光学制造技术第13章 镀膜

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1、第13章 光学镀膜,西安工业大学 徐均琪,第一节 绪 论,一、 薄膜 附着于“基底”、且与基底不同质的非自持性涂层。 thin film：薄膜/coating：覆盖、包裹物、涂 层/layer：层状物/foil：箔 “和光的波长同量级”， “以一个微米为界限” 。随着科学技术的发展，现在几十微米的膜也称为薄膜。,* 田民波，刘德令。薄膜科学与技术手册，机械工出版社1991。,二、薄膜的作用,薄膜的作用在于改进基底的性能或功能。 1、实现特定的光学特性 光学薄膜 AR; HR; IR-cut; filter; RGB 2、优化表面性能，改善表面特性 TiN，SiC，DLC，DF 3、进行微细加工

2、，实现微制造； 电子线路；光学薄膜；生物薄膜； 4、产生新功能特性 滤光片；场效应管；传感器；,三、薄膜的分类及材料,薄膜分类 按照薄膜的材料：金属薄膜、介质薄膜、半导体薄膜 按照薄膜的用途：光学薄膜、 导电薄膜、工具薄膜保护薄膜（耐摩擦磨损、抗酸碱盐腐蚀）、电子薄膜存储薄膜、传感薄膜（气敏、光敏、烟雾、压电等）、超导薄膜、装饰薄膜。 薄膜材料 一般指固体薄膜；但也存在气体薄膜（空气轴承）和液体薄膜（向列型液晶薄膜）。,四、薄膜的制备方法,镀膜方法,湿法,干法,CVD,PVD,电镀,化学镀,常压CVD,低压CVD,光CVD,金属有机物热分解CVD,PECVD,热蒸发,离子束辅助蒸发,溅射,离子

3、镀,射频、直流、射频直流、直流脉冲、微波,高温、中温,五、光学薄膜的理论基础,光的本质： 遵守的基本物理定律： 光学薄膜的特殊性: 多层膜计算,六、光学薄膜的应用,眼镜镀膜-AR 幕墙玻璃 滤光片 液晶领域 车灯、冷光镜、舞台灯光滤光片 光通信领域：DWDM、光纤薄膜器件 红外膜 激光领域-激光反射腔高反射膜 CD、DVD驱动器 投影显示 数码领域,规整膜系： 各层薄膜的光学厚度为设计波长的四分之一。 设计波长（参考波长、中心波长） 膜系：G/HLM/A G代表基底 H（L、M）代表高（低、中）折射率膜层并且光学厚度为设计波长的四分之一 A代表出射介质（一般为空气）,第二节 光学薄膜的基本类型

4、,2.1 减反射膜 (AR),光学元件表面反射造成的问题 光能量损失，使像的亮度降低； 杂散光造成像的衬度降低，分辨率下降。,1、单层AR膜的光谱,单层减反射膜 G/L/A 1.52/1.38/1,对常用的多数基底材料，满足 的膜料并不存在，所以 很难实现零反射。 V形减反射效果，只能实现孤立波长点的零反射，色中性差；,2、双层减反射膜,缺点： 1、剩余反射率还太高 2、通带越来越窄（和单层膜比较） 3、破坏色平衡,G/HL/A 1.52/1.7,1.38/1,三层减反射膜 G/MHHL/A G/M2HL/A,三层减反射膜 G/MHHHHL/A G/M4HL/A,3、多层减反射薄膜的设计,大功

5、率太阳能反射镜,微波反射镜,巨大先进反射镜计划(LAMP),离轴抛物面反射镜,2.2 高反射膜,1、 金属高反膜,金属反射膜的特点,A. 高反射区宽； B. 偏振效应轻微； C. 膜层与基底附着性能差距很大： Al ，Cr，Ni与玻璃附着力强； Au，Ag与玻璃附着力差； D. 膜层化学稳定性差，易被环境气体腐蚀； E. 机械性能差软。,2、金属-介质组合高反膜,“金属介质”组合存在的问题,A. 只在较小波段有增加反射率的作用，而在很宽波段有减反作用； B. 反射率无法接近100%，最高可达96%； C. 由于有吸收，不适用于激光系统。,3、介质高反膜,多层介质高反射膜 G/HLHLH/A,G

6、/(HL)4H/A,G/(HL)H/A,G/(HL)16H/A,G/(HL)32H/A,G/0.9a0.9b0.9a0.9b0.9a0.9b0.9a0.9b0.9ab1.2a1.2b1.2a1.2b1.2a1.2b1.2a1.2b/A,反射带展宽,2.3 分束膜,中性分束膜,按一定透反比T/R将一束光一分为二。 特 点：所有波长分光比相同。 零件结构：平板； 胶合立方棱镜。 膜系类型：金属；介质-金属-介质；全介质。,G/Ag(5nm)/A,一、金属分束膜,G/Al(5nm)/A,G/Cr(15nm)/A,G/Cr(16nm)Ni(6nm)/A,金属分光镜的正确放置,G l ZnS-Ag-Zn

7、S l A 可见光的中性1：1分光，R+T90%. 厚度为：280，1.2，120,二、介质-金属分束膜,单层分光膜 G/H/A G/TiO2/A,三、介质分束膜,多层分光膜 G/HLHL/A 入射角45度 2.35 1.38,多层分光膜 G/2LHLHL/A,多层分光膜G/ (HL) 8 /G 45度入射 基片折射率1.66， 2.38，1.35,2.4 截止滤光片,截止滤光片 某一波长范围的光束高透射，而偏离这一波长的光束骤然变化为高反射（抑制）的波段选择截止滤光片。 分类 吸收型 薄膜干涉型 吸收与干涉组合型,长波通滤光片,短波通滤光片,截止滤光片的特性参数,1. 截止波长； 2. 通带

8、宽度，平均透射率，最小允许透射率； 3. 阻带宽度，平均反射率，最大允许透射率； 4. 过渡区曲线陡度/过渡区的波长宽度。,设计波长： 550nm,膜系适合于短波通滤光片,膜系适合于长波通滤光片,1. 分色镜 三基色分色； 消红，消蓝。 2. 宽带通滤光片 “ 短波通 ”+“ 长波通 ” 3. 太阳能利用 A. 热镜：对阳光（0.353m）高透过， 对室温辐射（350m）高反射。 B. 太阳屏：可见光 0.4-0.75m高透，热辐 射 (大于0.75m)高反。,截止滤光片的应用,第三节 光学薄膜制造技术,常温常压下： 气体分子质量密度：1.2810-6 g /mm3 每克气体分子含分子个数：2

9、.08 1022个/g 气体分子距离：3.3410-6mm 气体分子的空间密度：2.681016个/mm3 大气PVD存在的问题： A. 空气中活性气体分子与膜层、膜料、蒸发器反应； B. 空气分子进入膜层成为杂质； C. 蒸发膜料大多因碰撞而无法直线到达被镀件。,光学薄膜器件主要采用真空环境下的热蒸发方法制造。,一、热蒸发镀膜技术,1、常用电阻蒸发源,2、电子束加热,电子枪结构,直枪,2700 e型,1800 c型,二、 磁控溅射,溅射 用高速正离子轰击膜料（靶）表面，通过动量传递，使其分子或原子获得足够的动能而从靶表面逸出（溅射），在被镀件表面凝聚成膜。,磁控溅射的新技术非平衡磁控溅射,三

10、、离子束溅射,用离子源发射的离子束直接轰击靶材，使其溅射、沉积到零件表面成膜。,四、离子镀,热蒸发镀膜技术的优缺点： 优点：设备简单，大多数材料都可以作为膜层材料蒸发。 缺点：膜层不能重复再现块状材料的性能。 原因：膜层的微观柱状结构。 改进措施：改中性粒子沉积为带电离子在电场辅助（作用）下的电沉积。,1、原理,兼有热蒸发的高成膜速率和溅射的高能离子轰击膜层的双优效果,2、特点,1. 膜层附着力强 注入和溅射所致。 2. 绕镀性好原理上，电力线所到之处皆可镀上膜层，有利于面形复杂零件膜层的镀制。 3. 膜层致密溅射破坏了膜层柱状结构的形成。 4. 成膜速率高热蒸发的成膜速率。 5. 可在任何材

11、料的工件上镀膜绝缘体可施加高频电场。,五、离子束辅助沉积 IAD (Ion assisted deposition),在热蒸发镀膜技术中增设离子发生器 离子源，产生离子束，在热蒸发进行的同时，用离子束轰击正在生长的膜层，形成致密均匀结构（聚集密度近于1），使膜层的稳定性提高，达到改善膜层光学和机械性能的目的。,单栅,无栅,离子束辅助用离子源,等离子体源 End-hall源,等离子体源 APS,德国莱宝公司APS源,第四节 薄膜厚度监控,介质薄膜能量反射率随膜层厚度的变化规律,一、光电极值法,利用光电测光方法测量正在镀制膜层的T或R随膜层厚度增加过程中的极值个数，获得以/4为单位的整数厚度的膜层

12、。 1、原理： 由单层介质膜层的反射率公式,其中：,当 ，m = 1 , 2 , 3 , . 时，R 或 T 就为极值。 意即： . 对一个确定的，当 时， T或R有极值； . 对一个确定的n1d1, 当 时， T或R有极值.,至此形成极值法监控膜层厚度的基础,当选定一个作为监控波长时，只要膜层的光学厚度是/4的整数倍，其透射和反射光信号就具有一个或多个可供明确判断的极值； 对一个欲得到的膜层任意光学厚度（n1d1），一定存在一个或数个波长的光可用来依极值法原理监控其厚度。,2、典型装置,3、提高极值法监控精度的方法 补偿法,微分法,利用微分电路，将变化率最小的极值点改为对应变化率大的微分信号

13、的零点。 即： T或R的极值点判读改为：零点（定值）判定； 由于微分信号在零点处变化率最大，判读误差也就最小。,极值法监控的特点,只能用于监控光学厚度，不能用来监控几何厚度； 只能用于监控四分之一波长厚度，对于监控任意厚度无能为力。,二、石英晶振法,利用石英晶体的压电效应，测量石英晶体振动频率或周期随石英晶片厚度的变化量，达到测量沉积在石英晶片上的膜层厚度的目的。,晶控与光控比较,光控： 直接控制光学膜层的目标特性参数T或 R； 不同膜层的厚度误差有相互补偿作用； 对膜层厚度的控制精度较低。 晶控： 控制精度高（1埃），易实现自动控制； 可直接监控成膜速率，便于工艺稳定重复； 可控制任意厚度； 温度对石英晶片的 f 影响大，需要恒温措施。,三、宽光谱膜厚监控,控制膜层厚度的目的是在预定的波段获得所需要的光谱特性。因此，监控膜层厚度的方法，实际上是在间接地监控膜层光谱特性，是不得已而为之的权宜之计。 如果能在膜层镀制过程中就直接在实际使用的波段监控膜层光谱特性，那才真正实现了最终目标函数的控制。,