1、教學內容,教學目的和要求,光學薄膜器件的質量要素（光學性能、機械、環(huán)境等）；影響膜層質量的工藝要素；獲得精確膜層厚度的方法；獲得均勻膜層的方法。,了解和掌握影響光學薄膜質量的主要因素以及控制方法。,光學鍍膜技術,光學鍍膜工藝,光學鍍膜理論和設計,4.1 光學薄膜器件的質量要素,光學鍍膜器件的光學性能,光學薄膜的光學常數(shù)：折射率和厚度。,膜層折射率誤差來源、膜層厚度誤差來源,膜層折射率誤差來源 1）膜層的填充密度，也叫聚集密度。它是膜層的實材體積和膜層的幾何輪廓之比。 2）膜層的微觀組織物理結構。即使用同樣的膜層材料，采用不同的物理氣態(tài)沉積技術（PVD），得到的膜層具有不同的晶體結構狀態(tài)，具有不

2、同的介電常數(shù)和折射率。,3）膜層的化學成分。 采用PVD的熱蒸發(fā)技術制造光學薄膜幾乎每一種化合物的膜層材料蒸發(fā)時都會有一定程度的熱分解。沉積在基板表面的膜層是蒸發(fā)源材料熱分解后又在零件表面再次化合反應的化合物膜層、分解物以及未分解材料的混合物，而且分解、化合反應進行的程度也受不同工藝的影響。最后所得到的是混合物的平均折射率。,控制膜層折射率就是要控制這三個因素的影響！,光學鍍膜器件的機械性能: 硬度和牢固度,硬度：是由膜層材料本征性能和膜層內部結構的緊密程度共同決定的宏觀性能。 1）高硬度的膜層材料，即先天條件要好； 2）選用適當?shù)腻兡ぜ夹g提高膜層的緊密程度。,牢固度：膜層對于基片的附著或黏結

3、程度。由膜層和基片之間的結合力的性質決定。 化學鍵的結合比物理性質的范德華力牢固得多； 基片表面的清潔程度； 成膜粒子的遷移能，尤其是與注入效應有關的遷移能。 帶電離子沉積技術（濺射、離子鍍和離子輔助度）比單純的熱蒸發(fā)技術能得到更牢固的膜層。,光學鍍膜器件環(huán)境穩(wěn)定性,環(huán)境因素：鹽水霧水、高溫高濕、溫度劇變、酸堿腐蝕等。 選用化學穩(wěn)定性好的材料作為膜料； 提高膜層的聚集密度。,對于致密膜層，酸、堿、鹽、水等對膜層的腐蝕是面腐蝕，腐蝕速度慢，耐久性強；相反對于結構疏松的膜層，酸、堿、鹽、水等對膜層的腐蝕會滲透到內部，屬于體腐蝕，腐蝕速度快，耐久性差。,選材受到的制約往往比較多，所以提高光學鍍膜器件

4、耐久性關鍵是提高膜層的填充密度。,膜層填充密度對膜層質量的影響,膜層填充密度的定義： 膜層材料的折射率為nf，實心材料的折射率為ns，膜層內空隙介質的折射率nv。則有,加權平均折射率,膜層填充密度可以影響到折射率、膜層的機械強度和穩(wěn)定性、膜層應力和散射等。,膜層填充密度：膜層顆粒大小、膜層密度。,大顆粒膜層帶來1）膜層表面粗糙，于是光線散射損耗大，表面摩擦系數(shù)大，抗摩擦損傷能力差。2）結構疏松，不結實。,提高膜層填充密度需考慮的工藝因素有： 基片溫度、沉積速率、真空度、蒸汽入射角以及離子轟擊等。,膜層填充密度低，膜層內空隙分量加大。 1）膜層與基底間的吸附能力小，膜層結構疏松、牢固度差； 2）

5、膜層結構不規(guī)則，均勻性差； 3）空隙吸收環(huán)境氣體導致膜層有效光學厚度對環(huán)境溫度變化比較敏感，導致光學特性不穩(wěn)定； 4）增加光學損耗，降低光束質量； 5）表面粗糙，抗摩擦能力差； 6）不結實； 7）抗腐蝕性能差。,4.2 光學薄膜器件質量的工藝要素,真空鍍制光學薄膜的工藝過程為,真空度的影響： 1） 高真空度減少蒸發(fā)分子和殘余氣體的碰撞； 碰撞引起蒸發(fā)氣體運動散亂，使膜層材料蒸汽分子動能變小。 2） 抑制它們之間的反應。 蒸發(fā)分子和殘余氣體間的反應影響光學膜的純度。,沉積速率的影響： 沉積速率：單位時間內在被鍍表面上形成的膜層厚度來表示。是描述薄膜沉積快慢的工藝參數(shù)（nm.s-1）。 沉積速率低

6、，凝結只能在大的聚集體上進行，膜層結構疏松。提高沉積速率，膜層顆粒細而致密，膜層均勻，散射小，牢固度好。 沉積速率影響主要的薄膜參數(shù)：折射率、牢固度、機械強度、附著力等。 提高沉積速率的方法：提高蒸發(fā)源的溫度和增大蒸發(fā)源的面積。,受真空度影響主要的薄膜參數(shù)：折射率、散射、機械強度和不溶性等。,基片溫度的影響： 基片溫度對膜層原子和分子提供額外的能量補充。主要影響膜層結構、凝集系數(shù)、膨脹系數(shù)、聚集密度等。宏觀上反映在折射率、散射、應力、附著力、硬度和不容性等方面的差異上。 1）冷基片：一般用于蒸鍍金屬膜； 2）升溫優(yōu)點： 將吸附基片表面的剩余氣體排除，增加基片與沉積分子之間的結合力； 促使膜層的

7、物理吸附向化學吸附轉化，使膜層更加緊密，附著力增加，提高了機械強度； 減少蒸汽分子再結晶溫度與基片溫度之間的差異，提高膜層的密集度，增加膜層的硬度，消除內應力。 過高溫度可導致膜層結構變化或膜料分解。,離子轟擊的影響： 鍍前轟擊：使基片表面因離子濺射剝離而再清潔和電活化，提高膜層在基片表面的凝集系數(shù)和附著力。 鍍后轟擊：提高膜層的聚集密度，增進化學反應提高機械強度、均勻性和抗激光損傷閾值。,基片材料的影響： 1）基片材料的膨脹系數(shù)不同將導致膜層的熱應力不同； 2）化學親和力不同影響膜層的親和力和牢固度。,基片清潔的影響：殘留在基片表面的污物和清潔劑將導致 1）膜層對基片的附著力差； 2）散射或

8、吸收增大，抗激光損傷閾值低； 3）透光性能變差。,基片的表面污染來源： 1）基片表面拋光后存儲時間較長，表面水漬、油斑和霉斑； 2）工作環(huán)境中的灰塵及纖維物質被零件表面吸附； 3）離子轟擊時負高壓電極濺射，在基片表面形成斑點； 4）真空系統(tǒng)油蒸汽倒流造成基片表面污染等。 提高清潔度的方法： 1）常打掃工作環(huán)境（最好建無塵車間）、經常打掃真空室； 2）對于新拋光基片表面，可用脫脂紗布蘸乙醇與乙醚混合物進行擦洗；對于存儲時間較長的基片表面，可用脫脂紗布或棉花蘸最細的氧化鈰或紅粉進行更新，擦拭時要盡量均勻，不要破壞表面面形。 3）基片表面油脂、水或其它溶劑的表面薄層，可利用離子轟擊來清潔。,膜層材料

9、的影響： 膜層材料的化學純度、物理狀態(tài)的預處理（真空燒結或鍛壓）影響膜層的結構和性能。,蒸發(fā)方法的影響： 不同的蒸發(fā)方法提供給蒸發(fā)分子和原子的初始動能差異很大，影響膜層的折射率、散射、附著力等。,蒸氣入射角的影響： 蒸氣入射角指蒸汽分子入射方向與基片沉積表面法線的夾角。影響膜層的生長特性和聚集密度，所以影響膜層的折射率和散射特性等。一般控制在30以內。,烘烤處理的影響： 在大氣中對膜層加溫處理，有利用于應力釋放，對膜層的折射率、應力和硬度等有影響。,提高膜層的機械強度需要考慮的工藝參數(shù)為： 1）真空度的提高，聚集密度增大，牢固度增加，膜層結構得到改善，化學成分變純但應力增加。 2）沉積速率提高

10、，聚集密度增大，膜層結構得到改善，光散射變小，牢固度增加。提高沉積速率的途徑為增加蒸發(fā)源的面積和提高蒸發(fā)源的溫度。 3）基片溫度的提高，有利于將吸附在基片表面的剩余氣體分子排除，增加基片和沉積分子之間的結合力；同時會促使物理吸附向化學吸附轉化，使膜層更加致密。但溫度過高會使膜層變質。,提高膜層機械強度的工藝途徑（附著力、應力、聚集密度等）,4）離子轟擊對高凝聚力表面的形成、表面粗糙度聚集密度和氧化作用等均有影響。蒸鍍前轟擊可清潔表面、增加附著力；鍍后轟擊可提高聚集密度，從而提高膜層的機械強度和硬度。 5）基片清潔?；砻娌粷崈簦诨蠚埩粲须s質或清潔劑，在鍍膜時會產生不同的凝聚條件和附著力

11、，影響到第一膜層的結構特性和光學厚度，也使膜層容易從基片脫落。,控制折射率的主要工藝途徑,控制折射率的主要途徑有： 1）真空度。真空度的提高，聚集密度增大，折射率會相應提高。 2）基片溫度。提高基片溫度可以促進沉積的膜料分子與剩余氣體分子的化學反應，改變膜層的結晶形式和晶格常數(shù)，從而改變折射率。 3）膜料蒸氣分子到基片的入射角。影響膜層的生長特性和聚集密度，所以影響膜層的折射率。小的入射角有利于提高折射率。 4）沉積速率。提高蒸發(fā)速率，使膜層顆粒細而致密，折射率也會提高。,獲得致密膜層的方法,光學性能：環(huán)境穩(wěn)定性和制造重復性。 機械性能：牢固性和耐久性。,提高膜層填充密度對提高膜層的質量是非常

12、關鍵的。,提高膜層填充密度的途徑,1）提高真空度：減少膜料蒸汽分子與真空室殘余氣體的碰撞幾率。這種碰撞會使膜料氣體分子改變運動方向和速度，使得膜層松散粗糙，嚴重的甚至不能沉積成膜。真空度的提高，能使得吸附在基質表面的殘余氣體減少，提高膜層的吸附力，增大膜層填充密度。另外能減少膜料氣體分子與殘余氣體間的化學反應，改善膜層的純度和晶體結構等。,2）提高基片表面的清潔度。提高基片溫度可以促進沉積的膜料分子與剩余氣體分子的化學反應，改變膜層的結晶形式和晶格常數(shù)，從而改變折射率。 3）膜料蒸氣分子到基片的入射角。影響膜層的生長特性和聚集密度，所以影響膜層的折射率。小的入射角有利于提高折射率。 4）沉積速

13、率。提高蒸發(fā)速率，使膜層顆粒細而致密，折射率也會提高。,薄膜厚度監(jiān)控技術,1）直接觀測薄膜顏色變化的目視法； 一定結構的膜層對不同波長的光具有不同的透過率。白光入射，反射光就會表現(xiàn)出顏色。 互補色原理：紫色黃綠，紫藍黃，藍橙，紅藍綠，綠紫紅。 特點：結構簡單，操作方便，但精度低，受外界、人為因素影響較大。,2）測量薄膜透過率和反射率極值法； 測量正在鍍制膜層的反射率或透過率隨膜層厚度增加過程的極值個數(shù)獲得以四分之一波長為單位的整數(shù)厚度膜層。,單層膜反射率,對于確定波長，當膜層光學厚為四分之一波長整數(shù)倍時，反射率有極值。（定波長檢測） 對于確定膜層光學厚，當波長滿足四倍光學厚的整數(shù)分之一時，在該

14、波長處反射率有極值。（定光學膜厚檢測）,極值法缺陷： 1.對極值點判斷比較困難； 過正控制。選比某波長（滿足nd=/4）稍短的波長作為監(jiān)控波長，允許反射率或透過率有一定的過正量，讓停鍍點避開極值點。,3）光電定值法。 此法實際上是極值法的一種改進形式。通常需在控制片上先預鍍適當?shù)哪樱沟每墒褂媒刂共ㄩL作為控制波長，提高截止波長的準確定位，也可增加每一層膜層控制信號的變化幅度從而減少監(jiān)控誤差。適用于干涉濾光片的監(jiān)控。,高級次監(jiān)控。增大反射率或透過率變化的總幅度，減少相對判斷誤差，提高膜層控制精度。 預鍍監(jiān)控片。通過提高監(jiān)控片的有效光學導納，增大反射率或透過率的變化幅度，減少相對判斷誤差。 2.

15、受限于所用測量光電元件的響應。,任意厚度的薄膜厚度監(jiān)控技術,1）石英晶體監(jiān)控； 石英晶體具有壓電效應。其固有頻率不僅取決于幾何尺寸和切割類型，還與其厚度有關。厚度的改變使得固有頻率發(fā)生變化。,2）單波長監(jiān)控； 其實質是光電極值法。數(shù)值計算出膜層厚度與不同波長的反射率關系得到某一厚度對應的極值波長。,3）寬光譜掃譜 在很寬的波長范圍內監(jiān)視薄膜特性。直觀、精度高。其方法是在鍍膜前將所計算出的寬光譜范圍法的透過率特性與鍍膜時的實測數(shù)值比較，不斷修正，比較值最小時即停止鍍膜。,影響膜層厚度均勻性的主要因素： 1）蒸發(fā)源的發(fā)射特性。,獲得均勻膜層厚度的方法,不同結構（點源、面源或螺旋絲）的蒸發(fā)源有不同的

16、發(fā)射特性。 每一種蒸發(fā)源的發(fā)射分布即隨經度不同，也隨緯度不同。 2）同一種蒸發(fā)源不同的膜料，有不同的分布特性。不同膜料，不同蒸發(fā)溫度和熱傳導率，造成蒸發(fā)點大小形狀不同。 3）蒸發(fā)源與被鍍件的相對位置對膜層厚度分布影響非常大。 4）被鍍件的面形對于膜層厚度的分布影響也很大。,獲得均勻膜層厚度的途徑 1）可以獲得均勻膜層厚度的蒸發(fā)源與零件的位置： 點狀蒸發(fā)源置于被鍍件所在的球心位置； 面裝蒸發(fā)源位于被鍍件所在的同一球面上。,2） 基板表面的平行性和基板溫度的均勻性控制。 3）采用旋轉夾具；轉動速度必須保持平穩(wěn)。 4）膜層的沉積速率盡可能平穩(wěn)。 5）控制真空度變化幅度。 6）增設膜層厚度的調節(jié)板。,

17、光學薄膜材料（光學、機械和化學性質）,金屬薄膜：鋁、銀和金等。反射率高、截止帶寬、色中性好以及偏振效應小，但吸收較嚴重，機械強度較低。 不透明金屬膜在空氣中垂直入射時的反射率為,一般情況下，金屬膜的折射率和消光系數(shù)分別高于和低于相同的大塊材料的折射率和消光系數(shù)。,介質和半導體薄膜的材料要求：透明度、折射率、機械牢固度、化學穩(wěn)定性以及抗高能輻射。,透明度：大部分介質材料在可見及紅外波段都是透明的，而半導體在近紅外和紅外去是透明的。選擇材料的原則是使透明區(qū)有盡可能高的透明度，即消光系數(shù)盡可能小。 高折射率在可見光區(qū)的消光系數(shù)比低折射率大1至2個量級； 易分解的氧化物材料（TiO2、TaO5等）的消

18、光系數(shù)比常用的硫化物和氟化物（ZnS、MgF2）高； 多晶薄膜的損耗最大，其次為無定型結構，單晶最小。,折射率：薄膜的折射率應做到是確定的和可以重復的（工藝穩(wěn)定）。依賴下面幾個因素： 材料種類。如材料外層價電子容易極化，折射率就高。對于類似的原子結構，隨著原子量增加，折射率也增加。對于化合物，電子鍵結合的化合物比離子鍵結合的折射率高。折射率按遞增順序排列為鹵化物、氧化物、硫化物以及半導體材料。 色散：正常色散和反常色散。 晶體結構不同折射率也不同。,機械強度和化學穩(wěn)定性：薄膜和基片、薄膜與薄膜之間良好的附著性；薄膜的應力盡可能小且其性質相反（壓應力和張應力），以降低多層膜的積累應力。,結合具體使用場合選材 膠合使用的場合，對機械和化學性