光学薄膜理论培训

1光学薄膜技术培训精密薄膜工程部2010年7月15日2目录一、光学薄膜基础知识二、真空及真空系统三、薄膜的制备技术四、薄膜制备工艺五、薄膜材料六、膜厚的监控七、光学薄膜的性能和检测八、光学薄膜产品的常见疵病及相应的注意事项九、膜系设计相关一、光学薄膜基础知识41、光是什么？光是一种电磁波，可见光波长范围是380～760nm；红外光为约760到107nm量级；紫外光1-380nm；比紫外光短的还有X射线、γ射线（0.001nm）等；而比红外长的就是我们熟悉的无线电波。2、什么叫做光学薄膜？所谓光学薄膜首先它应该是薄的基于光的干涉效应（比如光圈——牛顿环，也是基于光的干涉效应）61.减反膜2.滤光膜3保护膜4内反射5外反射6高反膜7分束膜8分色膜9偏振膜10导电膜3、光学薄膜的类型与符号4、光学薄膜在光学系统中的作用提高光学效率、减少杂光。如减反射膜（AR）、高反射膜（HR）实现光束的调整或再分配。如分束膜、分色膜、偏振分光膜就是根据不同需要进行能量再分配的光学元件。通过波长的选择性透过提高系统信噪比。如窄带及带通滤光片、长波通、短波通滤光片。实现某些特定功能。如ITO透明导电膜、憎水膜、透明超硬膜等5、当前最热门的应用领域8数码相机用的IR-CUT（OLPF系列）减反射膜（AR）----永远的热门投影显示光学系统----包括LCD、DLP、LCOS光通讯：DWDM(densewavelenghdivisionmultiplexer)滤光片激光领域----激光反射腔高反射膜液晶领域----ITO膜二、真空与真空系统1、真空10（1）、定义真空是压力低于一个大气压的任何气态空间。一般采用真空度来表示真空的高低。（2）、单位真空度以压强为单位来度量，压强高表示真空度低，压强低标识真空度高。真空度的国际单位是帕斯卡，简称帕（Pa）。大气压强为105Pa1、真空11真空在薄膜制备中的作用（1）减少蒸气分子与残余气体分子的碰撞；（2）抑制残余气体和蒸发分子之间的反应；分类特性粗真空低真空高真空超高真空真空度范围（Pa）＞103102~10-110-1~10-6＜10-6气流特点气体分子之间有大量碰撞过渡区域气体分子之间较少碰撞气体分子之间间几乎不碰撞一般要求在高真空下镀膜（3）、分类2、真空系统－真空泵泵名原理工作范围机械泵机械压缩排除气体105~10-2Pa罗茨泵机械压缩排除气体104~10-2Pa扩散泵蒸汽流携带排除气体100~10-6Pa（1）、常见真空泵①机械泵常见种类：旋片式、定片式和滑阀式；旋片式，噪音最小，运转速度高（1000转/分），是真空镀膜常用的机械泵；主要构成：定子、转子、嵌于转子的两个旋片及其弹簧；机械泵油的作用：密封、润滑，提高压缩率；机械泵油的要求：低的饱和蒸气压，一定的粘度，较高的稳定性；2、真空系统－真空泵2、真空系统－真空泵•不能在大气下工作，当压强＜10+4Pa时才可启动。•转速较大可以达到3000转/分。•关机时，在关闭罗茨泵后，需要等待30秒，让罗茨泵逐渐停止转动后，方可关闭机械泵②罗茨泵2、真空系统－真空泵2、真空系统－真空泵结构：冷阱、铝制的各级伞形喷嘴（一般为三级喷嘴）和蒸气导管是扩散泵的核心部分。ploycold的作用：减少返油和排除水气必须在压强＜7Pa，才可启动、工作。③扩散泵2、真空系统－真空泵评价真空泵的两个重要的性能参数极限压强——该泵所能获得的最低压强抽速——单位时间内的抽气能力（2）、评价真真空泵的两个参数2、真空系统－真空泵三、薄膜制备技术1、常用薄膜制备技术薄膜的制备方法分为a.PVD(1)热蒸发:如：阻蒸，电子束蒸发，激光束蒸发，高频诱导…(2)溅射:e.g.直流溅射，射频溅射，等离子增强，离子束，磁控溅射(3)离子镀(4)分子束外延MBE(MolecularBeamEpitaxy)b.CVD•APCVD(AtmosphericpressureCVD)•LPCVD(LowpressureCVD)•PECVD(PlasmaenhancedCVD)•PCVD(PhotonCVD)•MOCVD(MetalOrganicCVD)c.DepositionfromSolutions•Sol-gel,LB,Spin…•Metalfilms(e.g.Ag)•Oxidefilms(SiO2-TiO2)光学薄膜真空镀膜技术一般采用物理气相沉积（PVD）技术。所以，我们主要针对PVD技术中的一些蒸发方式进行论述2、电子束蒸发原理电功率→电子动能→膜料热能在极短时间内膜料温度上升到几千度!!2、电子枪结构优点:1.强磁场使二次电子减少；2.坩埚水冷,膜污染少；3.材料蒸汽分子动能高,膜致密；4.蒸发材料不分馏或分馏小；5.灯丝藏下面,不易污染,寿命长；6.有效抑制高压放电。缺点:1.价格高；2.焦斑位置和挖坑对膜厚分布影响很大；3.电子束控制不当，仍有二次电子，特别是SiO2。3、e形电子枪特点4、电子枪故障分析A、高压加不上①真空度低②灯丝短路(变形,膜料掉进去)③高压进线短路④冷却水不足⑤安全开关松开⑥小柜内三只保险丝接触不良⑦过流保护截止管不良B.束流不正常①束流无:灯丝接触不良或烧断；②灯丝短路；③束流小:灯丝短路(有脏物，装配不良)；④灯丝装得太紧；⑤束流大:灯丝装得太松；⑥局部短路(有脏物，装配不良)。C.光斑差①偏转线圈电压不正常②灯丝装配定位不准确③阳极孔打坏D.打火①真空度低(抽速慢，材料除气不充分等)，空气电离；②枪头、底座有接触不良③枪头、底座有太多脏污④充氧太多或太快；⑤蒸发速率太快,材料分子电离密度高；5、离子辅助淀积机理:离子轰击给到达基板的膜料粒子提供了足够的动能，提高了淀积粒子的迁移率，从而使膜层聚集密度增加。•离子辅助淀积(IAD)提高膜层密度；提高折射率；减小吸收散射；提高滤光片稳定性；提高牢固度和硬度；调节应力•清洁基板镀膜前轰击基板3-5分钟，清洁效果很好6、离子源的用途7、离子源和中和器故障分析A、中和器不能启动①中和器的罩子没有取出②气体流量低③Keeper脏④Collector脏⑤接触不良B.离子源不能启动①Pusle电压设定过低②中和器电流和功率设置过低③ACC和Screen之间短路④石英槽污染⑤气体流量过低⑥新清洁的栅极没有经过高温烘烤⑦离子源的罩子没有取出C.IB启动时放电严重或者点着后容易熄火①清洁后的栅极预热时间不够②栅极表面清洁不彻底③栅极使用后受到污染④栅极组装不良⑤栅极间的陶瓷垫片用错四、薄膜的制备工艺主要工艺因素（1）基板处理：包括抛光、清洁、离子轰击（2）制备参数：包括基板温度、蒸发速率、真空度薄膜主要性质：（1）光学性质：包括折射率、各项异性、吸收、散射、光学稳定性等（2）机械性质：包括硬度、附着力、应力（3）抗激光损伤。1、基板处理（1）抛光（2）基板清洁清洗方法主要有：酸洗、洗涤剂、有机溶剂和超声波清洗等。2、制备参数制备参数主要有：基板温度、淀积速率、真空度、充氧（1）基板温度①提高基板温度，使膜料蒸汽与基板的反应更剧烈，提高膜层与基板的结合力，并形成更加致密的薄膜，提高膜层的折射率。②基板温度必须适当。温度过高，可能形成大颗粒凝结或材料分解，甚至膜层发雾。③MgF2的镀膜温度必须大于250℃，最好在300℃以上；OS-50的镀膜温度，不用IAD的最好在300℃以下，使用IAD的最好在200℃以下。（2）沉积速率①薄膜淀积过程是薄膜材料分子在基板上吸附、迁移、凝结和解吸的一个综合平衡过程。②蒸发速率较低时，吸附原子在其平均停留时间内能充分进行表面迁移，凝结只能在大的凝结体上进行，反蒸发严重，所以膜层结构松散。反之，淀积速率提高，结构较紧密，但由于缺陷增多而使内应力增大。③OS-50、SiO2、H4、MgF2的速率一般为多少？（3）真空度①真空度的高低使沉积分子产生碰撞的情况不同，造成蒸汽分子到达基底的动能不同，形成膜层的致密程度不同。②提高真空度，可提高膜层的致密性，减小膜层的吸收。③IR、AR膜系的设定真空度一般是多少？（4）充氧①在镀膜过程中，有许多氧化物容易失去部分的氧，造成薄膜的吸收。②冲入适当的氧气，有利于减少膜层吸收。③OS-50noIAD、SiO2、MgF2、H4时的充氧一般为多少？3、膜层厚度均匀性（1）影响因素：①膜料的纯度、是否受潮，以及形状、高低、加料的虚实等。②坩埚位置是否偏。③光斑的大小、形状、位置。④修正板装配是否到位、升降是否正常、有无变形。⑤盘、工装有无变形，是否放置到位。⑥真空度的高低。⑦基板温度的高低。⑧蒸发速率的快慢。⑨充氧的大小。⑩使用IAD的，离子源安装是否到位。3、膜层厚度均匀性（2）修正板的修剪方法①使用拉线法将修正板划分为与盘上每一圈对应的区域。②做单层，一般为550nm的3~7个极值。③根据单层曲线找出一直列样品中每一圈的波峰（或波谷）的波长。（注：尽量选择接近控制波长的那组波峰或者波谷）④选出一个基准波长，用每一圈的波峰（或波谷）波长减去基准波长，得到波长差值。（注：基准波长尽量选取平均值，也可波峰或波谷最集中的区域，这样会减少修剪的圈数）⑤根据波长差1nm、修剪1mm，“+”的补、“-”的剪的原则进行修剪。⑥重复②~④，直至均匀性满足要求。五、常用用的镀膜材料1.金属膜，多用于高反射膜2.介质膜和半导体膜良好膜料应具备的特性：（1）具有良好的透明度，吸收小高折射率材料在可见区的消光系数比低折射率材料大10～100倍以上。（2）具有稳定的、重复性良好的折射率（3）膜料本身具有良好的机械强度和化学性能（4）薄膜与基板，薄膜与薄膜之间要有良好的附着力常用的镀膜材料在550nm的折射率材料MgF2SiO2折射率1.3861.474材料M2Al2O3折射率1.701.67低折射率材料中间折射率材料材料H4Ta2O5Nb2O5OS-50折射率2.062.252.362.40高折射率材料六、薄膜厚度监控技术膜厚有三种概念：即几何厚度、光学厚度和质量厚度。1.几何厚度：表示薄膜的物理厚度或实际厚度；2.光学厚度：几何厚度与膜层折射率的乘积；3.质量厚度：单位面积上膜的质量，若已知膜层的密度，可以转换为相应的几何厚度。现场常用的膜层厚度监控方法：晶振法（Crystal）、极值法（Optical）、过正控制（LightOpticalRitio）、时间控制（Time1、晶振法原理：晶控片的厚度决定它的振动频率。在晶控片上镀膜后，相当于晶控片的厚度发生改变，其振动频率也随之改变。我们可以通过检测晶控片的频率的改变来检测膜层的厚度。特点：晶振法是目前唯一可以同时控制膜层厚度和成膜速率的方法。晶振法监控的是物理厚度，不能监控膜层的折射率。晶振片的电极对膜厚监控、速率控制至关重要。目前，市场上提供三种标准电极材料：金、银和合金。►金是最广泛使用的传统材料，它具有低接触电阻，高化学温定性，易于沉积。金最适合于低应力材料，如金，银，铜的膜厚控制。►银是接近完美的电极材料，有非常低的接触电阻和优良的塑变性。然而，银容易硫化，硫化后的银接触电阻高，降低晶振片上膜层的牢固性。►银铝合金晶振片最近推出一种新型电极材料，适合高应力膜料的镀膜监控，如SiO，SiO2，MgF2，TiO2。晶振片的安装及注意事项与技巧1.保持晶振片的清洁。切记不要用手指直接接触晶振片以免留下油渍，晶振片的前后中心位置和何晶体和夹具之间的颗粒或灰层将影响电子接触，而且会产生应力点，从而改变晶体振动的模式。2.保持足够的冷却水使晶振头温度在20-40℃。如果可以将温度误差保持在1-2℃范围内，效果更佳。晶振片要不要换主要看以下方面：①镀IR时，晶控片的频率一般需大于5850；镀AR膜时，一个新晶控片频率＜5900后就要换新的。②蒸发速率出现明显异常；③晶振片的表面明显出现膜脱落或起皮的现象；2、极值法(optical)：极值法原理：在玻璃上镀制单层膜，玻璃的透过率或者反射率会发生改变，蒸发过程中出现极值点的次数来控制四分之一波长整数倍膜层厚