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1、LOGO第一大部分 基础理论第二大部分 光学薄膜设计第三大部分 镀膜技术与镀膜系统第一大部分 基础理论第二大部分 光学薄膜设计第三大部分 镀膜技术与镀膜系统薄膜制造技术薄膜制造技术光学薄膜制造工艺：光学薄膜制造工艺：?物理气相沉积（物理气相沉积（PVD） 缺点：成本高、需要真空镀膜机； 优点：膜厚控制的精准度好、膜层强度好。?化学液相（化学液相（CLD）、气相沉积（）、气相沉积（CVD） 优点：工艺简单、成本低； 缺点：膜厚控制的精准度低、膜层强度差、 难以获得多层膜、废液废气污染。物理气相沉积（物理气相沉积（PVD）：）： 热蒸发； 溅射； 离子镀； 离子辅助镀技术。第一节 真空镀膜机第一节
2、 真空镀膜机PVD：一般需要在高真空环境下完成。镀膜机的构成要件：一般需要在高真空环境下完成。镀膜机的构成要件：?真空系统；真空系统；?热蒸发系统；热蒸发系统；?膜厚控制系统。膜厚控制系统。第一节 真空镀膜机第一节 真空镀膜机构成：构成：?真空系统；?热蒸发系统；热蒸发系统；?膜厚控制系统。膜厚控制系统。?真空系统构成：真空系统构成： 低真空机械泵高真空油扩散 泵（有油） 低温冷阱； 低真空机械泵高真空油扩散 泵（有油） 罗茨泵低温 冷阱； 低真空机械泵高真空低温冷 凝泵（无油） 低真空机械泵高真空分子泵第一节 真空镀膜机第一节 真空镀膜机构成：构成：?真空系统；真空系统；?热蒸发系统；?膜厚
3、控制系统。膜厚控制系统。?热蒸发系统构成：热蒸发系统构成： 电阻热蒸发； 电子束蒸发。第一节 真空镀膜机第一节 真空镀膜机构成：构成：?真空系统；真空系统；?热蒸发系统；热蒸发系统；?膜厚控制系统。 ?膜厚控制系统构成：膜厚控制系统构成： 石英晶体膜厚仪：测量几 何厚度。 光电膜厚仪：测量光学厚 度。第一节 真空镀膜机第一节 真空镀膜机?热蒸发的原理： 加热使膜料气化蒸发后，喷涂在放置在工件架上的零 件表面。热蒸发的原理： 加热使膜料气化蒸发后，喷涂在放置在工件架上的零 件表面。?大气大气PVD存在的问题：存在的问题： 常温常压下，空气分子密度：1.28X10-3g/cm3， 即气体分子个数2
4、.08X1022个/g 气体分子间距离3.34X10-6mm 气体分子的空间密度2.68X1016个/mm3?导致：导致： 空气中活性气体分子与膜层、膜料、蒸发器反应，空气分子进入 膜层成为杂质； 常压时，气体分子密度太高，蒸发膜料大多因碰撞而无法直线到 达被镀件。为什么使用真空镀膜机？什么样的真空条件可以镀膜？什么样的真空条件可以镀膜？ 气体分子的平均自由程大于蒸发源到被镀件之间的距 离 这样得到的膜层：纯度高，膜层坚硬，成膜速度快。?“真空度真空度”：真空状态下气体稀薄程度。：真空状态下气体稀薄程度。 单位：与压强相同，Pa； 需注意：高真空度对应低压强；低真空度对应高压强 真空段划分：
5、粗：105102Pa； 低：10210-1Pa； 高：10-110-5Pa ； 超高：10-5 10-12Pa； 极高： 10-12Pa?“气体分子的平均自由程大于蒸发源到被镀件之间的 距离气体分子的平均自由程大于蒸发源到被镀件之间的 距离”可以镀膜可以镀膜?直观的数值？?根据气体分子运动理论，根据气体分子运动理论，?气体分子的平均自由程气体分子的平均自由程其中，是气体分子的直径，是气体分子的密度，p是 对应于的气体压强。 假定蒸发源到被镀件之间的距离为1m，所需真空度 p=7X10-3Pa； 若为0.5m，所需真空度p=1.3X10-3Pa212()32p cmn=n n第二节 真空的获得与
6、检测第二节 真空的获得与检测?真空的获得：真空泵真空的获得：真空泵?真空的检测真空的检测低真空：机械泵（大气压低真空：机械泵（大气压10-1Pa）高真空：）高真空：罗茨泵10104Pa 油扩散泵：110-5Pa 涡轮分子泵：110-8Pa 低温冷凝泵：10-110-8Pa1.热电偶真空计 2.热阴极电离真空计 3.冷阴极电离真空计?1.热电偶真空计 工作原理：通过热电偶中热丝的温度与压强的关系确定的真空度 温差电偶真空计测量范围：0.1313Pa?2.热阴极电离真空计 工作原理：具有足够能量的电子在运动中与气体分子碰撞，产生电 离，形成正离子与电子。电子在运动中与分子的碰撞次数正比于分 子的密
7、度，一定温度下也正比于气体压强，故产生的正离子数也正 比于气体压强。因此，电离是与压强有关的现象，可作为真空测定 原理的依据。 测量范围：0.110-5Pa?3.冷阴极电离真空计 工作原理：放电管在压强（10-110-2Pa）较低时自持放电就熄灭， 想要将下限扩展到高真空范围，可用磁场控制电子运动的方法，增 加电子的路程，利用这种方法制成的真空计，就是冷阴极电离真空 计，也称磁控放电真空计。 测量范围：110-6Pa第三节 热蒸发第三节 热蒸发常用的镀膜方法：常用的镀膜方法： 热蒸发 溅射 离子镀 离子辅助镀热蒸发热蒸发 热蒸发：热蒸发：?电阻热蒸发电阻热蒸发?电子束热蒸发电子束热蒸发一、电阻
8、热蒸发特性： 低压大电流使高熔点金属制成的蒸发源产生焦耳 热，使蒸发源中承载的膜料汽化或升华。一、电阻热蒸发特性： 低压大电流使高熔点金属制成的蒸发源产生焦耳 热，使蒸发源中承载的膜料汽化或升华。?优点：优点：简单、经济、操作方便。?缺点：缺点： 1）不能蒸发高熔点材料； 2）膜料容易热分解； 3）膜料粒子初始动能低，膜层填充密度低，机械强度 差。二、选用蒸发源应考虑的因素：二、选用蒸发源应考虑的因素： 蒸发源蒸发源:蒸发膜料的载体。蒸发膜料的载体。 1）熔点高，热稳定性好； 2）蒸发源在工作温度有足够低的蒸汽压； 3）不与膜料反应； 4）高温下与膜料不相渗，或虽相渗，但不相 溶； 5）经济实
9、用。三、常用的蒸发源材料及特性：三、常用的蒸发源材料及特性：161212921772铂（铂（Pt）212717622468铌（铌（Nb）195715922617钼（钼（Mo）240719572996钽（钽（Ta）256721173410钨（钨（W）蒸汽压在蒸汽压在1*10- 3Pa时蒸汽压在 时蒸汽压在1*10- 6Pa时时平衡温度（）熔点（）蒸发源材料平衡温度（）熔点（）蒸发源材料表3.4.1几种蒸发源材料的熔点和蒸气温度四、常用的蒸发源形状：四、常用的蒸发源形状：为了适应不同膜料的不同的蒸发特性，几乎每种 膜料都有与其相适应的电阻加热蒸发源材料和形 状。为了适应不同膜料的不同的蒸发特性，几
10、乎每种 膜料都有与其相适应的电阻加热蒸发源材料和形 状。?P122图图3.4.1所示。热蒸发：所示。热蒸发：?电阻热蒸发电阻热蒸发?电子束热蒸发电子束热蒸发一、结构：一、结构： 1）电子束偏转角度270、运行轨迹为“e”的e型枪（ P122图 3.4.2） 2）电子束偏转角度180、运行轨迹为“c”的c型枪优点：优点： 1）电子束焦斑大小可调，位置可控，大小 坩锅均可使用； 2）可一枪多坩锅，既易于蒸发工艺的重复 稳定，也方便使用多种膜料； 3）灯丝易屏蔽保护，不受污染，寿命长； 4）使用维护方便。二、原理： 灯丝通大电流，形成热电子发射流。电子流在电 场中被加速，同时，电磁场将电子流聚成细束
11、， 并对准坩锅内的膜料，造成局部高温而汽化蒸发。三、特点：三、特点： 1）可蒸发高熔点材料（W，Ta，Mo，氧化物，陶 瓷） 2）可快速升温到蒸发温度，化合物分解小； 3）膜料粒子初始动能高，膜层填充密度高，机械强度 好； 4）蒸发速度易控，方便多源同蒸。?热蒸发镀膜技术的优缺点：热蒸发镀膜技术的优缺点： 优点：设备简单，大多数材料都可以蒸发。 缺点：膜层不能重复再现块状材料的性能（膜层的微 观柱状结构所致，可通过变中性粒子为带电离子在电 场辅助下的电沉积。溅射溅射常用的镀膜方法：常用的镀膜方法： 热蒸发 溅射 离子镀 离子辅助镀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
12、获得足够的动量而从靶表面溢 出，在被镀件表面凝聚成膜。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 子获得足够的动量而从靶表面溢 出，在被镀件表面凝聚成膜。与热蒸发相比，溅射：与热蒸发相比，溅射：?优点：优点： 膜层的附着力强 膜层纯度高 可同时溅射多种不同成分的合金膜或化合物?缺点：缺点： 专用镀料 靶利用率低溅射分类：溅射分类：?1.辉光放电溅射辉光放电溅射 直流辉光放电 低频交流辉光放电 射频辉光放电?2.磁控溅射磁控溅射?3.离子束溅射离子束溅射?辉光放电：气压在辉光放电：气压在110Pa时，高压电极间气 体电离形成低压大电流导体，并伴有辉光的气 体放电现象。时，高压电
13、极间气 体电离形成低压大电流导体，并伴有辉光的气 体放电现象。?直流辉光放电：伏安特性见直流辉光放电：伏安特性见P124图图3.5.1。?溅射位于反常辉光放电段溅射位于反常辉光放电段。溅射分类：。溅射分类：?1.辉光放电溅射辉光放电溅射 直流辉光放电 低频交流辉光放电： 射频辉光放电：在电极间施加一变化频率超 过10MHz的电压?2.磁控溅射磁控溅射?3.离子束溅射离子束溅射辉光放电溅射分类：辉光放电溅射分类：直流辉光放电 低频交流辉光放电：频率50Hz；两靶交替成 为阴阳极，可对零件同时双面镀膜 射频辉光放电：在电极间施加一变化频率超 过10MHz的电压；直流辉光放电：不能溅射介质靶 射频辉
14、光放电： 优点：可溅射任意一种材料，包括介质靶；工作 电压、气压较直流放电低； 缺点：成膜速率低，基片过热。?磁控溅射定义：平行于阴极表面施加强磁 场，将电子约束在阴极靶材表面近域，提 高电离效率。溅射分类：磁控溅射定义：平行于阴极表面施加强磁 场，将电子约束在阴极靶材表面近域，提 高电离效率。溅射分类：?1.辉光放电溅射辉光放电溅射 直流辉光放电 射频辉光放电?2.磁控溅射磁控溅射?3.离子束溅射离子束溅射按照被镀件是否参与放电，磁控溅射分类：按照被镀件是否参与放电，磁控溅射分类：?被镀件参与放电（兼做阳极）型：被镀件参与放电（兼做阳极）型： 平面磁控溅射 柱面磁控溅射?被镀件不参与放电型：
15、在磁控器内设一阳 极，被镀件位于溅射源旁。被镀件不参与放电型：在磁控器内设一阳 极，被镀件位于溅射源旁。 S枪型磁控溅射源 平面磁控溅射源磁控溅射特点：磁控溅射特点：?电场与磁场正交设置，约束电子在靶面近域， 致使靶面近域有高密度等离子体，溅射速率很 高；电场与磁场正交设置，约束电子在靶面近域， 致使靶面近域有高密度等离子体，溅射速率很 高；?磁控溅射源相对被镀件独立，基片不再受电子 轰击而升温，可对塑料等不耐高温的基片实现 溅射镀；磁控溅射源相对被镀件独立，基片不再受电子 轰击而升温，可对塑料等不耐高温的基片实现 溅射镀；?磁控溅射源可像热蒸发源一样使用，从而使被 镀件的形状和位置不再受限制
16、。磁控溅射源可像热蒸发源一样使用，从而使被 镀件的形状和位置不再受限制。?溅射分类：溅射分类：?1.辉光放电溅射辉光放电溅射 直流辉光放电 射频辉光放电?2.磁控溅射磁控溅射?3.离子束溅射离子束溅射?用离子源发射的高能离子束 直接轰击靶材，使靶材溅射、 沉积到零件表面成膜。用离子源发射的高能离子束 直接轰击靶材，使靶材溅射、 沉积到零件表面成膜。?离子束溅射的特点：离子束溅射的特点： ?溅射出的膜料粒子能量有几十电子伏特， 比常规溅射高，致使膜层附着力强，结构 致密；溅射出的膜料粒子能量有几十电子伏特， 比常规溅射高，致使膜层附着力强，结构 致密； ?利用离子束流能量的可调控性，可定量研 究溅射率与膜层质量与离子束性能参数之 间的关系；利用离子束流能量的可调控性，可定量研 究溅射率
