光學(xué)薄膜理論培訓(xùn)1利達(dá)光電.ppt

1、1,光學(xué)薄膜技術(shù)培訓(xùn),精密薄膜工程部 2010年7月15日,2,目 錄,一、光學(xué)薄膜基礎(chǔ)知識 二、真空及真空系統(tǒng) 三、薄膜的制備技術(shù) 四、薄膜制備工藝 五、薄膜材料 六、膜厚的監(jiān)控 七、光學(xué)薄膜的性能和檢測 八、光學(xué)薄膜產(chǎn)品的常見疵病及相應(yīng)的注意事項 九、膜系設(shè)計相關(guān),一、光學(xué)薄膜基礎(chǔ)知識,4,1、光是什么？,光是一種電磁波，可見光波長范圍是380760nm；紅外光為約760 到107nm量級；紫外光1-380nm；比紫外光短的還有X射線、射線（0.001nm）等；而比紅外長的就是我們熟悉的無線電波。,2、什么叫做光學(xué)薄膜？,所謂光學(xué)薄膜 首先它應(yīng)該是薄的 基于光的干涉效應(yīng)（比如光圈牛頓環(huán)，也

2、是基于光的干涉效應(yīng)）,6,3、光學(xué)薄膜的類型與符號,4、光學(xué)薄膜在光學(xué)系統(tǒng)中的作用,提高光學(xué)效率、減少雜光。如減反射膜（AR）、高反射膜（HR） 實現(xiàn)光束的調(diào)整或再分配。如分束膜、分色膜、偏振分光膜就是根據(jù)不同需要進(jìn)行能量再分配的光學(xué)元件。 通過波長的選擇性透過提高系統(tǒng)信噪比。如窄帶及帶通濾光片、長波通、短波通濾光片。 實現(xiàn)某些特定功能。如ITO透明導(dǎo)電膜、憎水膜、透明超硬膜等,5、當(dāng)前最熱門的應(yīng)用領(lǐng)域,8,數(shù)碼相機(jī)用的IR-CUT（OLPF系列） 減反射膜（AR）-永遠(yuǎn)的熱門 投影顯示光學(xué)系統(tǒng)-包括LCD、DLP、LCOS 光通訊：DWDM (dense wavelengh division

3、 multiplexer)濾光片 激光領(lǐng)域-激光反射腔高反射膜 液晶領(lǐng)域-ITO膜,二、真空與真空系統(tǒng),1、真空,10,（1）、定義 真空是壓力低于一個大氣壓的任何氣態(tài)空間。 一般采用真空度來表示真空的高低。,（2）、單位 真空度以壓強(qiáng)為單位來度量，壓強(qiáng)高表示真空度低，壓強(qiáng)低標(biāo)識真空度高。 真空度的國際單位是帕斯卡，簡稱帕（Pa）。 大氣壓強(qiáng)為105Pa ,1、真空,11,真空在薄膜制備中的作用 （1）減少蒸氣分子與殘余氣體分子的碰撞； （2）抑制殘余氣體和蒸發(fā)分子之間的反應(yīng)；,一般要求在高真空下鍍膜,（3）、分類,2、真空系統(tǒng)真空泵,（1）、常見真空泵,機(jī)械泵,常見種類：旋片式、定片式和滑閥

4、式； 旋片式，噪音最小，運(yùn)轉(zhuǎn)速度高（1000轉(zhuǎn)/分），是真空鍍膜常用的機(jī)械泵； 主要構(gòu)成：定子、轉(zhuǎn)子、嵌于轉(zhuǎn)子的兩個旋片及其彈簧； 機(jī)械泵油的作用：密封、潤滑，提高壓縮率； 機(jī)械泵油的要求：低的飽和蒸氣壓，一定的粘度，較高的穩(wěn)定性；,2、真空系統(tǒng)真空泵,2、真空系統(tǒng)真空泵,不能在大氣下工作，當(dāng)壓強(qiáng)10+4Pa時才可啟動。 轉(zhuǎn)速較大可以達(dá)到3000轉(zhuǎn)/分。 關(guān)機(jī)時，在關(guān)閉羅茨泵后，需要等待30秒，讓羅茨泵逐漸停止轉(zhuǎn)動后，方可關(guān)閉機(jī)械泵,羅茨泵,2、真空系統(tǒng)真空泵,2、真空系統(tǒng)真空泵,結(jié)構(gòu)：冷阱、鋁制的各級傘形噴嘴（一般為三級噴嘴）和蒸氣導(dǎo)管是擴(kuò)散泵的核心部分。 ploycold的作用：減少返油和

5、排除水氣 必須在壓強(qiáng)7Pa，才可啟動、工作。,擴(kuò)散泵,2、真空系統(tǒng)真空泵,評價真空泵的兩個重要的性能參數(shù),極限壓強(qiáng)該泵所能獲得的最低壓強(qiáng) 抽速單位時間內(nèi)的抽氣能力,（2）、評價真真空泵的兩個參數(shù),2、真空系統(tǒng)真空泵,三、薄膜制備技術(shù),1、常用薄膜制備技術(shù),薄膜的制備方法分為 a. PVD (1) 熱蒸發(fā): 如：阻蒸， 電子束蒸發(fā)，激光束蒸發(fā)，高頻誘導(dǎo) (2) 濺射: e.g. 直流濺射，射頻濺射，等離子增強(qiáng)，離子束，磁控濺射 (3) 離子鍍 (4) 分子束外延MBE (Molecular Beam Epitaxy) b. CVD APCVD (Atmospheric pressure CVD)

6、 LPCVD ( Low pressure CVD) PECVD ( Plasma enhanced CVD) PCVD (Photon CVD) MOCVD ( Metal Organic CVD) c. Deposition from Solutions Sol-gel, LB, Spin Metal films( e.g. Ag) Oxide films (SiO2-TiO2) 光學(xué)薄膜真空鍍膜技術(shù)一般采用物理氣相沉積（PVD）技術(shù)。所以，我們主要針對PVD技術(shù)中的一些蒸發(fā)方式進(jìn)行論述,2、電子束蒸發(fā)原理,電功率電子動能膜料熱能 在極短時間內(nèi)膜料溫度上升到幾千度!,2、電子槍結(jié)構(gòu),優(yōu)點(diǎn):

7、 1.強(qiáng)磁場使二次電子減少； 2.坩堝水冷,膜污染少； 3.材料蒸汽分子動能高,膜致密； 4.蒸發(fā)材料不分餾或分餾??； 5.燈絲藏下面,不易污染,壽命長； 6.有效抑制高壓放電。 缺點(diǎn): 1.價格高； 2.焦斑位置和挖坑對膜厚分布影響很大； 3.電子束控制不當(dāng)，仍有二次電子，特別是SiO2。,3、e形電子槍特點(diǎn),4、電子槍故障分析,A、高壓加不上 真空度低 燈絲短路(變形,膜料掉進(jìn)去) 高壓進(jìn)線短路 冷卻水不足 安全開關(guān)松開 小柜內(nèi)三只保險絲接觸不良 過流保護(hù)截止管不良 B.束流不正常 束流無: 燈絲接觸不良或燒斷； 燈絲短路； 束流小: 燈絲短路(有臟物，裝配不良)； 燈絲裝得太緊； 束流大

8、: 燈絲裝得太松； 局部短路(有臟物，裝配不良)。,C.光斑差 偏轉(zhuǎn)線圈電壓不正常 燈絲裝配定位不準(zhǔn)確 陽極孔打壞 D.打火 真空度低(抽速慢，材料除氣不充分等)，空氣電離； 槍頭、底座有接觸不良 槍頭、底座有太多臟污 充氧太多或太快； 蒸發(fā)速率太快,材料分子電離密度高；,5、離子輔助淀積,機(jī)理: 離子轟擊給到達(dá)基板的膜料粒子提供了足夠的動能，提高了淀積粒子的遷移率，從而使膜層聚集密度增加。, 離子輔助淀積(IAD) 提高膜層密度； 提高折射率； 減小吸收散射； 提高濾光片穩(wěn)定性； 提高牢固度和硬度； 調(diào)節(jié)應(yīng)力 清潔基板 鍍膜前轟擊基板3-5分鐘，清潔效果很好,6、離子源的用途,7、離子源和中

9、和器故障分析,A、中和器不能啟動 中和器的罩子沒有取出 氣體流量低 Keeper臟 Collector臟 接觸不良 B.離子源不能啟動 Pusle電壓設(shè)定過低 中和器電流和功率設(shè)置過低 ACC 和Screen之間短路 石英槽污染 氣體流量過低 新清潔的柵極沒有經(jīng)過高溫烘烤 離子源的罩子沒有取出,C.IB啟動時放電嚴(yán)重或者點(diǎn)著后容易熄火 清潔后的柵極預(yù)熱時間不夠 柵極表面清潔不徹底 柵極使用后受到污染 柵極組裝不良 柵極間的陶瓷墊片用錯,四、薄膜的制備工藝,主要工藝因素 （1）基板處理：包括拋光、清潔、離子轟擊 （2）制備參數(shù)：包括基板溫度、蒸發(fā)速率、真空度 薄膜主要性質(zhì)： （1）光學(xué)性質(zhì)：包括

10、折射率、各項異性、吸收、散射、光學(xué)穩(wěn)定性等 （2）機(jī)械性質(zhì)：包括硬度、附著力、應(yīng)力 （3）抗激光損傷。,1、基板處理,（1）拋光 （2）基板清潔 清洗方法主要有：酸洗、洗滌劑、有機(jī)溶劑和超聲波清洗等。,2、制備參數(shù),制備參數(shù)主要有：基板溫度、淀積速率、真空度、充氧 （1）基板溫度 提高基板溫度，使膜料蒸汽與基板的反應(yīng)更劇烈，提高膜層與基板的結(jié)合力，并形成更加致密的薄膜，提高膜層的折射率。 基板溫度必須適當(dāng)。溫度過高，可能形成大顆粒凝結(jié)或材料分解，甚至膜層發(fā)霧。 MgF2的鍍膜溫度必須大于250，最好在300以上； OS-50的鍍膜溫度，不用IAD的最好在300以下，使用IAD的最好在200以下

11、。 （2）沉積速率 薄膜淀積過程是薄膜材料分子在基板上吸附、遷移、凝結(jié)和解吸的一個綜合平衡過程。 蒸發(fā)速率較低時，吸附原子在其平均停留時間內(nèi)能充分進(jìn)行表面遷移，凝結(jié)只能在大的凝結(jié)體上進(jìn)行，反蒸發(fā)嚴(yán)重，所以膜層結(jié)構(gòu)松散。反之，淀積速率提高，結(jié)構(gòu)較緊密，但由于缺陷增多而使內(nèi)應(yīng)力增大。 OS-50、SiO2、H4、MgF2的速率一般為多少？,（3）真空度 真空度的高低使沉積分子產(chǎn)生碰撞的情況不同，造成蒸汽分子到達(dá)基底的動能不同，形成膜層的致密程度不同。 提高真空度，可提高膜層的致密性，減小膜層的吸收。 IR、AR膜系的設(shè)定真空度一般是多少？ （4）充氧 在鍍膜過程中，有許多氧化物容易失去部分的氧，造

12、成薄膜的吸收。 沖入適當(dāng)?shù)难鯕猓欣跍p少膜層吸收。 OS-50 no IAD、 SiO2 、 MgF2、H4時的充氧一般為多少？,3、膜層厚度均勻性,（1）影響因素： 膜料的純度、是否受潮，以及形狀、高低、加料的虛實等。 坩堝位置是否偏。 光斑的大小、形狀、位置。 修正板裝配是否到位、升降是否正常、有無變形。 盤、工裝有無變形，是否放置到位。 真空度的高低。 基板溫度的高低。 蒸發(fā)速率的快慢。 充氧的大小。 使用IAD的，離子源安裝是否到位。,3、膜層厚度均勻性,（2）修正板的修剪方法 使用拉線法將修正板劃分為與盤上每一圈對應(yīng)的區(qū)域。 做單層，一般為550nm的37個極值。 根據(jù)單層曲線找出

13、一直列樣品中每一圈的波峰（或波谷）的波長。 （注：盡量選擇接近控制波長的那組波峰或者波谷） 選出一個基準(zhǔn)波長，用每一圈的波峰（或波谷）波長減去基準(zhǔn)波長，得到波長差值。 （注：基準(zhǔn)波長盡量選取平均值，也可波峰或波谷最集中的區(qū)域，這樣會減少修剪的圈數(shù)） 根據(jù)波長差1nm、修剪1mm，“+”的補(bǔ)、“-”的剪的原則進(jìn)行修剪。 重復(fù)，直至均勻性滿足要求。,五、常用用的鍍膜材料,1.金屬膜，多用于高反射膜 2.介質(zhì)膜和半導(dǎo)體膜 良好膜料應(yīng)具備的特性： （1）具有良好的透明度，吸收小 高折射率材料在可見區(qū)的消光系數(shù)比低折射率材料大10100倍以上。 （2）具有穩(wěn)定的、重復(fù)性良好的折射率 （3）膜料本身具有良

14、好的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)性能 （4）薄膜與基板，薄膜與薄膜之間要有良好的附著力 ,常用的鍍膜材料在550nm的折射率,低折射率材料,中間折射率材料,高折射率材料,六、薄膜厚度監(jiān)控技術(shù),膜厚有三種概念：即幾何厚度、光學(xué)厚度和質(zhì)量厚度。 幾何厚度：表示薄膜的物理厚度或?qū)嶋H厚度； 光學(xué)厚度：幾何厚度與膜層折射率的乘積； 質(zhì)量厚度：單位面積上膜的質(zhì)量，若已知膜層的密度，可以轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的幾何厚度。 現(xiàn)場常用的膜層厚度監(jiān)控方法： 晶振法（Crystal）、極值法（Optical）、過正控制（LightOpticalRitio）、時間控制（Time,1、晶振法,原理： 晶控片的厚度決定它的振動頻率。在晶控片上鍍膜

15、后，相當(dāng)于晶控片的厚度發(fā)生改變，其振動頻率也隨之改變。我們可以通過檢測晶控片的頻率的改變來檢測膜層的厚度。 特點(diǎn)：晶振法是目前唯一可以同時控制膜層厚度和成膜速率的方法。 晶振法監(jiān)控的是物理厚度，不能監(jiān)控膜層的折射率。,晶振片的電極對膜厚監(jiān)控、速率控制至關(guān)重要。目前，市場上提供三種標(biāo)準(zhǔn)電極材料：金、銀和合金。 金是最廣泛使用的傳統(tǒng)材料，它具有低接觸電阻，高化學(xué)溫定性，易于沉積。金最適合于低應(yīng)力材料，如金，銀，銅的膜厚控制。 銀是接近完美的電極材料，有非常低的接觸電阻和優(yōu)良的塑變性。然而，銀容易硫化，硫化后的銀接觸電阻高，降低晶振片上膜層的牢固性。 銀鋁合金晶振片最近推出一種新型電極材料，適合高應(yīng)

16、力膜料的鍍膜監(jiān)控，如SiO， SiO2，MgF2，TiO2。,晶振片的安裝及注意事項與技巧 保持晶振片的清潔。切記不要用手指直接接觸晶振片以免留下油漬，晶振片的前后中心位置和何晶體和夾具之間的顆?；蚧覍訉⒂绊戨娮咏佑|，而且會產(chǎn)生應(yīng)力點(diǎn)，從而改變晶體振動的模式。 保持足夠的冷卻水使晶振頭溫度在20-40。 如果可以將溫度誤差保持在1-2范圍內(nèi)，效果更佳。,晶振片要不要換主要看以下方面： 鍍IR時，晶控片的頻率一般需大于5850；鍍AR膜時，一個新晶控片頻率5900后就要換新的。 蒸發(fā)速率出現(xiàn)明顯異常； 晶振片的表面明顯出現(xiàn)膜脫落或起皮的現(xiàn)象；,2、極值法(optical)：,極值法原理： 在玻璃

17、上鍍制單層膜，玻璃的透過率或者反射率會發(fā)生改變，蒸發(fā)過程中出現(xiàn)極值點(diǎn)的次數(shù)來控制四分之一波長整數(shù)倍膜層厚度，即鍍膜結(jié)束的時候停在極值點(diǎn)。 極值法特點(diǎn)： 常規(guī)的極值法監(jiān)控精度比較低，因為在極值點(diǎn)附近信號變化較小。 不能控制成膜速率。,3、過正控制(LightRatioPeak)：,原理： 在玻璃上鍍制單層膜，玻璃的透過率或者反射率會發(fā)生改變，與極值法不同的時，故意產(chǎn)生一個一致性的過正量，即鍍膜結(jié)束時候不是停在極值點(diǎn)。 特點(diǎn)： 監(jiān)控精度一般比極值法高。 不能控制鍍膜速率。,（極值法、過正法）補(bǔ)充 相同點(diǎn)：控制的原理相同，均利用在玻璃常鍍制單層膜，玻璃的透過或者反射率會發(fā)生變化。 不同點(diǎn)：在鍍膜結(jié)束

18、時，極值法停在極值點(diǎn)，過正法不是停在極值點(diǎn) 光學(xué)膜厚儀OPM-Z1的測光范圍為3501100nm，測量波長的設(shè)定值為0.1nm。 應(yīng)盡量避開600nm波長，因為此波長出的光學(xué)膜厚儀的信號最弱。 目的比率的取值一般在560之間。 現(xiàn)在測量的是反射信號,光量走勢異常的原因 1、光量為一條直線 沒有加膜料 電子槍光斑太散或者太偏，導(dǎo)致蒸發(fā)速率太慢，幾乎為零 2、逆振 光控片上清洗不干凈，有臟點(diǎn)或者有印子 關(guān)機(jī)或更換鋁皮時造成光控片臟，沒有及時更換下一個 預(yù)熔后，光控片被污染，沒有及時更換下一個 光控片是用過的，沒有及時更換 光控片使用過程中碎裂 APC流量異常,3、時間控制(Time)：,原理： 利用時間的長短來控制膜厚。 特點(diǎn)： 監(jiān)控精度很低。 不能控制鍍膜速率。,七、光學(xué)薄膜的性能及檢測,光學(xué)薄膜的性能主要包括： 光學(xué)指標(biāo)：反射率、透射率，吸收率等 顏色指標(biāo)（實際上包含于第一項） 光潔度 膜層的牢固度 膜層的硬度 膜層透射、反射的相位 抗環(huán)境性能,八、現(xiàn)場產(chǎn)品的最常見疵病,點(diǎn)子 印子 擦痕（路子） 分光特性不良,（一）點(diǎn)子,形成原因 1、坩堝架打掃太臟，或打掃不徹底 2、膜料被污染，或受潮 3、電子槍裝配不到位或由臟污，有打火、電流不穩(wěn)、光斑能量分布不均等 4、離子源的柵極等處臟，或裝配不到位，