光學薄膜復習要點說課材料

1、光學薄膜復習要點第四章光學薄膜的制造工藝1. 光學薄膜器件的質(zhì)量要素光學性能 :膜層厚度 d 膜層折射率 n折射率誤差的三個主要來源：- 膜層的填充密度 ( 聚集密度 )- 膜層的微觀組織物理結構- 膜層的化學成分機械性能 :硬度 : 膜層材料的本身硬度和膜層內(nèi)部的填充密度牢固度：是指膜層對于基底的附著力、黏結程度膜層與基底之間結合力的性質(zhì) （范德華力、分子間作用力、經(jīng)典吸引）成膜粒子的遷移能環(huán)境穩(wěn)定性：希望薄膜器件的光學性能和機械性能在經(jīng)歷惡劣環(huán)境較長時間后仍然不變。惡劣環(huán)境：鹽水鹽霧、高濕高溫、高低溫突變、全水浴半水浴、酸堿腐蝕提高方法 :1. 選用化學穩(wěn)定性好的材料2. 制作結構致密無縫

2、可鉆的膜層后果：1. 結構致密 : 酸堿鹽水對膜層的腐蝕為單一面腐蝕，速度慢，耐久性強2. 結構疏松：酸堿鹽水對膜層的腐蝕是深入內(nèi)部的體腐蝕， 速度快，耐久性差。填充密度 : 膜層的實際體積與膜層的幾何體積之比。后果：高的填充密度對應著優(yōu)良的機械性能和光學性能的環(huán)境穩(wěn)定性。低：機械性能：膜層與基底之間吸附能小，膜層結構疏松牢固度差膜層表面粗糙，摩擦因數(shù)較大，抗摩擦損傷能力差非密封儀器內(nèi)部，面腐蝕變?yōu)樯钊雰?nèi)部的體腐蝕光學性能：光線在粗糙表面散射損大空隙對環(huán)境氣體的吸收導致膜層的有效光學厚度隨環(huán)境、 溫度的變化而變化。折射率不穩(wěn)定。提高膜層的填充密 - 基片溫度、沉積速率、真空度、蒸汽入射角、離子

3、轟擊影響膜層質(zhì)量的工藝要素：1. 真空鍍制光學薄膜的基本過程清洗零件 - 清潔真空室 / 裝零件 - 抽真空和零件加溫子轟擊 - 膜料預熔 - 鍍膜 - 鍍后處理 - 檢測。- 膜厚儀調(diào)整-離2. 影響薄膜器件質(zhì)量的工藝要素及其作用機理真空度 : 影響折射率，散射，機械強度，不溶性后果 : 真空度低，使膜料蒸汽分子與剩余氣體分子碰撞的幾率增加， 蒸汽分子的動能大大減小，與基片的吸附能間隙，從而導致沉積的膜層疏松，機械強度差，聚集密度低，化學成分不純，膜層折射率，硬度變差。隨著真空度的提高，膜層結構得到改善，化學成分變純但，應力增大。沉積速率機理：沉積速率低：晶核生長緩慢- 結構疏松 ( 聚集密

4、度低 )沉積速率快 :-應力積累沉積速率合適 - 聚集密度大 - 光散射小，牢固度增加改進方法：提高沉積速率:1. 提高蒸發(fā)源溫度增大蒸發(fā)源面積基片溫度 - 對膜層粒子提供額外能量補充 - 主要影響膜層結構、 凝集系數(shù)、膨脹系數(shù)、聚集密度 - 宏觀反映在膜層折射率、 散射、應力、附著力、硬度和不溶性都會因為溫度的不同而存在較大差異。升溫的優(yōu)點：1. 將附著在基片表面的剩余氣體分子排除 - 增加基片與沉積分子之間的結合力。2. 促進膜層物理吸附向化學吸附轉化，增強分子間相互作用，使膜層緊密，附著力增加，提高了機械強度。3. 減少了蒸汽分子再結晶的溫度與基片溫度之間的差異， 提高了膜層密集度，增強

5、了膜層硬度，消除了內(nèi)應力。溫度過高 : 是膜層結構變化或膜料發(fā)生分解。離子轟擊鍍前離子轟擊 : 對基片表面進行再清潔和電活化 - 提高膜層在基片表面的凝集系數(shù)和附著力鍍后離子轟擊：提高膜層聚集密度，增進化學反應 - 使膜層折射率和機械強度增加基片材料基片材料的膨脹系數(shù)不同- 薄膜熱應力不同化學親和力不同 - 影響膜層附著力和牢固度基片的粗糙度和缺陷 - 薄膜散射基片清潔不清潔的壞處：膜層對基底附著力差散射吸收增大抗激光能力差透光性變差膜層材料蒸發(fā)方式方法不同 - 提供給蒸發(fā)原子或分子的初始動能差異大 - 導致膜層結構有較大差異 - 聚集密度不一樣 - 折射率、散射、附著力有差異蒸發(fā)入射角 -

6、蒸汽分子入射方向與基片趁機表面法線的夾角(30 )影響薄膜的生長特性和聚集密度- 進而影響膜層折射率和散射性烘烤對膜層加溫處理 - 有利于內(nèi)應力釋放和環(huán)境氣體分子及膜層分子的熱遷移-膜層結構重組 - 對折射率、應力、硬度有較大影響提高膜層機械強度的工藝途徑1. 真空度 : 隨著真空度的提高，膜層聚集密度變大，牢固度增加，膜層結構得到改善，化學成分變純，但同時應力變大。2. 沉積速率：適當?shù)奶岣叱练e速率會得到顆粒細而致密的膜層- 牢固度增加3. 基片溫度：提高基片溫度有利于將吸附在基片表面的剩余氣體分子排除 - 增加基片與沉積分子之間的結合力促使物理吸附想化學吸附轉化- 增強分子之間相互作用-

7、使膜層結構致密4. 離子轟擊：鍍前轟擊 - 清潔表面、增強附著力鍍后轟擊 - 提高膜層聚集密度 - 機械強度和硬度都增加5. 基片清潔：對基片進行清潔處理可以提高膜層與基片之間的附著力控制膜層折射率的主要工藝途徑1. 控制真空度：真空度越高 - 膜層填充密度越高 - 折射率誤差越小2. 控制沉積速率：合適的沉積速率 - 形成顆粒細而致密的膜層3. 控制基片溫度：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，改變膜層的結晶形勢和晶格常數(shù) - 改變膜層的光學性能。4. 控制膜料分子入射角：盡可能以小角度蒸發(fā)成膜 - 獲得致密膜層獲得致密膜層的方法1. 真空度的影響及改進方法提高真空度

8、，蒸發(fā)原子、分子的動能大，打擊基底的也大，故對基底的附著力增強，膜層粒子之間的結合更加緊密，有利于獲得高度致密的膜層。2. 基片表面清潔度的影響及改進方法基片表面的清潔度直接影響沉積膜層的結構，聚集密度，以及附著力。離子轟擊，由于離子質(zhì)量較大能驅逐吸附在表面的氣體分子， 有利于獲得致密的膜層。3. 基片溫度的影響 - 聚集密度隨溫度的增加而增加4. 蒸發(fā)速率的影響及改進方法蒸發(fā)速率直接影響膜層的沉積速率。 適當?shù)奶岣叱练e速率， 臨界核小，很快的普遍生長成顆粒，顆粒不大，平均厚度轉薄時，顆粒就連接成致密的薄膜。5. 離子輔助轟擊 - 提高膜層填充密度 - 獲得致密膜層6. 濺射和離子鍍膜機通過帶

9、電離子沉積工藝，可以獲得非常致密的膜層。獲得精確厚度的方法 -石英晶振法1. 頻移法 - 膜厚引起石英晶片振動頻率發(fā)生變化存在的問題： 1. 忽略了有膜晶片與無膜晶片振動模式的差異2. 忽略了有膜晶片連續(xù)或繼續(xù)使用是振動基頻的變化2. 周期法 - 克服了頻移法存在的第二個問題。影響膜層厚度均勻性的三大主要因素1）. 蒸發(fā)源發(fā)射特性1. 蒸發(fā)源結構 : 點源、面源、螺旋絲等不同結構蒸發(fā)源的發(fā)射特性各不相同每一種蒸發(fā)源的發(fā)射分布隨經(jīng)度與維度的不同而不同2. 同樣的蒸發(fā)源，不同的膜料也有不同的蒸發(fā)分布特性2）. 蒸發(fā)源與被鍍件的相對位置3）. 被鍍件的面型對膜厚分布的影響獲得均勻厚度膜層的途徑1.

10、調(diào)節(jié)蒸發(fā)源與被鍍件的相對位置： 點狀蒸發(fā)源位于被鍍件所在球面的球心處面狀蒸發(fā)源位于被鍍件所在的同一球面上2. 改善鍍膜時的工藝 - 是政法膜料的入射角盡可能的小，以獲得好的附著力和均勻的膜厚分布的膜層，蒸發(fā)源有效蒸發(fā)角應 2小于 221）. 采用旋轉夾具 : 公轉、自傳、行星夾具對于大的基底或者曲率比較小的透鏡，蒸發(fā)源可以安置在邊緣區(qū)域，但必須采用旋轉的平面或球面夾具。對于曲率半斤更小或者拋物面行的零件，不僅要求支架轉動，而且零件本身也應自轉，因此采用自轉和公轉的行星式轉動支架。2）增設膜厚調(diào)節(jié)板 - 采用特定形狀的靜止擋板， 置于蒸發(fā)源與被鍍光學元件之間第五章：薄膜材料及其性質(zhì)薄膜的形成過程

11、：1. 吸附過程：沉積過程中，蒸汽粒子與襯底相遇，產(chǎn)生相互吸引2. 成核過程：A. 三維生長（島狀生長） - 沉積粒子相互間的結合力遠高于其和襯底的結合力B. 單層生長 - 沉積粒子相互間的結合力遠低于其和襯底的結合力C.單層生長加三維生長 - 彈層結構形成后，原子間結合力開始增強， 將出現(xiàn)島狀生長現(xiàn)象3. 長大過程島狀階段 - 凝聚階段 - 溝道階段 - 連續(xù)階段折射率的不均勻性來自 : 薄膜生長階段柱狀結構吸潮過程引起光學薄膜的損耗1. 吸收損耗：薄膜固有性質(zhì)。大小與薄膜的微觀結構、化學計量比、吸潮、雜志污染等有關2. 散射損耗：表面散射 - 薄膜的表面粗糙度決定，受柱狀結構在表面處的特征影響體散射 - 來自于薄膜內(nèi)部缺陷 （缺陷、空隙、微塵、裂紋、柱狀體邊界）附著力的分類簡單附著、擴散附著、中間層附著、宏觀效應附著范德瓦爾茲力化學鍵靜電力影響附著力的因素襯底材料的種類、襯底表面狀態(tài)、襯底溫度沉積方式、沉積速率、沉積氣氛應力：薄膜單位面積上承受的力- 在滿足應用條件下，常設法使薄膜呈現(xiàn)壓應力外應力 : 外部對薄膜施加的力 - 人