稳定性也比较好，所以铝膜被广泛用作各类反射器件的反射膜。镀膜方式：热电阻蒸镀[1]、磁控溅射[2][1][2]赵印中,许旻,等.磁控溅射法制备高反射铝膜[J].真空与低温,2009(3).Ag材料特性：熔点960℃，镀膜方式:化学镀银[1][1]龚秀明,吴时彬,景洪伟.光学镜面化学镀银中的敏化工艺研究[J].光电工程,2012,39(2):1