鍍膜技術(shù)介紹

1、真空鍍膜調(diào)研 真空鍍膜：在真空中把金屬、合金或化合物進行蒸發(fā)（或濺射），使其沉積在被涂覆的物體（稱基片、基板或基體）上的方法。 真空鍍膜亦稱干式鍍膜，與傳統(tǒng)的濕法鍍膜相比具有如下特點： 真空制備、環(huán)境清潔，膜層不易受污染，致密性好、純度高、膜厚均勻。 膜與基體附著力好，膜層牢固。 不產(chǎn)生廢液，避免環(huán)境污染。真空鍍膜真空鍍膜薄膜制備方法薄膜制備方法真空蒸發(fā)鍍膜真空蒸發(fā)鍍膜真空蒸發(fā)鍍膜法是在真空室中，加熱蒸發(fā)容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子從表面氣化逸出，形成蒸氣流，入射到基片表面，凝結(jié)形成固態(tài)薄膜的方法。電阻式蒸發(fā)鍍膜電阻式蒸發(fā)鍍膜 蒸發(fā)源是真空蒸發(fā)鍍膜機的關(guān)鍵部件，根據(jù)蒸發(fā)源的不同可將

2、真空蒸發(fā)鍍膜分為以下幾種：蒸發(fā)源蒸發(fā)源電子束加電子束加熱式熱式電阻加熱電阻加熱式式感應(yīng)加熱感應(yīng)加熱熱熱激光加熱式激光加熱式蒸發(fā)源電子槍加熱電阻高頻螺旋線圈大功率激光器優(yōu)點可蒸鍍高熔點膜材，蒸發(fā)速率快，膜材不受容器污染，可蒸鍍高純度薄膜。結(jié)構(gòu)簡單、造價便宜、適合大批量生產(chǎn)。蒸發(fā)速率大（電阻式10倍），溫度均勻?？烧舭l(fā)高熔點面膜材，激光器只能裝在真空室外，對薄膜污染少。缺點電子槍造價較高.所鍍膜材熔點不高，膜層質(zhì)量不高，電阻絲壽命有限。蒸發(fā)裝置必須屏蔽，需要高頻發(fā)射器。打功率激光器價格昂貴。電阻式蒸發(fā)鍍膜電阻式蒸發(fā)鍍膜電阻式蒸發(fā)鍍膜電阻式蒸發(fā)鍍膜采用鉭、鉬、鎢等高熔點金屬，做成適當(dāng)形狀的蒸發(fā)源，其

3、上裝入待蒸發(fā)材料，讓電流通過，對蒸發(fā)材料進行直接加熱蒸發(fā)，或者把待蒸發(fā)材料放入Al2O3、BeO 等坩堝中進行間接加熱蒸發(fā) 。電子束蒸發(fā)鍍膜電子束蒸發(fā)鍍膜1.電子槍燈絲是損耗零件，需定期更換。2. e型電子槍工作需要一定的真空條件，工作真空度610-2210-2。3. e型電子槍真?zhèn)€槍頭均放置在散熱較差的真空室中，特別是電子槍常常用來加熱一些高熔點的金屬，因此電子槍的散熱問題尤為重要。電子槍水冷主要是冷卻坩堝、散射電子吸收極及磁極等部分。膜厚理論膜厚理論 點蒸發(fā)源通常將能夠從各個方向蒸發(fā)等量材料的微小球狀蒸發(fā)源稱為點蒸發(fā)源（簡稱點源）。假設(shè)膜材以每秒m克的蒸發(fā)速率想各個方向蒸發(fā)，在單位時間內(nèi)凝

4、結(jié)到面dS2上的膜厚t：單位時間膜厚：蒸發(fā)材料的密度tcos42rmt膜厚理論膜厚理論 面蒸發(fā)源如果蒸發(fā)源是小平面，按照余弦定律，膜材在單位時間膜厚t為：2coscosrmt但是，在實際過程中蒸發(fā)源并不是理想的點源或面源，用 1來描述實際的蒸發(fā)源更加準(zhǔn)確。 ncos2coscosrmtn11溫才溫才, , 令勇洲令勇洲, , 李文俊李文俊, , 等等. . 真空蒸鍍氟化鎂增透膜的厚度與均勻性控制真空蒸鍍氟化鎂增透膜的厚度與均勻性控制J. J. 材料導(dǎo)報材料導(dǎo)報, 2013, , 2013, 26(22): 5-9. 26(22): 5-9.真空蒸發(fā)鍍膜最大的特點是成膜速度快、蒸鍍面積大。但是，

5、由于熱蒸發(fā)的粒子能量低（0.11ev），膜層附著力差、容易脫膜，薄膜堆棧密度不高、致密性差，膜層表面粗糙，折射率降低1。11王英劍王英劍, , 李慶國李慶國, , 范正修范正修. . 電子束電子束, , 離子輔助和離子束濺射三種工藝對光學(xué)薄膜性能的影響離子輔助和離子束濺射三種工藝對光學(xué)薄膜性能的影響J.J. 強激光與粒子束強激光與粒子束, 2003, 15(9): 841-844., 2003, 15(9): 841-844.真空蒸發(fā)鍍膜真空蒸發(fā)鍍膜真空濺射鍍膜真空濺射鍍膜所謂“濺射”就是用荷能離子（通常是氣體正離子）轟擊物體，從而引起物體表面原子從母體中逸出的現(xiàn)象。射出的粒子大多呈原子狀態(tài)，

6、常稱為濺射原子。用于轟擊靶的荷能粒子可以是電子、離子或中性粒子，由于離子在電場下易于加速并獲得所需動能，因此大多采用離子作為轟擊粒子。與真空蒸發(fā)鍍膜相比，濺射鍍膜有如下的與真空蒸發(fā)鍍膜相比，濺射鍍膜有如下的優(yōu)點：優(yōu)點：（1 1）濺射膜與基板之間的附著性好）濺射膜與基板之間的附著性好(10100ev)(10100ev)。（2 2）濺射鍍膜膜層致密，針孔少，且膜層的純度較高。）濺射鍍膜膜層致密，針孔少，且膜層的純度較高。（3 3）相比于電子束蒸鍍，濺射鍍膜層更加光滑。）相比于電子束蒸鍍，濺射鍍膜層更加光滑。缺點：缺點：（1 1）濺射設(shè)備復(fù)雜、需要高壓裝置；）濺射設(shè)備復(fù)雜、需要高壓裝置；（2 2）濺

7、射淀積的成膜速度低，真空蒸鍍淀積速率為）濺射淀積的成膜速度低，真空蒸鍍淀積速率為1 1 2n2nm/m/s s，而濺射速率為，而濺射速率為0.010.010.0.04n04nm/m/s s；真空濺射鍍膜真空濺射鍍膜王英劍王英劍, , 李慶國李慶國, , 范正修范正修. . 電子束電子束, , 離子輔助和離子束濺射三種工藝對光學(xué)薄膜性能的影響離子輔助和離子束濺射三種工藝對光學(xué)薄膜性能的影響J. J. 強激光與粒子束強激光與粒子束, 2003, 15(9): 841-844., 2003, 15(9): 841-844.考夫曼離子源考夫曼離子源1.陰極燈絲加熱發(fā)射熱電子。2.電子與氣體原子或分子碰

8、撞。3.氣體電離，在放電室形成等 離子體。4.多孔柵極產(chǎn)生加速電場。5.離子被加速電場引出、加速、 獲得能量。6.磁場對電子運動進行約束， 增加離化率。7.中和鎢絲產(chǎn)生電子。8.中和電子對引出離子中和形 成等離子體?；魻栯x子源霍爾離子源1.陰極鎢絲發(fā)射熱電子向陽極遷移。2.電子與氣體原子碰撞使其離化。3.磁場中電子形成霍耳電流產(chǎn)生電場。4.離子被霍耳電場加速引出、加速。5.陰極熱電子對引出離子中和形成等離子體。離子源離子源電子束電子束能量能量優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點考夫曼離子源聚焦2003000高能小束流能量調(diào)節(jié)寬輻射區(qū)較小均勻性差霍爾離子源發(fā)散20200低能大束流輻射區(qū)大均勻性較好能量低能量范圍小離

9、子源對比離子源對比p由于直接用離子源進行鍍膜，成膜速度太慢。目前，對于離子源的使用，多將其作為輔源用于離子束輔助沉積（IAD），配合電子束進行快速蒸鍍。pIAD可以在鍍膜前對基片進行清洗，清除表面污漬。也可以在電子束蒸鍍的同時，使用離子源輔助沉積。這可以清除結(jié)合力較弱的粒子，增加密度、降低內(nèi)應(yīng)力，改善薄膜生長。離子束輔助沉積（離子束輔助沉積（IAD）真空離子鍍真空離子鍍1.當(dāng)真空室抽至10-4Pa 的高真空后，通入惰性氣體(如氬)，使真空度達到1-10-1 Pa 。2.接通高壓電源，則在蒸發(fā)源與基片之間建立起一個低壓氣體放電的等離子區(qū)。3.加熱膜材，蒸汽離子受到等離子體中電子和正離子的碰撞，一

10、部分被電離成正離子，在電場作用下吸附到基片上成膜。4.成膜過程始終伴隨著正離子（氣體或膜材）對基片的濺射，因此，只有當(dāng)沉積作用大于濺射剝離時才能制備薄膜。真空離子鍍特點真空離子鍍特點優(yōu)點優(yōu)點(1)膜層附著力強。(2)膜層組織致密，耐蝕性好。(3)具有繞鍍性能，能夠在形狀復(fù)雜的零件表面鍍膜。(4) 成膜速率高，可與蒸發(fā)鍍膜的速率相當(dāng)；且可鍍厚膜（達30m）。 缺點缺點(1)離子鍍的應(yīng)用有一定限制。由于高能離子和中性粒子的轟擊，沉積的薄膜中缺陷密度大大增加，且在膜與基體之間存在較寬的過渡界面層，在有些情況下，特別是在一些電子器件和集成電路的生產(chǎn)中，都是不允許的。(2)由于高能粒子的轟擊，基片溫度較

11、高，在需要低溫成膜的場合， 須另加基片的冷卻裝置。(3)淀積的薄膜中含氣較高。由于到達基片的不僅有中性氣體分子，還有氣體正離子。氣體分子會吸附在膜的表面，而正離子還能滲入薄膜中一定的深度(如能量為1keV的Ar+能夠在固體銅中滲入1nm)。真空離子鍍特點真空離子鍍特點HfO2材料特性材料特性：HfO2薄膜因為具有較高的硬度，高的化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)良介電性能而備受關(guān)注。特別是用作光學(xué)薄膜，它具有硬度高、折射率高、高的強激光損傷閾值且在近紫外到中紅外波段的良好透過性能等特點。鍍膜方式：鍍膜方式：電子束蒸發(fā)鍍膜材料用途材料用途：同濟大學(xué)1、成都光機2所采用HfO2/SiO2膜堆制作高反膜、增透膜，用于提

12、高激光系統(tǒng)（1064nm）的損傷閾值。11程鑫彬程鑫彬, , 沈正祥沈正祥, , 焦宏飛焦宏飛, , 等等. SiO2/HfO2 . SiO2/HfO2 高反射膜的研制高反射膜的研制J. J. 強激光與粒子束強激光與粒子束, 2012, 24(6): , 2012, 24(6): 1276-1280 1276-1280. .22衛(wèi)耀偉衛(wèi)耀偉, , 張哲張哲, , 劉浩劉浩, , 等等. HfO2/SiO2 . HfO2/SiO2 薄膜的激光預(yù)處理作用研究薄膜的激光預(yù)處理作用研究J. J. 強激光與粒子束強激光與粒子束, 2013, , 2013, 25(12 25(12): 3273-3277

13、. ): 3273-3277. SiO2材料特性材料特性：SiO2薄膜是一種重要的低折射率薄膜材料（n=1.46），具有寬透明區(qū)(0158 m)、低折射率、高硬度、低熱膨脹系數(shù)、好的電絕緣性，以及耐摩擦、耐酸堿、抗腐蝕等優(yōu)點，并在光學(xué)領(lǐng)域如減反膜、高反膜、分光膜和濾光膜等各類光學(xué)元件的多層膜中有著廣泛的應(yīng)用。鍍膜方式：鍍膜方式：SiO2薄膜的制備有熱蒸鍍、電子束蒸鍍1、離子輔助、離子束濺射2、磁控濺射、溶膠一凝膠3等方式。材料用途材料用途：SiO2為低折射率材料，可許多高介質(zhì)材料搭配構(gòu)成膜堆。如：TiO2/SiO21,Ta2O5/SiO2。其次， SiO2也用作許多光學(xué)元件的保護層。11付秀華

14、付秀華, , 董連和董連和, , 付新華付新華, , 等等. . 紅外增透與保護膜技術(shù)的研究紅外增透與保護膜技術(shù)的研究J. J. 激光與紅外激光與紅外, 2007, 36(12): 1162-1164., 2007, 36(12): 1162-1164.22劉華松劉華松, , 王利栓王利栓, , 姜玉剛姜玉剛, , 等等. . 離子束濺射制備離子束濺射制備 Si02 Si02 薄膜的折射率與應(yīng)力調(diào)整薄膜的折射率與應(yīng)力調(diào)整J. J. 光學(xué)精密工程光學(xué)精密工程, 2013, 21(9): , 2013, 21(9): 2238-2243. 2238-2243.33馬健馬健, , 劉秉琦劉秉琦, ,

15、 華文深華文深, , 等等. SiO2/TiO2 . SiO2/TiO2 復(fù)合薄膜的制備及其可見光透過率復(fù)合薄膜的制備及其可見光透過率J. J. 光學(xué)技術(shù)光學(xué)技術(shù), 2009 (4): 513-516., 2009 (4): 513-516.ZnS材料特性：材料特性：ZnS是常見的紅外光學(xué)材料，經(jīng)過熱等靜壓處理的多光譜ZnS晶體的透明區(qū)為0.3814um，具有良好的機械性能和光學(xué)性能，透射率可在72%以上且吸收小，優(yōu)良的性能使其在紅外與激光系統(tǒng)中得到廣泛使用。鍍膜方式：鍍膜方式：電子束蒸鍍+離子輔助沉積材料用途材料用途：ZnS作為高折射率材料，可與低折射率的YbF3、YF3搭配，制造不同波段的

16、激光濾光膜及增透膜123。同時，也可配合MgF2用于雙層增透膜。11賀才美賀才美, , 付秀華付秀華, , 張家斌張家斌, , 等等. . 可見與紅外雙波段寬帶增透膜的研制可見與紅外雙波段寬帶增透膜的研制J. J. 光學(xué)學(xué)報光學(xué)學(xué)報, 2009 (10): , 2009 (10): 2929-2933 2929-2933. .22賀才美賀才美, , 付秀華付秀華, , 孫鈺林孫鈺林, , 等等. . 多波段激光濾光膜的研制多波段激光濾光膜的研制J. J. 中國激光中國激光, 2009 (6): 1550-1554., 2009 (6): 1550-1554.33宮大為宮大為, , 付秀華付秀華

17、, , 耿似玉耿似玉, , 等等. . 紅外雙波段激光濾光膜的研制紅外雙波段激光濾光膜的研制J. J. 中國光學(xué)中國光學(xué), 2011, 4(3): 293-, 2011, 4(3): 293-298.298.MgF2材料特性：材料特性：分子量62.31，密度2.93.2，熔點1359 ，在10-4Torr真空下的蒸發(fā)溫度為1540。MgF2薄膜的透明區(qū)為O21umlOum。氟化鎂薄膜是所有低折射率材料中最為牢固的薄膜，特別是當(dāng)基底溫度為大約250 左右時，其膜層牢固度可以得到非常令人滿意的結(jié)果。鍍膜方式：鍍膜方式：熱電阻蒸鍍，電子束蒸鍍1。11溫才溫才, , 令勇洲令勇洲, , 李文俊李文俊,

18、 , 等等. . 真空蒸鍍氟化鎂增透膜的厚度與均勻性控制真空蒸鍍氟化鎂增透膜的厚度與均勻性控制J. J. 材料導(dǎo)報材料導(dǎo)報, 2013, , 2013, 26(22): 5-9.26(22): 5-9.TiO2材料特性：材料特性：分子量7988，密度429，熔點1850 ，折射率2.05（550nm），在10-4Torr真空下的蒸發(fā)溫度為2200 ?？捎面u舟、鉬舟加熱蒸發(fā)，此時產(chǎn)生分解的吸收膜。也可由電阻加熱蒸發(fā)Ti，然后在空氣中加熱氧化二制備Ti02薄膜。用電子束加熱蒸發(fā)效果很好。但是，由于TiO2在真空中加熱蒸發(fā)時會分解失氧，形成高吸收的鈦的亞氧化物薄膜。因此，在鍍制過程中需要給其充加氧氣

19、。鍍膜方式：鍍膜方式：電子束蒸鍍1，離子源輔助沉積2，溶膠-凝膠法311譚宇譚宇, , 梁宏軍梁宏軍, , 劉永強劉永強, , 等等. . 用二氧化鈦用二氧化鈦, , 二氧化硅和氟化鎂膜料鍍制二氧化硅和氟化鎂膜料鍍制 0.4 m-1.1 0.4 m-1.1 mm 超寬帶超寬帶增增 透膜透膜J. J. 應(yīng)用光學(xué)應(yīng)用光學(xué), 2007, 28(5): 623-626., 2007, 28(5): 623-626.22付秀華付秀華, , 董連和董連和, , 付新華付新華, , 等等. . 紅外增透與保護膜技術(shù)的研究紅外增透與保護膜技術(shù)的研究J. J. 激光與紅外激光與紅外, 2007, 36(12):

20、 , 2007, 36(12): 1162-1164. 1162-1164.33王永強王永強, , 胡曉云胡曉云, , 苗仲海苗仲海, , 等等. . 溶膠溶膠- -凝膠法制備凝膠法制備 TiO2-SiO2 TiO2-SiO2 多層增透膜多層增透膜J. J. 光子學(xué)報光子學(xué)報, 2008, , 2008, 37(6): 1165-1168. 37(6): 1165-1168.材料特性：材料特性：分子量44189，密度874，熔點1800 ，在10-4Torr真空下的蒸發(fā)溫度為2500?？捎勉g、鎢舟、線圈加熱蒸發(fā)，也可由鎢坩堝加熱蒸發(fā)，用電子束加熱蒸發(fā)效果良好。Ta2O5薄膜的透明區(qū)為0310u

21、m，其折射n=2.1(550nm)?？捎糜诟缮嫱繉又凶鳛楦哒凵渎时∧げ牧?，其機械性能極為牢固，強堿也不能將它腐蝕，所以還可作為保護涂層，特別是在高溫環(huán)境中的應(yīng)用。鍍膜方式：鍍膜方式：電子束蒸鍍1，離子束濺射2Ta2O511 趙靖趙靖, , 張永愛張永愛, , 袁軍林袁軍林, , 郭太良郭太良, , 氧離子束流密度對氧離子束流密度對Ta205Ta205薄膜的影響薄膜的影響, ,真空真空 2009 2009年年4 4期期22劉華松劉華松, , 傅翾傅翾, , 王利栓王利栓, , 姜玉剛姜玉剛, , 冷健冷健, , 莊克文莊克文, , 季一勤季一勤, ,離子束濺射參數(shù)與離子束濺射參數(shù)與 Ta2O5

22、Ta2O5 薄膜特性薄膜特性 的關(guān)聯(lián)性的關(guān)聯(lián)性, ,紅外與激光工程紅外與激光工程 2013 2013年年7 7期期Al材料特性材料特性：熔點660 ，鋁膜從紫外區(qū)到紅外區(qū)具有平坦而且很高的反射率，且鋁膜表面總是存在著一層透明的A120，薄膜的保護，其化學(xué)穩(wěn)定性也比較好，所以鋁膜被廣泛用作各類反射器件的反射膜。鍍膜方式：鍍膜方式：熱電阻蒸鍍1、磁控濺射21122趙印中趙印中, , 許旻許旻, , 等等. . 磁控濺射法制備高反射鋁膜磁控濺射法制備高反射鋁膜J. J. 真空與低溫真空與低溫, 2009 (3)., 2009 (3).Ag材料特性材料特性：熔點960，鍍膜方式鍍膜方式:化學(xué)鍍銀111龔秀明龔秀明, , 吳時彬吳時彬, , 景洪偉景洪偉.