1、真空镀膜技术,一、简介,光学薄膜可以采用物理气相沉积（ PVD）技术和化学液相沉积（CLD）两种工艺来获得。,PVD是英文Physical Vapor Deposition的缩写，是指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。,二、真空系统的基本知识,热蒸发工艺过程：加热使膜料汽化蒸发后，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，空气分子的密度为1.28E-3g/cm3，每克气体分子含分子个数是2.08E+22个，气体分子间的距离是3.34E-6mm，
2、气体分子的空间密度为2.68E+16个mm3，因而，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。,真空PVD的优点：真空是压强小于101.325kPa(1个大气压)的气体状态。PVD需要的 真空条件应能够保证：气体分子的平均自由程大于蒸发源到被镀件之间的距离；被镀膜层材料容易蒸发(高真空条件下，膜料蒸发温度大幅下降)；容易获得高纯膜，膜层坚硬，成膜速度快。,真空的定义： 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。真空度的单位： 真空度以压强为单位来度量，压强高表示真空度低。
3、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）。 毫米汞柱（mmHg）：1mmHg133.3Pa 托（Torr）：1Torr1/760atm=133.3Pa 巴（Bar）：1Bar105Pa, 气体分子之间相邻两次碰撞的距离，其统计平均值为平均自由程。l=1/(22n)=kT /(22P）,PVD所需真空度的基本确定原则是“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=25cm,P=2.7E-3Pa d=50cm,P=1.3E-3Pa d=90cm,P=7.4E-4Pa 可见对于大的真空室，真空度的要求更高。,平均自由程,真空区域的划分目前尚无统一规定，常见的划分为：
4、粗真空 低真空高真空超高真空极高真空,真空获得真空泵,1654年，德国物理学家葛利克发明了抽气泵，做了著名的马德堡半球试验。原理：当泵工作后，形成压差，p1 p2，实现了抽气。,真空泵的分类,气体传输泵: 是一种能将气体不断地吸入并排出泵外以达到抽气目的的真空泵，例如旋片机械泵、油扩散泵、涡轮分子泵。 气体捕集泵: 是一种使气体分子短期或永久吸附、凝结在泵内表面的真空泵，例如分子筛吸附泵、鈦升华泵、溅射离子泵、低温泵和吸气剂泵。,真空泵的主要参数,抽气速率: 定义为在泵的进气口任意给定压强下，单位时间内流入泵内的气体体积或表示为：其中，Q为单位时间内流入泵的气体量。泵的抽气速率S并不是常数，随
5、P而变。,极限压强 (极限真空) 最高工作压强 工作压强范围（ ） 泵能正常工作的压强范围 几种常用真空泵的工作压强范围旋片机械泵吸附泵扩散泵涡轮分子泵 溅射离子泵低温泵,几种常用真空泵的工作原理 1. 旋片机械泵,工作过程是： 吸气压缩排气。 定子浸在油中起润滑，密封和堵塞缝隙的作用。 主要参量是： 抽速和极限压强。 由于极限压强较高， 常用做前级泵(预抽泵)。,旋片式机械泵,2. 油扩散泵,油蒸发喷射凝结，重复循环 由于射流具有工作过程高流速(约200米/秒)、高密度、高分子量(300500)，故能有效地带走气体分子。 扩散泵不能单独使用，一般采用机械泵为前级泵，以满足出口压强(最大40P
6、a)，如果出口压强高于规定值，抽气作用就会停止。,水冷套； 2. 喷油嘴； 3. 导流管； 4. 泵壳； 5. 加热器,真空的测量真空计 1.热电偶真空计,热电偶真空计是通过热电偶中热丝的温度与压强的关系确定真空度。,由于在低压下，气体的热传导系数与压强成正比，所以在通过热丝的电流一定的条件下，热丝的温度随着规管内真空度的提高而升高，温差电偶电动势也就随之而增大。因此，通过测量温差电偶电动势，就可确定出被测系统的真空度。,温差电偶真空计的测量范围为0.1-100Pa。,2.热阴极电离真空计,具有足够能量的电子在运动中与气体分子碰撞，可能引起分 子的电离，产生正离子及电子。而电子在一定的“飞行”
7、路程中与分 子的碰撞次数，又正比于分子的密度，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压强。由此可见，电离现象是 与压强有关的现象，可作为一种真空测定原理的依据。,电子与气体分子碰撞引起分子电离，形成电子和正离，电子最终被加速极收集，正离子被收集极接收形成离子流：I+ = kIep = cp其中，k称为电离计的灵敏度，是单位电子电流、单位压强下的离子流。,测量范围：1.33E-1 1.33E-5 Pa,电离计线路图,电离规管,三、真空镀膜,真空溅射：当高能粒子(电场加速的正离子)打在固体表面时，与表面的原子、分子交换能量，从而使这 些原子、分子飞溅出来。真空蒸发：在真空中把制作薄
8、膜的材料加热蒸发，使其淀积在适当的表面上。离子镀： 真空热蒸发和溅射两种技术结合而发展起来的一种新工艺。,真空系统,蒸发系统,工作原理：真空蒸发镀膜法就是在1.3E-21.3E-3 Pa 的真空中加热镀膜材料，使它在极短时间内蒸发，蒸发了的镀膜材料分子沉积在基材表面上，由于基材表面温度较低，便凝结其上而形成薄膜。,电阻蒸发系统采用单相调功器对电阻蒸发源的功率进行调节控制，蒸发源在两组以上时，通过选择开关选择。,工作原理：电子束蒸发是利用在一定真空条件下，加高压产生电子束，通过特定磁场的作用，按照一定的路线，轰击蒸发物质，产生蒸发。在电子束蒸发装置中，被蒸发的物质放置于水冷的干坩埚中，电子束只轰
9、击到其中很少的一部分，而其余大部分物质在坩埚的冷却作用下一直处于低温状态，因此，可以避免坩埚材料蒸发引起的污染。,电子束蒸发源控制系统,本系统由高压自动控制及自动灭弧单元，电子枪灯丝、束流控制单元，电子枪偏转扫描控制单元以及坩埚转位单元组成。 1高压自动控制及自动灭弧单元本单元采用高压自动控制装置，克服了电子管控制所固有的供电麻烦、安装不便、发热严重、寿命短等缺点。引入自动灭弧装置后，本单元有极好的灭弧性能，因此，电子枪很少打火，即使偶尔出现打火，也只是降低枪高压,随即自动恢复，不影响成膜质量。 2电子枪灯丝、束流控制单元本单元采用单相调功器调节枪灯丝变压器原边电压，改变加到枪灯丝上的功率,从
10、而控制其发射能力，也就是控制了电子枪束流。 3电子枪偏转扫描控制单元本偏转扫描电源，具有波形可选,频率可调之特点。 4坩埚单元本单元提供单穴坩埚。,电子枪的作用在高真空的环境下，由电子枪发出的高能电子，会聚在膜料上，轰击膜料表面使动能变为热能，对其加温，使其熔化或升华。,电子枪对薄膜性能的影响 1、对膜层的影响： （1）蒸气分子的动能较大，膜层较热蒸发的更致密牢固； （2）二次电子的影响：使膜层结构粗糙，散射增加； 2、对光谱性能的影响电子枪对光谱的影响主要是焦斑的形状、位臵、大小在成膜的影响。特别是高精度的膜系，和大规模生产的成品率要求电子枪的焦斑要稳定。,石英晶体振荡器法广泛应用于薄膜淀积
11、过程中厚度的实时测量，主要应用于淀积速度，厚度的监测，还可以反过来（与电子技术结合）控制物质蒸发或溅射的速率，从而实现对于淀积过程的自动控制。,薄膜厚度的测量,四、薄膜材料,a) 增透膜,b) 反光膜,c) 分光膜,d) 滤光膜,e) 偏振膜,f) 保护膜,g) 电热膜,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 （3）蒸汽入射角； （4）老化处理。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。,镀膜工艺,1、金属薄膜 金属薄膜具有反射率高，截
12、止带宽、中性好，偏振效应小的特点。,（1）铝 Al 唯一从紫外（0.2um)到红外（30um）具有很高反射率的材料，在大约波长0.85um处反射率出现一极小值，其反射率为86。铝膜对基板的附着力比较强，机械强度和化学稳定性也比较好，广泛用作反射膜。,（2）银 Ag 适用于可见区和红外区波段，具有很高的反射率。 可见区的反射率可以达到95，红外区反射率99，紫外区反射率很低。（3）金 Au 在红外波段内具有几乎和银差不多的反射率，用作红外反射镜，金膜新蒸发时，薄层较软，大约一周后，金膜硬度趋于稳定，膜层牢固度也趋于稳定。 （4）铬 Cr Cr膜在可见区具有很好的中性，膜层非常牢固，常用作中性衰减
13、膜。,2、介质薄膜 对材料的基本要求：透明度、折射率、机械牢固度和化学稳定性以及抗高能辐射。,（1）透明度 短波吸收或本征吸收I：主要是由光子作用使电子由价带跃迁到导带引起的； 透明区II：光子能量不足促使价电子激发，除了少量杂质吸收和半导体中自由载流子吸收外，没有其他吸收机理。 长波吸收区III：主要是晶格振动吸收，在半导体还有自由载流子吸收。,介质薄膜透过率的光谱特性,在大多数应用中，需要根据波长范围选择具有适当的透明区域的薄膜材料，这一点大大限制了薄膜材料选择的余地，特别是对红外区域和紫外区域应用的薄膜。,（2）折射率 薄膜的折射率主要依赖： 材料种类：材料的折射率是由它的价电子在电场作
14、用下的性质决定。材料外层价电子很容易极化，其折射率一定很高；对化合物，电子键结合的化合物要比离子键的折射率高。折射率大致次序递增：卤化物、氧化物、硫化物和半导体材料。 波长：折射率随波长变化为色散。正常色散为随波长增加而减小。正常色散位于透明区，反常色散位于吸收区。,（3）机械牢固度和化学稳定性 对膜料的要求： 膜料本身具有良好的机械强度和化学性能； 薄膜与基板，薄膜与薄膜之间要有良好的附着力； 薄膜应力要尽可能小，而且其性质要相反，以降低多层膜的积累应力。（4）抗高能辐射 考虑：激光波长、激光脉冲宽度、重复频率； 薄膜材料本身的特性，除了吸收外，还与薄膜结构、机械强度、附着力、应力、热稳定性
15、、熔点、热膨胀系数等。,(1) 氟化物常用的氟化物多为低折射率材料，如冰晶石(Na3A1F6)、氟化镁等(MgF2)。,冰晶石（Na3AlF6）： 在可见区折射率大约1.35，透明区为0.214um。 特点：折射率低，应力小；易于吸潮，易损伤。 主要用于和ZnS组合制成胶合保护的干涉滤光片。 淀积膜层的成分依赖于蒸发温度或蒸发速率，NaF为1.291.31，AlF3为1.385，快蒸发的膜层折射率较高。,介质薄膜材料,氟化镁（MgF2） 在=550nm的折射率约为1.38，透明区为0.1210um。 是所有低折射率的卤化物中最牢固的，特别是当基板温度250左右时，非常坚硬耐久，在减反膜中广泛应
16、用，膜层折射率接近体材料，聚集密度接近于1。MgF2膜具有很高的张应力。 MgF2蒸发时易于喷溅：蒸发表面形成了一层熔点比MgF2更高的MgO，材料蒸发次数越多，这种现象越严重；材料本身晶粒太细，除气预熔的气体来不及释放，所以选用一定晶态结构的块状材料。,(2) 硫化物典型的硫化物材料是硫化锌（ZnS）。,用于可见和红外波段的最重要的一种膜料。在可见区常与低折射率的氟化物组合，在红外区，与高折射率的半导体材料组合。在可见区的折射率为2.32.6，在红外区为2.2，透明区为0.3814um。 硫化锌在沉积过程中会分解成为硫和锌，在衬底表面重新反应生成硫化锌。这一特点造成硫化锌有较高的聚集密度，但
17、是在高衬底温度下沉积速度下降。在潮湿环境下沉积硫化锌会形成H2S并分解出锌造成膜料表面发黑，沉积速度也会因此变得不稳定。室温沉积的硫化锌解膜牢固度低，但是利用离子束辅助蒸发技术获得的硫化锌牢固度大大加强。,(3) 氧化物实用的氧化物材料种类繁多。这里介绍常用的氧化钛、氧化锆和氧化硅。,二氧化钛TiO2 折射率高，牢固稳定，在可见和近红外呈透明。TiO2材料在真空中加热蒸发时因分解而失氧，形成高吸收的亚氧化钛，故常采用反应蒸发技术。 初始膜料TiO、Ti2O3随着蒸发量增加，氧含量增加，折射率降低；TiO2则含氧量减少，折射率升高，唯有Ti3O5氧含量不变，能够得到稳定的折射率。,二氧化锆ZrO
18、2：具有较高的折射率，易于得到低吸收的薄膜，膜层十分牢固稳定。短波250nm处消光系数为0.001，可作为紫外材料。具有明显的负折射率不均匀性，采用ZrO2中掺入某种金属或氧化物（30Ta金属70ZrO2）可以消除折射率不均匀性。具有很大的张应力，使ZrO2-SiO2多层膜处于高应力状态。,二氧化硅SiO2： 唯一的分解小的低折射率氧化物，其折射率为1.46，透明区从真空紫外到中波红外（0.188um）。吸收很小，膜层牢固，耐磨耐腐蚀。 结构精细，呈网状玻璃态，散射吸收小，保护能力强。 SiO2在高温蒸发时，也会分解生成低价氧化物SiO，Si2O3。 三种硅氧化物的吸收带位置： SiO 10.
19、010.2um; Si2O3 9.69.8um SiO2 9.09.5um和12.5um., 红外波段0.7650um，能够使用的材料很有限。 介质材料的禁带宽度很大，大部分仅在可见光和近红外区透明，在中红外波段就出现长波晶格振动吸收带；金属卤化物的晶格振动吸收带相应的波长较长，但普遍易吸潮。 半导体材料或其化合物禁带宽度窄，短波吸收限较长，折射率高。限制他们在长波使用的是杂质吸收和自由载流子吸收，特别是自由载流子吸收和波长平方成正比。要求半导体材料具有尽可能高的纯度和低的自由载流子浓度。常用的红外介质材料有ZnS、ZnSe。,3、红外薄膜材料, 在400200nm的近紫外区，高折射率如：Hf
20、O2、ZrO2， 中等折射率MgO、Al2O3；低折射率：SiO2、MgF2、LiF等。 在小于200nm的真空紫外，只有少量的低折射率材料，没有高折射率材料。常采用Al-MgF2（或LiF3）制备100200nm紫外反射镜。,4、紫外薄膜材料,五、操作流程,触摸屏界面,触摸屏：,触摸屏界面可表示系统的操作及状态指示。界面根据功能分开成了若干按键和画面，按下屏幕上的按键即可进行画面切换操作或控制操作。在触摸屏主控系统的下方有四个菜单:真空系统、镀膜系统、系统设置、报警信息。需要操作或设置那个界面可直接点击即可进入。具有层次分明操作方便的特点。,1、开机,电气柜：,2、抽真空,触摸屏：,（给扩散
21、泵加热，约40分钟，加热至设定温度后 ）,（触摸屏上低真空信号指示灯变成绿色 ，表示抽低真空完成）,（真空度要达到6.7E-3 Pa，约20-30分钟）,3、工转、烘烤,电气柜：除阻蒸开关外，其他开关全都打开；,触摸屏：选择镀膜系统菜单中的工转、烘烤,先打开工转，再打开烘烤，将转速调到需要的，烘烤时间到后，关烘烤。 烘烤电压设定为：100-150V；工转电压设定为50-100V,4、离子源充气,开离子源约10分钟后，反顺序关离子源。,开离子源电源,充气离子源按钮（真空到1E-2 Pa）,开灯丝、阳极开关,加灯丝电流（30A）,加阳极电流（3A）,（充入惰性气体氩气，目的是清工件）,5、阻蒸,打
22、开阻蒸挡板,打开阻蒸,调节阻蒸电流,蒸镀结束，关阻蒸,6、电子枪,给电子枪充气,开枪挡板,开灯丝,开高压,加灯丝电流（0.5-1A）,调节光斑,加束流,关高压,关灯丝,关充气,六、镀膜工艺,镀膜工艺根据需要在SQC-310 系列薄膜镀层控制仪上设定。,标准的 SQC-310 配备多至两个石英晶体传感器， 和控制多至两个蒸发源。 包含 8 个过程控制继电器， 和 8 个数字输入支持广泛的外接设备。传感器、输出、和数字 I/O 的数量可用扩展电路板加倍。,用于进入仪器的运行和设置菜单。 软键的功能是更改适应于不同的运行模式，并显示于屏的左侧。,用于调整数值和选择菜单项。 按控制旋钮贮存当前的设定值
23、和 移至下一个，与键盘的回车键相似。,用于手动遥控器选件的插口。,主屏的第一行显示当前所选过程的名称，过程名称后为按下开始软键后将运行的膜层和过程中膜层的总数，右边为此过程已运行的次数。主屏的第二行为状态行，显示当前镀膜周期的阶段，和其它状态或误差信息。在过程运行中，此行的右侧显示过程消逝的时间。可显示三个图形：速率，速率偏移， 和输出功率。基于显示的数据，标度图形的纵轴和滚动横轴。.图形下面有两行显示沉积的读值 (如安装选件电路板有四行显示)。 可显示当前速率，速率偏移，膜厚和输出功率。它也可显示测量的速率，膜厚与膜厚设点和速率的关系.,屏左侧的六个软键图符将根据过程的状态和您选用的功能而变更。按下一个菜单显示另一个主屏菜单。,
