光學(xué)制造技術(shù)第13章 鍍膜

1、第第1313章章 光學(xué)鍍膜光學(xué)鍍膜西安工業(yè)大學(xué)西安工業(yè)大學(xué)徐均琪徐均琪第一節(jié)第一節(jié) 緒緒 論論n一、一、 薄膜薄膜 n附著于附著于“基底基底”、且與基底不同質(zhì)的非自持、且與基底不同質(zhì)的非自持性涂層。性涂層。nthin film：薄膜：薄膜/coating：覆蓋、包裹物、：覆蓋、包裹物、涂涂 層層/layer：層狀物：層狀物/foil：箔：箔 n“和光的波長同量級和光的波長同量級”， “以一個(gè)微米為以一個(gè)微米為界限界限” 。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在幾十。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在幾十微米的膜也稱為薄膜。微米的膜也稱為薄膜。* 田民波，劉德令。薄膜科學(xué)與技術(shù)手冊，機(jī)械工出版社1991。二、薄膜的作用

2、二、薄膜的作用n薄膜的作用在于改進(jìn)基底的性能或功能。薄膜的作用在于改進(jìn)基底的性能或功能。n1、實(shí)現(xiàn)特定的光學(xué)特性、實(shí)現(xiàn)特定的光學(xué)特性 光學(xué)薄膜光學(xué)薄膜 AR; HR; IR-cut; filter; RGB n2、優(yōu)化表面性能，改善表面特性、優(yōu)化表面性能，改善表面特性 TiN，SiC，DLC，DFn3、進(jìn)行微細(xì)加工，實(shí)現(xiàn)微制造；、進(jìn)行微細(xì)加工，實(shí)現(xiàn)微制造； 電子線路；光學(xué)薄膜；生物薄膜；電子線路；光學(xué)薄膜；生物薄膜；n4、產(chǎn)生新功能特性、產(chǎn)生新功能特性 濾光片；場效應(yīng)管；傳感器；濾光片；場效應(yīng)管；傳感器；三、薄膜的分類及材料三、薄膜的分類及材料n薄膜分類薄膜分類n按照薄膜的材料：金屬薄膜、介質(zhì)

3、薄膜、半導(dǎo)體按照薄膜的材料：金屬薄膜、介質(zhì)薄膜、半導(dǎo)體薄膜薄膜n按照薄膜的用途：按照薄膜的用途：光學(xué)薄膜光學(xué)薄膜、 導(dǎo)電薄膜、工具薄導(dǎo)電薄膜、工具薄膜膜保護(hù)薄膜（耐摩擦磨損、抗酸堿鹽腐蝕）、保護(hù)薄膜（耐摩擦磨損、抗酸堿鹽腐蝕）、電子薄膜電子薄膜存儲薄膜、傳感薄膜（氣敏、光敏、存儲薄膜、傳感薄膜（氣敏、光敏、煙霧、壓電等）、超導(dǎo)薄膜、裝飾薄膜。煙霧、壓電等）、超導(dǎo)薄膜、裝飾薄膜。n薄膜材料薄膜材料n一般指固體薄膜；但也存在氣體薄膜（空氣軸承）一般指固體薄膜；但也存在氣體薄膜（空氣軸承）和液體薄膜（向列型液晶薄膜）。和液體薄膜（向列型液晶薄膜）。四、薄膜的制備方法四、薄膜的制備方法鍍膜方法濕法干法

4、CVDPVD電鍍化學(xué)鍍常壓CVD低壓CVD光CVD金屬有機(jī)物熱分解CVDPECVD熱蒸發(fā)熱蒸發(fā)離子束輔助蒸發(fā)離子束輔助蒸發(fā)濺射濺射離子鍍離子鍍射頻、直流、射頻直流、直流脈沖、微波高溫、中溫五、光學(xué)薄膜的理論基礎(chǔ)五、光學(xué)薄膜的理論基礎(chǔ)n光的本質(zhì)：n遵守的基本物理定律：n光學(xué)薄膜的特殊性: 多層膜計(jì)算 0n0nnghQdD0dBdtBdlEdtDIdlH六、光學(xué)薄膜的應(yīng)用六、光學(xué)薄膜的應(yīng)用眼鏡鍍膜眼鏡鍍膜-AR 幕墻玻璃幕墻玻璃濾光片濾光片 液晶領(lǐng)域液晶領(lǐng)域 車燈、冷光鏡、舞臺燈光濾光片車燈、冷光鏡、舞臺燈光濾光片光通信領(lǐng)域：光通信領(lǐng)域：DWDM、光纖薄膜器件、光纖薄膜器件紅外膜紅外膜 激光領(lǐng)域激

5、光領(lǐng)域-激光反射腔高反射膜激光反射腔高反射膜CD、DVD驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器投影顯示投影顯示數(shù)碼領(lǐng)域數(shù)碼領(lǐng)域n規(guī)整膜系：規(guī)整膜系：n各層薄膜的光學(xué)厚度為設(shè)計(jì)波長的四分之一。各層薄膜的光學(xué)厚度為設(shè)計(jì)波長的四分之一。n設(shè)計(jì)波長（參考波長、中心波長）設(shè)計(jì)波長（參考波長、中心波長）n膜系：膜系：G/HLM/AnG代表基底代表基底nH（L、M）代表高（低、中）折射率膜層并且）代表高（低、中）折射率膜層并且光學(xué)厚度為設(shè)計(jì)波長的四分之一光學(xué)厚度為設(shè)計(jì)波長的四分之一nA代表出射介質(zhì)（一般為空氣）代表出射介質(zhì)（一般為空氣）第二節(jié)第二節(jié) 光學(xué)薄膜的基本類型光學(xué)薄膜的基本類型2.1 減反射膜減反射膜 (AR)n光學(xué)元件表面

6、反射造成的問題光學(xué)元件表面反射造成的問題n光能量損失，使像的亮度降低；光能量損失，使像的亮度降低；n雜散光造成像的襯度降低，分辨率下降。雜散光造成像的襯度降低，分辨率下降。1、單層AR膜的光譜單層減反射膜單層減反射膜G/L/A1.52/1.38/1 對常用的多數(shù)對常用的多數(shù)基底材料，滿基底材料，滿足足 的膜料并不存的膜料并不存在，所以在，所以 很難實(shí)現(xiàn)零反很難實(shí)現(xiàn)零反射。射。 V形減反射效形減反射效果，只能實(shí)現(xiàn)果，只能實(shí)現(xiàn)孤立波長點(diǎn)的孤立波長點(diǎn)的零反射，色中零反射，色中性差；性差；0minRSnnn012 2、雙層減反射膜、雙層減反射膜n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：n1、剩余反射、剩余反射率還太高率還太高n2

7、、通帶越來、通帶越來越窄（和單越窄（和單層膜比較）層膜比較）n3、破壞色平、破壞色平衡衡G/HL/A1.52/1.7,1.38/1三層減反射膜三層減反射膜G/MHHL/AG/M2HL/A三層減反射膜三層減反射膜G/MHHHHL/AG/M4HL/A3、多層減反射薄膜的設(shè)計(jì)、多層減反射薄膜的設(shè)計(jì)大功率太陽能反射鏡微波反射鏡巨大先進(jìn)反射鏡計(jì)劃(LAMP)離軸拋物面反射鏡2.2 高反射膜高反射膜1、 金屬高反膜金屬高反膜金屬反射膜的特點(diǎn)金屬反射膜的特點(diǎn)n A. 高反射區(qū)寬；高反射區(qū)寬；n B. 偏振效應(yīng)輕微；偏振效應(yīng)輕微；n C. 膜層與基底附著性能差距很大：膜層與基底附著性能差距很大：n Al ，C

8、r，Ni與玻璃附著力強(qiáng)；與玻璃附著力強(qiáng)；n Au，Ag與玻璃附著力差；與玻璃附著力差；n D. 膜層化學(xué)穩(wěn)定性差，易被環(huán)境氣體膜層化學(xué)穩(wěn)定性差，易被環(huán)境氣體腐蝕；腐蝕；n E. 機(jī)械性能差機(jī)械性能差軟。軟。 2、金屬、金屬-介質(zhì)組合高反膜介質(zhì)組合高反膜“金屬金屬介質(zhì)介質(zhì)”組合存在的問題組合存在的問題nA. 只在較小波段有增加反射率的作只在較小波段有增加反射率的作用，而在很寬波段有減反作用；用，而在很寬波段有減反作用；nB. 反射率無法接近反射率無法接近100%，最高可，最高可達(dá)達(dá)96%；nC. 由于有吸收，不適用于激光系統(tǒng)。由于有吸收，不適用于激光系統(tǒng)。3、介質(zhì)高反膜、介質(zhì)高反膜多層介質(zhì)高反射

9、膜多層介質(zhì)高反射膜G/HLHLH/AG/(HL)4H/AG/(HL)H/AG/(HL)16H/AG/(HL)32H/AG/0.9a0.9b0.9a0.9b0.9a0.9b0.9a0.9b0.9ab1.2a1.2b1.2a1.2b1.2a1.2b1.2a1.2b/A反射帶展寬反射帶展寬2.3 分束膜分束膜 中性分束膜中性分束膜 按一定透反比按一定透反比T/R將一束光一分為二。將一束光一分為二。特特 點(diǎn)：所有波長分光比相同。點(diǎn)：所有波長分光比相同。零件結(jié)構(gòu)：平板；零件結(jié)構(gòu)：平板； 膠合立方棱鏡。膠合立方棱鏡。膜系類型：金屬；介質(zhì)膜系類型：金屬；介質(zhì)-金屬金屬-介質(zhì)；全介質(zhì)。介質(zhì)；全介質(zhì)。G/Ag(

10、5nm)/A一、金屬分束膜一、金屬分束膜G/Al(5nm)/AG/Cr(15nm)/AG/Cr(16nm)Ni(6nm)/A金屬分光鏡的正確放置金屬分光鏡的正確放置G l ZnS-Ag-ZnS l A 可見光的中性可見光的中性1：1分光，分光，R+T90%. 厚度為：厚度為：280，1.2，120二、介質(zhì)二、介質(zhì)-金屬分束膜金屬分束膜單層分光膜單層分光膜G/H/AG/TiO2/A 三、介質(zhì)分束膜三、介質(zhì)分束膜多層分光膜多層分光膜G/HLHL/A入射角入射角45度度2.35 1.38多層分光膜多層分光膜G/2LHLHL/A多層分光膜多層分光膜G/ (HL) 8 /G45度入射度入射基片折射率基片

11、折射率1.66， 2.38，1.352.4 截止濾光片截止濾光片n截止濾光片截止濾光片n某一波長范圍的光束高透射，而偏離這一波長某一波長范圍的光束高透射，而偏離這一波長的光束驟然變化為高反射（抑制）的波段選擇的光束驟然變化為高反射（抑制）的波段選擇截止濾光片。截止濾光片。n分類分類n吸收型吸收型n薄膜干涉型薄膜干涉型n吸收與干涉組合型吸收與干涉組合型長波通濾光片長波通濾光片短波通濾光片短波通濾光片截止濾光片的特性參數(shù)截止濾光片的特性參數(shù)n1. 截止波長；截止波長；n2. 通帶寬度，平均通帶寬度，平均透射率，最小允許透射率，最小允許透射率；透射率；n3. 阻帶寬度，平均阻帶寬度，平均反射率，最大

12、允許反射率，最大允許透射率；透射率；n4. 過渡區(qū)曲線陡度過渡區(qū)曲線陡度/過渡區(qū)的波長寬度。過渡區(qū)的波長寬度。 2HL2H 2LH2L4 . 1n4 . 2nLH 設(shè)計(jì)波長：設(shè)計(jì)波長：550nm膜系適合膜系適合于短波通于短波通濾光片濾光片膜系適合膜系適合于長波通于長波通濾光片濾光片1. 分色鏡分色鏡 三基色分色；三基色分色； 消紅，消藍(lán)。消紅，消藍(lán)。2. 寬帶通濾光片寬帶通濾光片 “ 短波通短波通 ”+“ 長波通長波通 ”3. 太陽能利用太陽能利用 A. 熱鏡：對陽光（熱鏡：對陽光（0.353m）高透過，）高透過， 對室溫輻射（對室溫輻射（350m）高反射。）高反射。 B. 太陽屏：可見光太陽

13、屏：可見光 0.4-0.75m高透，熱輻高透，熱輻 射射 (大于大于0.75m)高反。高反。截止濾光片的應(yīng)用截止濾光片的應(yīng)用第三節(jié)第三節(jié) 光學(xué)薄膜制造技術(shù)光學(xué)薄膜制造技術(shù)常溫常壓下：常溫常壓下： 氣體分子質(zhì)量密度：氣體分子質(zhì)量密度：1.2810-6 g /mm3 每克氣體分子含分子個(gè)數(shù)：每克氣體分子含分子個(gè)數(shù)：2.08 1022個(gè)個(gè)/g 氣體分子距離：氣體分子距離：3.3410-6mm 氣體分子的空間密度：氣體分子的空間密度：2.681016個(gè)個(gè)/mm3大氣大氣PVD存在的問題：存在的問題： A. 空氣中活性氣體分子與膜層、膜料、蒸發(fā)器反應(yīng)；空氣中活性氣體分子與膜層、膜料、蒸發(fā)器反應(yīng)； B.

14、空氣分子進(jìn)入膜層成為雜質(zhì)；空氣分子進(jìn)入膜層成為雜質(zhì)； C. 蒸發(fā)膜料大多因碰撞而無法直線到達(dá)被鍍件。蒸發(fā)膜料大多因碰撞而無法直線到達(dá)被鍍件。n光學(xué)薄光學(xué)薄膜器件膜器件主要采主要采用真空用真空環(huán)境下環(huán)境下的熱蒸的熱蒸發(fā)方法發(fā)方法制造。制造。1、常用電阻蒸發(fā)源、常用電阻蒸發(fā)源2、電子束加熱、電子束加熱電子槍結(jié)構(gòu)電子槍結(jié)構(gòu)直槍直槍2700 e型型1800 c型型二、二、 磁控濺射磁控濺射n濺射 用高速正離子轟擊膜料（靶）表面，通用高速正離子轟擊膜料（靶）表面，通過動(dòng)量傳遞，使其分子或原子獲得足夠的動(dòng)能而從過動(dòng)量傳遞，使其分子或原子獲得足夠的動(dòng)能而從靶表面逸出（濺射），在被鍍件表面凝聚成膜。靶表面逸出

15、（濺射），在被鍍件表面凝聚成膜。磁控濺射的新技術(shù)磁控濺射的新技術(shù)非平衡磁控濺射非平衡磁控濺射三、離子束濺射三、離子束濺射n用離子源發(fā)射的離子束直接轟擊靶材，使其濺射、用離子源發(fā)射的離子束直接轟擊靶材，使其濺射、沉積到零件表面成膜。沉積到零件表面成膜。四、離子鍍四、離子鍍n熱蒸發(fā)鍍膜技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)：熱蒸發(fā)鍍膜技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)：n 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單，大多數(shù)材料都可以作為膜設(shè)備簡單，大多數(shù)材料都可以作為膜層材料蒸發(fā)。層材料蒸發(fā)。n 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：膜層不能重復(fù)再現(xiàn)塊狀材料的性能。膜層不能重復(fù)再現(xiàn)塊狀材料的性能。n 原因：原因：膜層的微觀柱狀結(jié)構(gòu)。膜層的微觀柱狀結(jié)構(gòu)。n 改進(jìn)措施：改進(jìn)措施：改中性粒子沉積為

16、帶電離子在電改中性粒子沉積為帶電離子在電場輔助（作用）下的電沉積。場輔助（作用）下的電沉積。1、原理、原理n兼有熱蒸發(fā)兼有熱蒸發(fā)的高成膜速的高成膜速率和濺射的率和濺射的高能離子轟高能離子轟擊膜層的雙擊膜層的雙優(yōu)效果優(yōu)效果2、特點(diǎn)、特點(diǎn)n1. 膜層附著力強(qiáng)膜層附著力強(qiáng) 注入和濺注入和濺射所致。射所致。n2. 繞鍍性好繞鍍性好原理上，電力原理上，電力線所到之處皆可鍍上膜層，有線所到之處皆可鍍上膜層，有利于面形復(fù)雜零件膜層的鍍制。利于面形復(fù)雜零件膜層的鍍制。n3. 膜層致密膜層致密濺射破壞了膜濺射破壞了膜層柱狀結(jié)構(gòu)的形成。層柱狀結(jié)構(gòu)的形成。n4. 成膜速率高成膜速率高熱蒸發(fā)的成熱蒸發(fā)的成膜速率。膜速

17、率。n5. 可在任何材料的工件上鍍可在任何材料的工件上鍍膜膜絕緣體可施加高頻電場。絕緣體可施加高頻電場。五、離子束輔助沉積五、離子束輔助沉積 IAD (Ion assisted deposition) 在熱蒸發(fā)鍍膜技術(shù)中在熱蒸發(fā)鍍膜技術(shù)中增設(shè)離子發(fā)生器增設(shè)離子發(fā)生器 離子源，產(chǎn)生離子束，離子源，產(chǎn)生離子束，在熱蒸發(fā)進(jìn)行的同時(shí)，在熱蒸發(fā)進(jìn)行的同時(shí)，用離子束轟擊正在生用離子束轟擊正在生長的膜層，形成致密長的膜層，形成致密均勻結(jié)構(gòu)（聚集密度均勻結(jié)構(gòu)（聚集密度近于近于1），使膜層的），使膜層的穩(wěn)定性提高，達(dá)到改穩(wěn)定性提高，達(dá)到改善膜層光學(xué)和機(jī)械性善膜層光學(xué)和機(jī)械性能的目的。能的目的。單柵無柵離子束輔助

18、用離子源離子束輔助用離子源等離子體源 End-hall源等離子體源等離子體源 APS德國萊寶公司APS源第四節(jié)第四節(jié) 薄膜厚度監(jiān)控薄膜厚度監(jiān)控介質(zhì)薄膜能量反射率隨膜層厚度的變化規(guī)律介質(zhì)薄膜能量反射率隨膜層厚度的變化規(guī)律一、光電極值法一、光電極值法n 利用光電測光方法測量正在鍍制膜層的利用光電測光方法測量正在鍍制膜層的T或或R隨膜層厚度增加過程中的極值個(gè)數(shù)，獲得以隨膜層厚度增加過程中的極值個(gè)數(shù)，獲得以/4為單位的整數(shù)厚度的膜層。為單位的整數(shù)厚度的膜層。n1、原理：、原理：n 由單層介質(zhì)膜層的反射率公式由單層介質(zhì)膜層的反射率公式 122112012220122112012220sinnnnncos

19、nnsinnnnncosnnR 其中：其中： 當(dāng)當(dāng) ，m = 1 , 2 , 3 , . 時(shí)，時(shí)，R 或或 T 就為極值。就為極值。 意即：意即： . 對一個(gè)確定的對一個(gè)確定的，當(dāng)，當(dāng) 時(shí)，時(shí)， T或或R有極值；有極值； . 對一個(gè)確定的對一個(gè)確定的n1d1, 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， T或或R有極值有極值.111dn2 4mdn11 4mdn11 11dnm4 至此形成至此形成極值法監(jiān)控膜層厚度的基礎(chǔ)極值法監(jiān)控膜層厚度的基礎(chǔ)n 當(dāng)選定一個(gè)當(dāng)選定一個(gè)作為監(jiān)控波長時(shí)，只要作為監(jiān)控波長時(shí)，只要膜層的光學(xué)厚度是膜層的光學(xué)厚度是/4的整數(shù)倍，其透射和反的整數(shù)倍，其透射和反射光信號就具有一個(gè)或多個(gè)可供明確判斷的射

20、光信號就具有一個(gè)或多個(gè)可供明確判斷的極值；極值；n 對一個(gè)欲得到的膜層任意光學(xué)厚度對一個(gè)欲得到的膜層任意光學(xué)厚度（n1d1），一定存在一個(gè)或數(shù)個(gè)波長的光可），一定存在一個(gè)或數(shù)個(gè)波長的光可用來依極值法原理監(jiān)控其厚度用來依極值法原理監(jiān)控其厚度。2、典型裝置、典型裝置3、提高極值法監(jiān)控精度的方法補(bǔ)償法微分法微分法n 利用微分電路，將變化率最小的極利用微分電路，將變化率最小的極值點(diǎn)改為對應(yīng)變化率大的微分信號的零點(diǎn)。值點(diǎn)改為對應(yīng)變化率大的微分信號的零點(diǎn)。n即：即： T或或R的極值點(diǎn)判讀改為：零點(diǎn)（定的極值點(diǎn)判讀改為：零點(diǎn)（定值）判定；值）判定；n 由于微分信號在零點(diǎn)處變化率最大，由于微分信號在零點(diǎn)處變化率最大，判讀誤差也就最小。判讀誤差也就最小。極值法監(jiān)控的特點(diǎn)極值法監(jiān)控的特點(diǎn)n只能用于監(jiān)控光學(xué)厚度，不能只能用于監(jiān)控光學(xué)厚度，不能用來監(jiān)控幾何厚度；用來監(jiān)控幾何厚度；n只能用于監(jiān)控四分之一波長厚只能用于監(jiān)控四分之一波長厚度，對于