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1、光学镀膜 AR coating工艺指导,工艺简介目录,1-光学镀膜原理 2-光学镀膜设备简介 3-镀膜靶材介绍 4-ARcoating 原理 5-ARcoating的设计方法 .,光学镀膜原理,1-1光学镀膜之真空镀膜： 1-1-1真空镀膜主要指一类需要在较高真空度下进行的镀膜，具体包括很多种类，包括真空离子蒸发，磁控溅射，MBE分子束外延，PLD激光溅射沉积等很多种。主要有两类分成蒸发和溅射两种。 需要镀膜的被成为基片，镀的材料被成为靶材或药材。 基片与靶材同在真空腔中。 1-1-2蒸发镀膜一般是加热靶材使表面组分以原子团或离子形式被蒸发出来，并且沉降在基片表面，通过成膜过程（散点岛状结构-
2、迷走结构-层状生长）形成薄膜。 1-1-3对于溅射类镀膜，可以简单理解为利用电子或高能激光轰击靶材，并使表面组分以原子团或离子形式被溅射出来，并且最终沉积在基片表面，经历成膜过程，最终形成薄膜。,光学镀膜原理,1-1-4物理气相沉积技术 这个方法主要应用热升华或原子溅射的方法在 基板上沉积薄膜,它主要有三个过程 1-1-4-1 将钯材固态材料加热升华到气态。 1-1-4-2将气态的原子,分子,或离子加速通过一个高度真空的空间,到达附着的基板表面。 1-1-4-3将钯材材料在欲镀面的表面沉积形成薄膜。,光学镀膜原理,1-1-5真空系统 一个真空系统包含了两部份:一是真空腔体,一是抽气系统。真空腔
3、体是一个密闭空间,当抽气系统抽离腔体空气时,腔体必须保持密封,不能让外界的空气渗入。又由于真空度要求高,抽气系统的帮浦,抽气能力必须很强。目前最先进的真空设备,配备了冷冻帮浦(polycoid)和油扩散式帮浦串联,可以得到 10-7 torr真空度。不过在薄膜沉积的过程,部份的制程还需要导入一些气体和电子枪或者离子枪做反应,因此10-4 10-7的真空度,对一般光学镀膜来说已经足够。,光学镀膜原理,1-1-6真空度的分解 真空度大概被分成四个阶层： 粗真空度(Rough)7601 torr, 中真空度(medium)110-3 torr. 高真空度(high) 10-3 10-7 torr .
4、 超高真空度(ultra high) 10-7 torr以上.,光学镀膜原理,1-2为什么需要真空呢? 主要是因为靶材材料都被升华成原子或分子状态的粒子,被加速经过一个空间后到达基板的表面,原子或分子其实是很轻的粒子,如果腔体空间中充满了空气分子,靶材粒子将在腔体中不断的被空气分子碰撞,行进路线会偏离预设的方向,而导致靶材无法沉积在基板上,当然就不可能生成薄膜了。而且腔体中充满的空气,也会导致膜质不纯,含有空气分子,会使得光学功能大打折扣。一个真空系统包含了两部份:一是真空腔体,一是抽气系统。真空腔体是一个密闭空间,当抽气系统抽离腔体空气时,腔体必须保持密封,不能让外界的空气渗入。,光学镀膜设
5、备简介,2-1真空蒸镀设备结构 真空蒸镀设备结构由六大部分组成 2-1-1真空帮浦。 2-1-2蒸镀源。 2-1-3主腔体。 2-1-4监控系统。 2-1-5操作系统。 2-1-6辅助设备。 .,光学镀膜设备简介,2-1-1真空帮浦的作用？ 作用抽去腔体内气体，使腔体内达到一定高真空的状态。 真空帮浦又分三种（RP）机械帮浦， （BP）罗茨帮浦,（DP）扩散帮浦。 机械帮浦主要抽去腔体内大部分气 体至低真空状态- 7601 torr， 随着罗茨帮浦(F辅助帮浦)打开， 两组帮浦同时抽气至中真空110-3 torr，系统中设定一个中真空转高 真空的真空值，待中真空达到设定值时， 将会有个转换高真
6、空的过程，关闭底阀， （DP）扩散帮浦会自动打开，高阀开启 三组帮浦同时抽气将达到所需要的高真空度： 高真空度(high) 10-410-7 torr。,光学镀膜设备简介,2-1-2蒸镀源 蒸镀源指加热靶材使其达到离子状蒸发至基材表面的设备，分电子枪式和阻蒸式。 2-1-2-1电子枪系统 由磁场的协助产生电子束可以转弯 180度或270度。 电子能量可达5,000 eV至30,000 eV，产生电子束的电子枪可产生高 达1,200 KW的能量,会产生高热,因 此可以造成局部非常高的温度蒸发 靶材。,光学镀膜设备简介,2-1-2-1-1电子枪加热优点和缺点 优点：经设计旋转式坩埚机制,可以蒸镀不
7、同靶材材料的多层膜膜层。可适当微调电子束轰击位置, 大幅提高膜层厚度的均匀性，可蒸发高熔点的材料。 缺点：电子枪需要大量的电能消耗,因为需要使用1000015000伏特的电压持续数个小时,导致电子枪蒸镀系统,所耗的能量高于其它方法。,光学镀膜设备简介,2-1-2-1-2坩埚 ：坩埚是盛放靶材的容器，而且耐高温,坩埚本身不能被高温蒸发以免污染腔体及膜质。所以坩埚都是使用热传导性好的材料,如铜cu,钼Mo等，根据不同的靶材来选择不同材质的坩埚。一个介电质的多层膜产品,大都使用两种(高折射率,低折射率)靶材,膜层数从2-50层不等。因此一个镀膜制程中,好几个坩埚必须以药材区分摆放在一起连成一个系统,
8、在制程中可以循环的转换。,光学镀膜设备简介,2-1-2-2阻蒸系统 阻蒸原理是使用电极通过高电流加热钨舟或钨丝，使其加热到欲蒸镀靶材的蒸发温度，靶材将徐徐蒸發，靶材蒸发而后冷却，凝結于基材上面形成膜层。 阻蒸优点：蒸镀膜层较厚的金属膜速率比电子枪要高，电阻式蒸镀机设备价格便宜,构造简单容易维护 。 缺点：热阻式蒸镀比较适合金属材料的靶材,光学镀膜常用的介电质(dielectric)材料,因为氧化物所需熔点温度更高,大部分都无法使用电阻式加温来蒸发。蒸镀的膜层硬度比较差,密度比较低 。,光学镀膜设备简介,2-1-3腔体的构造 腔体是由腔门，主腔体，公转，伞架部分组成。,腔体整体结构,腔门,伞架,
9、公转,光学镀膜设备简介,2-1-3-1公转的用途 公转装置于腔体内部镀膜中联动伞架的旋转治具：旋转模式有很多种,公转，公自转比较常见,但是并没有哪一种旋转模式是最好的,必须搭配蒸镀方式,靶材种类,工件形状来考虑公转的模式，便用于伞架的放置，使基材得到均匀镀膜。 2-1-3-2何为伞架？ 伞架是盛放镀膜基板,并将其支撑在镀膜腔体上面的治具。由于希望每个镀膜基板上的膜层厚度的均匀性都是一致的,所以伞架都会在镀膜过程中旋转,让蒸发气体可以均匀的分布在伞架上每一片基板上。膜厚不均匀会导致整个镀膜批的良率很低。虽然尺寸较大的腔体可以容纳较多的基板,但是大腔体却不利于膜厚的均匀度,因此镀膜机的设计,必须在
10、产量与均匀性的要求中间取得平衡。,光学镀膜设备简介,射出件伞架,不同伞架结构对比,光学镀膜设备简介,2-1-4 监控系统 2-1-4-1真空镀膜中监控系统的重要性：镀膜机中的监控系统,是控制膜层厚度最重要的机制,由于膜层厚度都是奈米级(nanometer) 的范围,所以膜厚的量测也是高难度技术。如果膜厚监控不好,堆栈后,过大的误差,将导致光学产品的功能无法达到设计目标。监控有两个主要难点:第一,要如何正确的量测奈米级的膜层厚度,尤其这个膜层还在生成中。第二,当到达期望厚度后,镀膜机要非常敏感的停止蒸镀(注意:膜层的厚度只有几奈米而已,稍慢一点,厚度就会到达异常范围)。,光学镀膜设备简介,2-1
11、-4-2镀膜机的膜厚监控仪器 被应用在镀膜机膜厚监控上的仪器有三种： 光学监控,石英监控,时间监控 ，而我们常见的只有两种：光学监控和石英监控。 2-1-4-2-1光学监控：直接在镀膜机内安装一台光谱仪,直接量测监控片。当监控片某些光学特性符合时,代表膜层厚度已经到达。镀膜机停止镀膜,完成一层的膜层产制。当下一个膜层开始镀制时,使用一个新的监控片。因此一台镀膜机可以镀多少层的产品,原则上取决于监控片的容纳数量，适用于蒸镀多层介质膜。,光学镀膜设备简介,2-1-4-2-2石英监控：也是被广泛使用的方法,当石英被镀上膜层时,它的重量会改变,当石英通电时,震荡频率会改变,而且这个改变是与仲谅相关的线
12、性关系,因此可以由震荡频率的改变,精确的测量石英片上面增加的重量,转而求出镀膜基板上的增加的膜层厚度。,光学镀膜设备简介,2-1-5操作系统 操作系统由软体功能组成：分设备主面板操作系统和参数编制系统。 2-1-5-1主面板操作系统：是由PLC软件连接设备的触控操作面板。在控制面板中可以设置抽气系统数据：A:自动与手动模式，关闭腔门后点击自动排气模式，设备会自动排气切换阀门及帮浦达到所需镀膜真空度，自动除霜泄气。手动排气需要手动转化阀门及帮浦，单一任务完成后不会自动进入下一工作，一般镀工件时不会选用此模式。B: 电子枪扫描系统：系统内可根据蒸镀不同之药材来设定电子束光的大小和位置，以及设置自动
13、环绕药材打点。,光学镀膜设备简介,2-1-5-2软体参数编制系统- 蒸镀设备的品牌之多，不同设备配备的软体系统同样众多，我司拥有的蒸镀设备为台湾龙翩生产，以下为龙翩机台所配备系统架构： 2-1-5-2-1檔案 2-1-5-2-2硬體設定 2-1-5-2-3功能測試 2-1-5-2-4 製程分析 2-1-5-2-5製程監控,光学镀膜设备简介,2-1-5-2-1-档案 档案栏里有建立新製程檔、開啟已存製程檔、存档及另存新檔 项目，在此可以建立一个新的镀膜参数档案并保存档案，要进行修改已存档参数，点击开启已存制程档案可进行修改所需参数修改后确认并存档。点击另存新档确认后输入新档备注名，就可建立一组同
14、样的参数。,光学镀膜设备简介,2-1-5-2-2硬體設定 硬體設定功能是電腦監控系統與被控制設備之間訊號傳輸設定， 其設定與硬體連接線有密切的一對一關係，连线设定如 PLC，真空計，石英振盪，离子枪控制界面等 。,光学镀膜设备简介,2-1-5-2-3功能測試 各項系統硬體功能測試如圖所示（石英監控測試，PLC相關功能測試，離子鎗相關功能測試）,點選其中一項就可進入相對應之測試畫面，从而進行所需之功能測試 ，測試方法：在設定框輸入所想輸出之数据，再点击”輸出”按鈕即可。 注：測試前，務必打開氧氣瓶、流量閥、電磁 閥，以免誤判,光学镀膜设备简介,2-1-5-2-4-1 製程檔資料設定 2-1-5-
15、2-4-2膜層分析 2-1-5-2-4-3膜材檔資料,2-1-5-2-4 製程分析,光学镀膜设备简介,2-1-5-2-4-1 製程檔資料設定 开启制程资料设定：工具栏上方显示增加资料和删除资料，指增加或删除膜层意思，点击增加资料后会弹出增加笔数画面，可以输入需增加膜层层数，点击确认即可，删除资料也是同样。,光学镀膜设备简介,2-1-5-2-4-1-1材料：设定之此层所镀膜材料元素代号，如：TIO2. 2-1-5-2-4-1-2 膜厚：所蒸镀膜层的厚度，单位为KA (千埃),。 2-1-5-2-4-1-3比率：指本机台的比率，比率的设定会影响实际镀膜的厚度，设定膜厚*比率等于实际膜厚。,光学镀膜
16、设备简介,2-1-5-2-4-1-4方法： 膜層切換控制方法，點選資料位置，即會出現資料框，框內所列之號碼就是此系統所提供之所有膜層切換控制方法，可點選設定。 編碼以十位數(xx)表之 十位數:0或空白 -表示該層使用電子鎗1 十位數:1 -表示該層使用電子鎗2(雙鎗設備) 十位數:2 -表示該層使用 1 號電極 十位數:3 -表示該層使用 2 號電極 個位數:0:-光學膜厚監控、手動切換膜層，操作者需根據光譜，自行判斷何時換層。 個位數:1:-光學膜厚監控、自動切換膜層，膜層是否完成，判斷與切換由電腦控制。 個位數:2:-時間控制換層，蒸著時間設定於相對應之膜厚資料欄。 個位數:3:-離子鎗清潔(Clean)，清潔時間(秒)設定於相對應之膜厚資料欄。 個位數:4:-石英膜厚監控，自動切換膜層，膜層是否完成，判斷與切換由電腦
