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1、真空热蒸镀法制备介质膜 院系：南京大学物理学院 姓名：丁谦 学号：071120027 引言 在真空中使固体表面（基片）上沉积一层金属、半导体或介质薄膜的工艺通常称为真空镀膜。早在19世纪，英国的Grove和德国的Plcker相继在气体放电实验的辉光放电壁上观察到了溅射的金属薄膜，这就是真空镀膜的萌芽。后于1877年将金属溅射用于镜子的生产；1930年左右将它用于Edison唱机录音蜡主盘上的导电金属。以后的30年，高真空蒸发镀膜又得到了飞速发展，这时已能在实验室中制造单层反射膜、单层减反膜和单层分光膜，并且在1939年由德国的Schott等人镀制出金属的Fabry-Perot干涉滤波片，195
2、2年又做出了高峰值、窄宽度的全介质干涉滤波片。真空镀膜技术历经一个多世纪的发展，目前已广泛用于电子、光学、磁学、半导体、无线电及材料科学等领域，成为一种不可缺少的新技术、新手段、新方法。 实验目的 1.了解真空镀膜机的结构和使用方法。 2.掌握真空镀膜的工艺原理及在基片上蒸镀光学金属、介质薄膜的工艺过程。 3.了解金属、介质薄膜的光学特性及用光度法测量膜层折射率和膜厚的原理 实验原理 从镀膜系统的结构和工作机理上来说，真空镀膜技术大体上可分为“真空热蒸镀”、“真空离子镀”及“真空阴极溅射”三类。 真空热蒸镀是一种发展较早、应用广泛的镀膜方法。加热方式主要有电阻加热、电子束加热、高频感应加热和激
3、光加热等。 1.真空热蒸镀的沉积条件 （1）真空度 由气体分子运动论知，处在无规则热运动中的气体分子要相互发生碰撞，任意两次连续碰撞间一个分子自由运动的平均路程称为平均自由程，用表示，它的大小反映了分子间碰撞的频繁程度。 ?kT 2?d2P（8.2-1） 式中：d为分子直径，T为环境温度（单位为K），P为气体压强。 在常温下，平均自由程可近似表示为： 5?10?5 ?(m)P（8.2-2） 为气体平均压强（单位为Torr）式中：?。 表8.2-1列出了各种真空度（气体平均压强）下的平均自由程及其它几个典型参量。 真空镀膜的基本要求是，从蒸发源出来的蒸汽分子或原子到达被镀基片的距离要小于镀膜室内
4、残余气体分子的平均自由程，这样才能保证： 蒸发物材料的蒸汽压很容易达到和超过残余气体，从而产生快速蒸发。 表8.2-1各种真空度下气体的典型参量（常温下） 蒸发物材料的蒸汽分子免受残余气体或散乱蒸发分子的碰撞，直接到达基片表面。一方面由于蒸发分子不与残余气体分子发生反应，可得到组分确定且纯净的薄膜，另一方面由于蒸发分子保持较大的动能，在基片上易于凝结成牢固的膜层。 防止蒸发源在高温下与水汽或氧反应而使蒸发源断裂；同时又减少了热传导，不致造成蒸发的困难。 对于蒸发室为450的镀膜机，其蒸发源到基片的距离d大致为30cm40cm，为满足>?，则蒸发室内真空度必须高于10?4Torr。 （2）
5、蒸发速率、凝结速率 任何物质在一定温度下，总有一些分子从凝聚态（液、固相）变成气相离开物质表面。对于真空室内的蒸发物质，当它与真空室温度相同时，则部分气相分子因杂乱运动而返回凝聚态，经一定时间后达到平衡。可以说，薄膜的沉积过程实际上是物质气相与凝聚态相互转化的一个复杂过程。 假设在平衡状态下，某种物质的饱和蒸汽压为Pv，则根据克拉贝龙方程，Pv应为温度的函数，即 lgPv?A? B T（8.2-3） 式中：A、B是与物质有关的常数。 对于各种物质材料，都有一个相应的Pv的值。根据朗缪尔-杜西曼（Langmuir-Dushman）蒸发动力学原理，真空中单位面积干净表面上发射原子或分子的蒸发速率为
6、： Ne?3.513?10?Pv(M/T)(mol?cm2?sec?1)（8.2-4） 式中：M为蒸汽粒子的分子量。 蒸汽粒子到达被镀基片表面，一部分以一定的凝结系数结成膜，另一部分按一定的几率被基片反射重新回到气相状态。蒸汽粒子凝结成膜时，有一定的凝结速率，取决于蒸发速率、蒸发源相对于基片的位置和凝结系数。 一般来说，蒸发凝结速率的提高，可使膜层结构均匀紧密，机械牢固性增加，光散射减少及膜层纯度提高，但同时有可能造成膜的内应力增大，使膜层龟裂。因此蒸发凝结速率应适当选择。 （3）被镀基片温度 被镀基片温度愈高，吸附在其表面的剩余气体分子将愈彻底排除，从而增加基片与淀积分子之间的结合力，使膜层
7、附着力、机械强度增加，结构紧密。 提高被镀基片的温度，可减少蒸汽粒子再结晶温度与基片温度之间的差异，从而消除膜层内应力，改善膜层力学性质。如在150时蒸镀的MgF2单层增透膜具有相当好的机械 22 12 牢固性。 提高基片温度可促进凝结分子与剩余气体的化学反应，改变膜层的结晶形式和结晶常数，从而改变膜层光学性质。如ZrO2在基片温度为30时，折射率为1.70；而基片温度提高到130时，折射率可达1.88。 在蒸镀金属时，一般采用冷基片，这样可减少大颗粒结晶引起的光反射和氧化反应引起的光吸收，提高膜层反射率。 （4）蒸发源材料的选择与形状 选择蒸发源材料应考虑三个基本问题： 大多数蒸发物材料的蒸
8、发温度为10002000，所以蒸发源材料的熔点必须高于这一温度；另外还必须考虑蒸发源材料作为杂质进入薄膜的量，也就是必须了解蒸发源材料的蒸汽压。为尽可能减少蒸发源材料的蒸发分子数，蒸发物材料的蒸发温度必须小于表8.2-2中的平衡温度。 表8.2-2 蒸发源材料的熔点及平衡温度（蒸汽压为? 高温时，有些蒸发源材料与蒸发物会发生反应或形成合金，造成蒸发源的断裂，应避免使用。如高温下，钽和金易形成合金。 蒸发物材料应尽可能与蒸发源具有“湿润性”。所谓“湿润性”与材料表面的能量有关。在湿润的情况下，由于蒸发物材料的蒸发是从大的表面上发生的，状态比较稳定。如果是难以湿润的材料，就不能用丝状蒸发源蒸发，例
9、如银在钨丝上熔化后就会掉下来。各种蒸发物材料的蒸镀方式不一样，因而蒸发源的几何形状和尺寸不同。图8.2-1展示了几种蒸发源的几何形状。可以选用熔点高、蒸汽压低的钨、钼、钽等材料做成丝状螺旋形、舟形等各种形状的加热器。本实验蒸镀金属Al膜采用丝状钨蒸发源；蒸镀MgF2、ZnS介质膜采用舟状钼蒸发源。 （5）蒸发源的位置 薄膜厚度一般可通过调节蒸发物的数量和时间以及基片和蒸发源的相对位置来控制。令d0为刚好在蒸发源正上方的基片上沉积的厚度，d是任意位置的厚度，则点蒸发源和微小平面蒸发源相对厚度分布用下式表示： d1?d01?(x/h)23/2（点源）（8.2-5） d1?d01/(x/h)22 （
10、面源）（8.2-6） d/d0和x/h的关系曲线见图8.2-2。 （）真空热蒸镀的基本工艺流程 本实验采用真空热蒸镀法蒸镀金属或介质 膜，其基本工艺流程图见图8.2-3。其中离子轰 击，又名辉光放电，进行时，真空室内电子获得很高速度，较之带正电的气体离子更高。在镀件周围，因电子较大的迁移率，而迅速带有负电荷，在表面负电荷吸引力作用下，正离子轰击镀件表面，并可能在其上进行能量交换。由于能量在污染表面被释放出来，故有洁净的功能，不仅能除去吸附气体层，还可除去表面氧化物。利用离子轰击，还可粗略估计真空度。烘烤的作用是可以加速镀件或夹具吸附气体的迅速逸出，有利于提高真空度，还可以提高膜层结合力。预熔的
11、作用是除去蒸发材料中的低熔点杂质以及蒸发源和材料中的吸附气体，有利于蒸发材料的顺利蒸发。 2.真空离子镀及真空阴极溅射镀 真空离子镀可采用与真空热蒸镀相同的蒸发方式，只是在蒸发原子到达镀件表面前必须采取一定措施，让其离子化，同时可给镀件施加负偏压。由此，镀件表面不断受到离子的轰击能提高膜层的结合力。离子镀的缺点是，膜层的沉积速率下降。要提高沉积速度，可增设电子发射电源，提高电子浓度，使之更易放电或减少镀件的自偏电压。与真空热蒸镀相比，膜层厚度均匀，结合力好。 真空阴极溅射镀一般是导入一定量的氩气使之辉光放电，带正电子的氩离子轰击阴极，构成阴极的原子被溅射蒸镀到镀件表面形成膜层。溅射出的原子，其
12、膜的生成速度取决于溅射率和轰击氩气的流速，一般它比真空热蒸镀和离子镀的速度小得多，为2510000A/min，而热蒸镀和离子镀的沉积速度为100250000A/min。 3.几种光学薄膜的光学特性 （1）单层介质膜的光学特性 设入射光的振幅为1（图8.2-4），在n0至n1界 面上反射所形成的反射光1的振幅为r01，而透射 光为t01，该光再经n1至ns界面的反射及由n1至n0界 面的透射而形成的反射光2，其振幅显然是 t01r12t10，同样可得其它各反射光3、4、?、m的 232m?1m?1ttrtttrrttrr100110121001101210011012振幅分别为、? 等。此外将反
13、射光1与2相比知，任意两相邻反射 光由于光程差引起的位相差为： ?4? ?0n 1d1cos?1（8.2-7） 其中：0为光在真空中的波长，1为折射角。 由于各光波是相干的，它们叠加后的合振幅为 332?i3?r?r01?t01t10r12e?i?t01t10r12r10e?i2?t01t10r12r10e? m?1m?2?i(m?1)?t01t10r12r10e?r01?t01t10r12e?i? 1?r10r12e?i（8.2-8） 22tt?1?r?1?r?1?r01r10，则 01101001由于 r01?r12e?i? r?1?r01r12e?i? （8.2-9） 单层膜的反射率为
14、22r01?r12?2r01r12cos?R?rr?221?r01r12?2r01r12cos?（8.2-10） * 将相应的菲涅尔系数代入上式，则单层膜的反射率又可写成 ?n0ns?2?(n0?ns)2cos?nsin1?2?n21R?2?nn?2?0s?(n0?ns)2cos2?nsin1?2?n2?1?（8.2-11） 2?2 下面来确定反射率为极值时的光学厚度Hn1d1。 dR令dH=0，可求得当时，有极值。 当为奇数（在正入射）时，即H值是下列数值中的任何一个： H? 2?03?05?04,4,4,? ?n0ns?n12?Rmin如果ns?n1?n0R?nn?n2?R如果n?n?ns10?0s1?max（8.2-12） 当为偶数（在正入射）时，即H值是下列数值中的任何一个： H? 22?04?06?0,?444 ?n0?ns?Rmax如果ns?n1?n0R?n?n?R如果n?n?ns?s10?0?min（8.2-13） 和所镀膜的折射率无关。 单层介质膜的反射率随其光学厚度的变化关系见图8.2-5。 （2）增透膜的光学特性 由单层介质膜的光学特性可知，若所镀膜层折射 率n1小于基底折射率ns，则当膜层光学厚度为40时，反射率在给定波长
