第三章光學(xué)薄膜的制備課件

1、光學(xué)薄膜的制備光學(xué)薄膜的制備v 一些光學(xué)零件的光學(xué)表面需要用物理方一些光學(xué)零件的光學(xué)表面需要用物理方法或化學(xué)方法鍍上一層或多層薄膜，使得光法或化學(xué)方法鍍上一層或多層薄膜，使得光線經(jīng)過(guò)該表面的反射光特性或透射光持性發(fā)線經(jīng)過(guò)該表面的反射光特性或透射光持性發(fā)生變化，許多機(jī)械加工所采用的刀具表面也生變化，許多機(jī)械加工所采用的刀具表面也需要沉積一層致密的、結(jié)合牢固的超硬鍍層需要沉積一層致密的、結(jié)合牢固的超硬鍍層而使其得以硬化，延長(zhǎng)其使用壽命，改善被而使其得以硬化，延長(zhǎng)其使用壽命，改善被加工部件的精度和光潔度。加工部件的精度和光潔度。 v 目前，作為物理鍍膜方法的真空鍍目前，作為物理鍍膜方法的真空鍍膜，尤

2、其是納米級(jí)超薄膜制作技術(shù)，己膜，尤其是納米級(jí)超薄膜制作技術(shù)，己廣泛地應(yīng)用在電真空、無(wú)線電、光學(xué)、廣泛地應(yīng)用在電真空、無(wú)線電、光學(xué)、原子能、空間技術(shù)等領(lǐng)域及我們的生活原子能、空間技術(shù)等領(lǐng)域及我們的生活中。中。v 真空鍍膜實(shí)質(zhì)上是在高真空狀態(tài)下真空鍍膜實(shí)質(zhì)上是在高真空狀態(tài)下利用物理方法在鍍件的表面鍍上一層薄利用物理方法在鍍件的表面鍍上一層薄膜的技術(shù)，它是一種物理現(xiàn)象。膜的技術(shù)，它是一種物理現(xiàn)象。v真空蒸發(fā)鍍膜：真空條件下加熱材料，使真空蒸發(fā)鍍膜：真空條件下加熱材料，使薄膜材料的分子或原子以直線形式向四周薄膜材料的分子或原子以直線形式向四周蒸發(fā)，從而在被鍍零件表面沉積成均勻薄蒸發(fā)，從而在被鍍零件表面

3、沉積成均勻薄膜。膜。1.低真空的獲得低真空的獲得 獲得低真空常采用機(jī)械泵，機(jī)械泵是運(yùn)用獲得低真空常采用機(jī)械泵，機(jī)械泵是運(yùn)用機(jī)械方法不斷地改變泵內(nèi)吸氣空腔的體積，使機(jī)械方法不斷地改變泵內(nèi)吸氣空腔的體積，使被抽容器內(nèi)氣體的體積不斷膨脹，從而獲得真被抽容器內(nèi)氣體的體積不斷膨脹，從而獲得真空的裝置。它可以直接在大氣壓下開(kāi)始工作，空的裝置。它可以直接在大氣壓下開(kāi)始工作，極限真空度一般為極限真空度一般為1.331.331.331.331010- -1 1PaPa，抽氣速抽氣速率與轉(zhuǎn)速及空腔體積率與轉(zhuǎn)速及空腔體積V V的大小有關(guān)，一般在每秒的大小有關(guān)，一般在每秒幾升到每秒幾十升之間。幾升到每秒幾十升之間。

4、l旋片式機(jī)械泵通旋片式機(jī)械泵通常由轉(zhuǎn)子、定子、常由轉(zhuǎn)子、定子、旋片等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。旋片等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。偏心轉(zhuǎn)子置于定子偏心轉(zhuǎn)子置于定子的圓柱形空腔內(nèi)切的圓柱形空腔內(nèi)切位置上，空腔上連位置上，空腔上連接進(jìn)氣管和出氣閥接進(jìn)氣管和出氣閥門。轉(zhuǎn)子中鑲有兩門。轉(zhuǎn)子中鑲有兩塊旋片，旋片間用塊旋片，旋片間用彈簧連接，使旋片彈簧連接，使旋片緊壓在定子空腔的緊壓在定子空腔的內(nèi)壁上。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)內(nèi)壁上。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)是由馬達(dá)帶動(dòng)的，動(dòng)是由馬達(dá)帶動(dòng)的，定子置于油箱中，定子置于油箱中，油起到密切、潤(rùn)滑油起到密切、潤(rùn)滑與冷卻的作用。與冷卻的作用。l 當(dāng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，空氣由被抽容器通過(guò)當(dāng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，空氣由被抽容器通過(guò)進(jìn)氣管被吸

5、入，旋片隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)使與進(jìn)氣管進(jìn)氣管被吸入，旋片隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)使與進(jìn)氣管相連的區(qū)域不斷擴(kuò)大，而氣體就不斷地被吸入。相連的區(qū)域不斷擴(kuò)大，而氣體就不斷地被吸入。當(dāng)轉(zhuǎn)子達(dá)到一定位置時(shí)，另一旋片把被吸入氣體當(dāng)轉(zhuǎn)子達(dá)到一定位置時(shí)，另一旋片把被吸入氣體的區(qū)域與被抽容器隔開(kāi)，并將氣體壓縮，直到壓的區(qū)域與被抽容器隔開(kāi)，并將氣體壓縮，直到壓強(qiáng)增大到可以頂開(kāi)出氣口的活塞閥門而被排出泵強(qiáng)增大到可以頂開(kāi)出氣口的活塞閥門而被排出泵外，轉(zhuǎn)子的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)使氣體不斷地從被抽容器中外，轉(zhuǎn)子的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)使氣體不斷地從被抽容器中抽出。抽出。（1）高真空的獲得）高真空的獲得 l 目前，廣泛使用的獲得高真空的泵就是擴(kuò)目前，廣泛使用的獲得

6、高真空的泵就是擴(kuò)散泵。擴(kuò)散泵是利用氣體擴(kuò)散現(xiàn)象來(lái)抽氣的，它散泵。擴(kuò)散泵是利用氣體擴(kuò)散現(xiàn)象來(lái)抽氣的，它不能直接在大氣壓下工作，而需要一定的預(yù)備真不能直接在大氣壓下工作，而需要一定的預(yù)備真空度（空度（1.330.1331.330.133PaPa）。）。油擴(kuò)散泵的極限真空油擴(kuò)散泵的極限真空度主要取決于油蒸汽壓和氣體分子的反擴(kuò)散，一度主要取決于油蒸汽壓和氣體分子的反擴(kuò)散，一般能達(dá)到般能達(dá)到1.331.331010-5-51.331.331010-7-7PaPa。抽氣速率與抽氣速率與結(jié)構(gòu)有關(guān)，每秒幾升結(jié)構(gòu)有關(guān)，每秒幾升 幾百升不等。幾百升不等。 油擴(kuò)散泵的結(jié)構(gòu)如示意圖油擴(kuò)散泵的結(jié)構(gòu)如示意圖 （2）真空度

7、的測(cè)量）真空度的測(cè)量v熱電偶真空計(jì)和電離真空計(jì)熱電偶真空計(jì)和電離真空計(jì)l 熱偶真空計(jì)是用在低氣壓下氣體的熱導(dǎo)率熱偶真空計(jì)是用在低氣壓下氣體的熱導(dǎo)率與氣體壓強(qiáng)間有依賴關(guān)系制成的。它通常用來(lái)測(cè)與氣體壓強(qiáng)間有依賴關(guān)系制成的。它通常用來(lái)測(cè)量低真空，可測(cè)范圍為量低真空，可測(cè)范圍為13.330.133313.330.1333PaPa。其中有其中有一根細(xì)金屬絲（鉑絲或鎢絲）以恒定功率加熱，一根細(xì)金屬絲（鉑絲或鎢絲）以恒定功率加熱，則絲的溫度取決于輸入功率與散熱的平衡關(guān)系，則絲的溫度取決于輸入功率與散熱的平衡關(guān)系，而散熱取決于氣體的熱導(dǎo)率。管內(nèi)壓強(qiáng)越低，即而散熱取決于氣體的熱導(dǎo)率。管內(nèi)壓強(qiáng)越低，即氣體分子越稀

8、薄，氣體碰撞燈絲帶走的熱量就越氣體分子越稀薄，氣體碰撞燈絲帶走的熱量就越少，則絲溫越高，從而熱偶絲產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)越大。少，則絲溫越高，從而熱偶絲產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)越大。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)定標(biāo)后，就可以通過(guò)測(cè)量熱偶絲的電動(dòng)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)定標(biāo)后，就可以通過(guò)測(cè)量熱偶絲的電動(dòng)勢(shì)來(lái)指示真空度了。勢(shì)來(lái)指示真空度了。 mVTQP測(cè)量范圍：測(cè)量范圍：100 10100 10-1-1 Pa Pal電離真空計(jì)是根據(jù)氣體分子與電子相互碰撞產(chǎn)生電離真空計(jì)是根據(jù)氣體分子與電子相互碰撞產(chǎn)生電離的原理制成的。它用來(lái)測(cè)量高真空度，可測(cè)范電離的原理制成的。它用來(lái)測(cè)量高真空度，可測(cè)范圍為圍為0.1331.3310-6Pa。實(shí)驗(yàn)表明，在壓強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)表明，在

9、壓強(qiáng)P10-1Pa時(shí)，有下列關(guān)系成立時(shí)，有下列關(guān)系成立 I+/Ie=K P 其中其中Ie為柵極電流，為柵極電流，P為氣體壓強(qiáng)，為氣體壓強(qiáng)，I+為燈絲發(fā)為燈絲發(fā)出電子與氣體分子碰撞后使氣體分子電離產(chǎn)生正離出電子與氣體分子碰撞后使氣體分子電離產(chǎn)生正離子而被板極收集形成的離子電流。子而被板極收集形成的離子電流。K為比例常數(shù)。可為比例常數(shù)。可見(jiàn)，見(jiàn)，Ie不變，經(jīng)過(guò)用絕對(duì)真空計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，不變，經(jīng)過(guò)用絕對(duì)真空計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，I+的值就的值就可以指示真空度了。注意，只有在真空度達(dá)到可以指示真空度了。注意，只有在真空度達(dá)到10-1Pa以上時(shí)，才可以打開(kāi)電離規(guī)管燈絲。否則，將造成以上時(shí)，才可以打開(kāi)電離規(guī)管燈絲。否則

10、，將造成規(guī)管損壞。規(guī)管損壞。薄膜蒸發(fā)技術(shù)薄膜蒸發(fā)技術(shù)v熱蒸發(fā)鍍膜熱蒸發(fā)鍍膜 v濺射鍍膜濺射鍍膜 v離子鍍膜離子鍍膜 熱蒸發(fā)：材料被加熱時(shí)，其原子就會(huì)從表面逸出熱蒸發(fā)：材料被加熱時(shí)，其原子就會(huì)從表面逸出熱蒸發(fā)有四種類型。熱蒸發(fā)有四種類型。 電阻加熱源：用難熔金屬如鎢、鉭制成舟箔電阻加熱源：用難熔金屬如鎢、鉭制成舟箔或絲狀或絲狀, ,通以電流通以電流, ,加熱在它上方的或置于坩加熱在它上方的或置于坩堝中的蒸發(fā)物質(zhì)電阻加熱源主要用于蒸發(fā)堝中的蒸發(fā)物質(zhì)電阻加熱源主要用于蒸發(fā)CdCd、PbPb、AgAg、AlAl、CuCu、CrCr、AuAu、NiNi等材料。等材料。 電子束加熱源：適用于蒸發(fā)溫度較高（

11、不低電子束加熱源：適用于蒸發(fā)溫度較高（不低 于于2000618-12000618-1）的材料，即用電子束轟擊材）的材料，即用電子束轟擊材料使其蒸發(fā)。料使其蒸發(fā)。 高頻感應(yīng)加熱源：用高頻感應(yīng)電流加熱坩堝高頻感應(yīng)加熱源：用高頻感應(yīng)電流加熱坩堝和蒸發(fā)物質(zhì)。和蒸發(fā)物質(zhì)。1.1. 激光加熱激光加熱v磁控濺射的工作原理如圖所示。與一般濺射磁控濺射的工作原理如圖所示。與一般濺射相比，磁控濺射的不同之處是在靶表面設(shè)置相比，磁控濺射的不同之處是在靶表面設(shè)置一個(gè)平行于靶表面的橫向磁場(chǎng)，此磁場(chǎng)是放一個(gè)平行于靶表面的橫向磁場(chǎng)，此磁場(chǎng)是放置于靶內(nèi)的磁體產(chǎn)生。電子在電場(chǎng)的作用下置于靶內(nèi)的磁體產(chǎn)生。電子在電場(chǎng)的作用下加速飛

12、向基體的過(guò)程中與氬原子發(fā)生碰撞，加速飛向基體的過(guò)程中與氬原子發(fā)生碰撞，若電子具有足夠大的能量則電離出和另一個(gè)若電子具有足夠大的能量則電離出和另一個(gè)電子電子飛向基體，在電場(chǎng)的作用下加速飛電子電子飛向基體，在電場(chǎng)的作用下加速飛向陰極靶并以高能量轟擊靶表面，使靶產(chǎn)生向陰極靶并以高能量轟擊靶表面，使靶產(chǎn)生濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子或分子濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基體上形成薄膜。沉積在基體上形成薄膜。真空蒸發(fā)鍍膜真空蒸發(fā)鍍膜 真空濺射鍍膜真空濺射鍍膜 真空離子鍍膜真空離子鍍膜 三種鍍膜方式的比較三種鍍膜方式的比較比較項(xiàng)目比較項(xiàng)目 真空蒸發(fā)鍍真空蒸發(fā)鍍膜膜 真空濺射鍍真空濺射鍍膜膜 真空離子鍍真空離子鍍膜膜 壓強(qiáng)（壓強(qiáng)（133Pa133Pa） 1010-5-51010-6-6 0.150.02 0.150.02 0.020.005 0.020.005 粒子能量粒子能量 中性中性 0.11eV 0.11eV 110eV 110eV 0.11eV 0.11eV 離子離子 數(shù)百到數(shù)千數(shù)百到數(shù)