薄膜光學(xué)第四章課件

教學(xué)內(nèi)容教學(xué)目的和要求光學(xué)薄膜器件的質(zhì)量要素（光學(xué)性能、機(jī)械、環(huán)境等）；

影響膜層質(zhì)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(xué)薄膜質(zhì)量的主要因素以及控制方法。光學(xué)鍍膜技術(shù)光學(xué)鍍膜工藝光學(xué)鍍膜理論和設(shè)計(jì)4.1光學(xué)薄膜器件的質(zhì)量要素

光學(xué)鍍膜器件的光學(xué)性能光學(xué)薄膜的光學(xué)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(shí)材體積和膜層的幾何輪廓之比。2）膜層的微觀組織物理結(jié)構(gòu)。即使用同樣的膜層材料，采用不同的物理氣態(tài)沉積技術(shù)（PVD），得到的膜層具有不同的晶體結(jié)構(gòu)狀態(tài)，具有不同的介電常數(shù)和折射率。3）膜層的化學(xué)成分。采用PVD的熱蒸發(fā)技術(shù)制造光學(xué)薄膜幾乎每一種化合物的膜層材料蒸發(fā)時(shí)都會(huì)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(yīng)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(yīng)進(jìn)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?？刂颇诱凵渎示褪且刂七@三個(gè)因素的影響！

光學(xué)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(xué)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(qiáng)；相反對于結(jié)構(gòu)疏松的膜層，酸、堿、鹽、水等對膜層的腐蝕會(huì)滲透到內(nèi)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(xué)鍍膜器件耐久性關(guān)鍵是提高膜層的填充密度。膜層填充密度對膜層質(zhì)量的影響膜層填充密度的定義：膜層材料的折射率為nf，實(shí)心材料的折射率為ns，膜層內(nèi)空隙介質(zhì)的折射率nv。則有加權(quán)平均折射率膜層填充密度可以影響到折射率、膜層的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性、膜層應(yīng)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(jié)構(gòu)疏松，不結(jié)實(shí)。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(nèi)空隙分量加大。1）膜層與基底間的吸附能力小，膜層結(jié)構(gòu)疏松、牢固度差；2）膜層結(jié)構(gòu)不規(guī)則，均勻性差；3）空隙吸收環(huán)境氣體導(dǎo)致膜層有效光學(xué)厚度對環(huán)境溫度變化比較敏感，導(dǎo)致光學(xué)特性不穩(wěn)定；4）增加光學(xué)損耗，降低光束質(zhì)量；5）表面粗糙，抗摩擦能力差；6）不結(jié)實(shí)；7）抗腐蝕性能差。沉積速率的影響：沉積速率：單位時(shí)間內(nèi)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，凝結(jié)只能在大的聚集體上進(jìn)行，膜層結(jié)構(gòu)疏松。提高沉積速率，膜層顆粒細(xì)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(jī)械強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)度和不溶性等?；瑴囟鹊挠绊懀夯瑴囟葘δ釉雍头肿犹峁╊~外的能量補(bǔ)充。主要影響膜層結(jié)構(gòu)、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(yīng)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(diǎn)：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(jié)合力；促使膜層的物理吸附向化學(xué)吸附轉(zhuǎn)化，使膜層更加緊密，附著力增加，提高了機(jī)械強(qiáng)度；減少蒸汽分子再結(jié)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(nèi)應(yīng)力。過高溫度可導(dǎo)致膜層結(jié)構(gòu)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(jìn)化學(xué)反應(yīng)提高機(jī)械強(qiáng)度、均勻性和抗激光損傷閾值?；牧系挠绊懀?）基片材料的膨脹系數(shù)不同將導(dǎo)致膜層的熱應(yīng)力不同；2）化學(xué)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(dǎo)致1）膜層對基片的附著力差；2）散射或吸收增大，抗激光損傷閾值低；3）透光性能變差。膜層材料的影響：膜層材料的化學(xué)純度、物理狀態(tài)的預(yù)處理（真空燒結(jié)或鍛壓）影響膜層的結(jié)構(gòu)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(dòng)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(nèi)。烘烤處理的影響：在大氣中對膜層加溫處理，有利用于應(yīng)力釋放，對膜層的折射率、應(yīng)力和硬度等有影響。提高膜層的機(jī)械強(qiáng)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(jié)構(gòu)得到改善，化學(xué)成分變純但應(yīng)力增加。2）沉積速率提高，聚集密度增大，膜層結(jié)構(gòu)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(jié)合力；同時(shí)會(huì)促使物理吸附向化學(xué)吸附轉(zhuǎn)化，使膜層更加致密。但溫度過高會(huì)使膜層變質(zhì)。

提高膜層機(jī)械強(qiáng)度的工藝途徑（附著力、應(yīng)力、聚集密度等）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(huì)相應(yīng)提高。2）基片溫度。提高基片溫度可以促進(jìn)沉積的膜料分子與剩余氣體分子的化學(xué)反應(yīng)，改變膜層的結(jié)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(xì)而致密，折射率也會(huì)提高。

獲得致密膜層的方法光學(xué)性能：環(huán)境穩(wěn)定性和制造重復(fù)性。機(jī)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(zhì)量是非常關(guān)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(huì)使膜料氣體分子改變運(yùn)動(dòng)方向和速度，使得膜層松散粗糙，嚴(yán)重的甚至不能沉積成膜。真空度的提高，能使得吸附在基質(zhì)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(xué)反應(yīng)，改善膜層的純度和晶體結(jié)構(gòu)等。2）提高基片表面的清潔度。提高基片溫度可以促進(jìn)沉積的膜料分子與剩余氣體分子的化學(xué)反應(yīng)，改變膜層的結(jié)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(xì)而致密，折射率也會(huì)提高。單層膜反射率

對于確定波長，當(dāng)膜層光學(xué)厚為四分之一波長整數(shù)倍時(shí)，反射率有極值。（定波長檢測）對于確定膜層光學(xué)厚，當(dāng)波長滿足四倍光學(xué)厚的整數(shù)分之一時(shí)，在該波長處反射率有極值。（定光學(xué)膜厚檢測）極值法缺陷：1.對極值點(diǎn)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(diǎn)避開極值點(diǎn)。3）光電定值法。此法實(shí)際上是極值法的一種改進(jìn)形式。通常需在控制片上先預(yù)鍍適當(dāng)?shù)哪?，使得可使用截止波長作為控制波長，提高截止波長的準(zhǔn)確定位，也可增加每一層膜層控制信號(hào)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(jí)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(yù)鍍監(jiān)控片。通過提高監(jiān)控片的有效光學(xué)導(dǎo)納，增大反射率或透過率的變化幅度，減少相對判斷誤差。2.受限于所用測量光電元件的響應(yīng)。

任意厚度的薄膜厚度監(jiān)控技術(shù)1）石英晶體監(jiān)控；石英晶體具有壓電效應(yīng)。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(guān)。厚度的改變使得固有頻率發(fā)生變化。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(jié)構(gòu)（點(diǎn)源、面源或螺旋絲）的蒸發(fā)源有不同的發(fā)射特性。每一種蒸發(fā)源的發(fā)射分布即隨經(jīng)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(dǎo)率，造成蒸發(fā)點(diǎn)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(diǎn)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(zhuǎn)夾具；轉(zhuǎn)動(dòng)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(shè)膜層厚度的調(diào)節(jié)板。光學(xué)薄膜材料（光學(xué)、機(jī)械和化學(xué)性質(zhì)）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(yīng)小，但吸收較嚴(yán)重，機(jī)械強(qiáng)度較低。不透明金屬膜在空氣中垂直入射時(shí)的反射率為介質(zhì)和半導(dǎo)體薄膜的材料要求：透明度、折射率、機(jī)械牢固度、化學(xué)穩(wěn)定性以及抗高能輻射。透明度：大部分介質(zhì)材料在可見及紅外波段都是透明的，而半導(dǎo)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(gè)量級(jí)；易分解的氧化物材料（TiO2、TaO5等）的消光系數(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(jié)構(gòu)，單晶最小。折射率：薄膜的折射率應(yīng)做到是確定的和可以重復(fù)的（工藝穩(wěn)定）。依賴下面幾個(gè)因素：材料種類。如材料外層價(jià)電子容易極化，折射率就高。對于類似的原子結(jié)構(gòu)，隨著原子量增加，折射率也增加。對于化合物，電子鍵結(jié)合的化合物比離子鍵結(jié)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(dǎo)體材料。色散：正常色散和反常色散。晶體結(jié)構(gòu)不同折射率也不同。機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)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(yīng)力盡可能小且其性質(zhì)相反（壓應(yīng)力和張應(yīng)力），以降低多層膜的積累應(yīng)力。結(jié)合具體使用場合選材膠合使用的場合，對機(jī)械和化學(xué)性能比較低；潮濕場合，對耐潮濕性能比較講究；海面應(yīng)用場合，對鹽