薄膜光学6-镀膜技术与镀膜系统20110614

第一大部分基础理论第二大部分光学薄膜设计第三大部分镀膜技术与镀膜系统薄膜制造技术光学薄膜制造工艺：}物理气相沉积（PVD）•缺点：成本高、需要真空镀膜机；•优点：膜厚控制的精准度好、膜层强度好。}化学液相（CLD）、气相沉积（CVD）•优点：工艺简单、成本低；•缺点：膜厚控制的精准度低、膜层强度差、难以获得多层膜、废液废气污染。物理气相沉积（PVD）：•热蒸发；•溅射；•离子镀；•离子辅助镀技术。第一节真空镀膜机PVD：一般需要在高真空环境下完成。镀膜机的构成要件：}真空系统；}热蒸发系统；}膜厚控制系统。第一节真空镀膜机构成：}真空系统；}热蒸发系统；}膜厚控制系统。}真空系统构成：•低真空机械泵＋高真空油扩散泵（有油）＋低温冷阱；•低真空机械泵＋高真空油扩散泵（有油）＋罗茨泵＋低温冷阱；•低真空机械泵＋高真空低温冷凝泵（无油）•低真空机械泵＋高真空分子泵第一节真空镀膜机构成：}真空系统；}热蒸发系统；}膜厚控制系统。}热蒸发系统构成：•电阻热蒸发；•电子束蒸发。第一节真空镀膜机构成：}真空系统；}热蒸发系统；}膜厚控制系统。}膜厚控制系统构成：•石英晶体膜厚仪：测量几何厚度。•光电膜厚仪：测量光学厚度。第一节真空镀膜机}热蒸发的原理：加热使膜料气化蒸发后，喷涂在放置在工件架上的零件表面。}大气PVD存在的问题：•常温常压下，空气分子密度：1.28X10-3g/cm3，即气体分子个数2.08X1022个/g气体分子间距离3.34X10-6mm气体分子的空间密度2.68X1016个/mm3}导致：•空气中活性气体分子与膜层、膜料、蒸发器反应，空气分子进入膜层成为杂质；•常压时，气体分子密度太高，蒸发膜料大多因碰撞而无法直线到达被镀件。为什么使用真空镀膜机？什么样的真空条件可以镀膜？•气体分子的平均自由程大于蒸发源到被镀件之间的距离•这样得到的膜层：纯度高，膜层坚硬，成膜速度快。}“真空度”：真空状态下气体稀薄程度。•单位：与压强相同，Pa；•需注意：高真空度对应低压强；低真空度对应高压强•真空段划分：粗：105～102Pa；低：102～10-1Pa；高：10-1～10-5Pa；超高：10-5～10-12Pa；极高：10-12Pa}“气体分子的平均自由程大于蒸发源到被镀件之间的距离”可以镀膜}直观的数值？}根据气体分子运动理论，}气体分子的平均自由程•其中，是气体分子的直径，是气体分子的密度，p是对应于的气体压强。•假定蒸发源到被镀件之间的距离为1m，所需真空度p=7X10-3Pa；若为0.5m，所需真空度p=1.3X10-3Pa212()32pcmnλπσ=≈σnn第二节真空的获得与检测}真空的获得：真空泵}真空的检测低真空：机械泵（大气压～10-1Pa）高真空：罗茨泵10～104Pa油扩散泵：1～10-5Pa涡轮分子泵：1～10-8Pa低温冷凝泵：10-1～10-8Pa1.热电偶真空计2.热阴极电离真空计3.冷阴极电离真空计}1.热电偶真空计•工作原理：通过热电偶中热丝的温度与压强的关系确定的真空度•温差电偶真空计测量范围：0.13~13Pa}2.热阴极电离真空计•工作原理：具有足够能量的电子在运动中与气体分子碰撞，产生电离，形成正离子与电子。电子在运动中与分子的碰撞次数正比于分子的密度，一定温度下也正比于气体压强，故产生的正离子数也正比于气体压强。因此，电离是与压强有关的现象，可作为真空测定原理的依据。•测量范围：0.1~10-5Pa}3.冷阴极电离真空计•工作原理：放电管在压强（10-1~10-2Pa）较低时自持放电就熄灭，想要将下限扩展到高真空范围，可用磁场控制电子运动的方法，增加电子的路程，利用这种方法制成的真空计，就是冷阴极电离真空计，也称磁控放电真空计。•测量范围：1~10-6Pa第三节热蒸发常用的镀膜方法：•热蒸发•溅射•离子镀•离子辅助镀热蒸发热蒸发：}电阻热蒸发}电子束热蒸发一、电阻热蒸发特性：低压大电流使高熔点金属制成的蒸发源产生焦耳热，使蒸发源中承载的膜料汽化或升华。}优点：简单、经济、操作方便。}缺点：•1）不能蒸发高熔点材料；•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。二、选用蒸发源应考虑的因素：蒸发源:蒸发膜料的载体。•1）熔点高，热稳定性好；•2）蒸发源在工作温度有足够低的蒸汽压；•3）不与膜料反应；•4）高温下与膜料不相渗，或虽相渗，但不相溶；•5）经济实用。三、常用的蒸发源材料及特性：161212921772铂（Pt）212717622468铌（Nb）195715922617钼（Mo）240719572996钽（Ta）256721173410钨（W）蒸汽压在1*10-3Pa时蒸汽压在1*10-6Pa时平衡温度（℃）熔点（℃）蒸发源材料表3.4.1几种蒸发源材料的熔点和蒸气温度四、常用的蒸发源形状：为了适应不同膜料的不同的蒸发特性，几乎每种膜料都有与其相适应的电阻加热蒸发源材料和形状。}P122图3.4.1所示。热蒸发：}电阻热蒸发}电子束热蒸发一、结构：•1）电子束偏转角度270°、运行轨迹为“e”的e型枪（P122图3.4.2）•2）电子束偏转角度180°、运行轨迹为“c”的c型枪优点：•1）电子束焦斑大小可调，位置可控，大小坩锅均可使用；•2）可一枪多坩锅，既易于蒸发工艺的重复稳定，也方便使用多种膜料；•3）灯丝易屏蔽保护，不受污染，寿命长；•4）使用维护方便。二、原理：灯丝通大电流，形成热电子发射流。电子流在电场中被加速，同时，电磁场将电子流聚成细束，并对准坩锅内的膜料，造成局部高温而汽化蒸发。三、特点：•1）可蒸发高熔点材料（W，Ta，Mo，氧化物，陶瓷……）•2）可快速升温到蒸发温度，化合物分解小；•3）膜料粒子初始动能高，膜层填充密度高，机械强度好；•4）蒸发速度易控，方便多源同蒸。}热蒸发镀膜技术的优缺点：•优点：设备简单，大多数材料都可以蒸发。•缺点：膜层不能重复再现块状材料的性能（膜层的微观柱状结构所致，可通过变中性粒子为带电离子在电场辅助下的电沉积。溅射常用的镀膜方法：•热蒸发•溅射•离子镀•离子辅助镀用高速正离子轰击膜料（靶）表面，通过动量传递，使其分子或原子获得足够的动量而从靶表面溢出，在被镀件表面凝聚成膜。与热蒸发相比，溅射：}优点：•膜层的附着力强•膜层纯度高•可同时溅射多种不同成分的合金膜或化合物}缺点：•专用镀料•靶利用率低溅射分类：}1.辉光放电溅射•直流辉光放电•低频交流辉光放电•射频辉光放电}2.磁控溅射}3.离子束溅射}辉光放电：气压在1~10Pa时，高压电极间气体电离形成低压大电流导体，并伴有辉光的气体放电现象。}直流辉光放电：伏安特性见P124图3.5.1。}溅射位于反常辉光放电段。溅射分类：}1.辉光放电溅射•直流辉光放电•低频交流辉光放电：•射频辉光放电：在电极间施加一变化频率超过10MHz的电压}2.磁控溅射}3.离子束溅射辉光放电溅射分类：•直流辉光放电•低频交流辉光放电：频率50Hz；两靶交替成为阴阳极，可对零件同时双面镀膜•射频辉光放电：在电极间施加一变化频率超过10MHz的电压；•直流辉光放电：不能溅射介质靶•射频辉光放电：•优点：可溅射任意一种材料，包括介质靶；工作电压、气压较直流放电低；•缺点：成膜速率低，基片过热。}磁控溅射定义：平行于阴极表面施加强磁场，将电子约束在阴极靶材表面近域，提高电离效率。溅射分类：}1.辉光放电溅射•直流辉光放电•射频辉光放电}2.磁控溅射}3.离子束溅射按照被镀件是否参与放电，磁控溅射分类：}被镀件参与放电（兼做阳极）型：•平面磁控溅射•柱面磁控溅射}被镀件不参与放电型：在磁控器内设一阳极，被镀件位于溅射源旁。•S枪型磁控溅射源•平面磁控溅射源磁控溅射特点：}电场与磁场正交设置，约束电子在靶面近域，致使靶面近域有高密度等离子体，溅射速率很高；}磁控溅射源相对被镀件独立，基片不再受电子轰击而升温，可对塑料等不耐高温的基片实现溅射镀；}磁控溅射源可像热蒸发源一样使用，从而使被镀件的形状和位置不再受限制。}溅射分类：}1.辉光放电溅射•直流辉光放电•射频辉光放电}2.磁控溅射}3.离子束溅射}用离子源发射的高能离子束直接轰击靶材，使靶材溅射、沉积到零件表面成膜。}离子束溅射的特点：}溅射出的膜料粒子能量有几十电子伏特，比常规溅射高，致使膜层附着力强，结构致密；}利用离子束流能量的可调控性，可定量研究溅射率与膜层质量与离子束性能参数之间的关系；}溅射率与离子能量、离子束入射角有关；}膜层应力随离子束参数改变而可调控。第三节热蒸发常用的镀膜方法：•热蒸发•溅射•离子镀•离子辅助镀}离子镀原理：P131图3.6.1膜料为加热蒸发，但蒸发源设置为阳极，工件为阴极，在其间施加高电压，并充工作气体至1X10-1Pa，形成辉光放电，膜料原子部分被离化，在强电场加速下并沉积在零件表面。}特点：•膜层附着力强；•绕镀性好；•膜层致密；•成膜速率高；•可在任何材料的工件上镀膜（绝缘体可施加高频电场）。离子镀常见类型：}活化反应离子镀：图3.6.3•工作气体和蒸发膜料蒸气在电子枪散焦电子和膜料发射二次电子以及外加高压作用下，通过辉光放电，发生强烈化学反应，生成化合物沉积在被镀件表面。（气压范围工作：10-1Pa以下）}空心阴极离子镀：图3.6.4•用空心阴极电子枪取代e型电子枪而成。（宽气压范围工作：10~10-2Pa）}弧源离子镀：图3.6.5•用一台电弧放电蒸发源，可以用金属离子轰击净化工件；在工件升温至所需温度后，加大放电功率，降低工件负偏压至0.2~0.3kV，靶材开始蒸发，同时伴有金属离子轰击工件，利于形成高强度的膜层。常用的镀膜方法：•热蒸发•溅射•离子镀•离子辅助镀}在热蒸发镀膜技术中增设离子发生器——离子源，产生离子束，在热蒸发进行的同时，用离子束轰击正在生长的膜层，形成致密均匀结构，使膜层的稳定性提高，达到改善膜层光学和机械性能的目的。课程全部结束！