光學薄膜理論培訓1利達光電

光學薄膜理論培訓1利達光電

目錄一、光學薄膜基礎(chǔ)知識二、真空及真空系統(tǒng)三、薄膜的制備技術(shù)四、薄膜制備工藝五、薄膜材料六、膜厚的監(jiān)控七、光學薄膜的性能和檢測八、光學薄膜產(chǎn)品的常見疵病及相應的注意事項九、膜系設(shè)計相關(guān)第二頁，共56頁。2一、光學薄膜基礎(chǔ)知識第三頁，共56頁。1、光是什么？光是一種電磁波，可見光波長范圍是380～760nm；紅外光為約760

到107nm量級；紫外光1-380nm；比紫外光短的還有X射線、γ射線（<0.001nm）等；而比紅外長的就是我們熟悉的無線電波。第四頁，共56頁。42、什么叫做光學薄膜？所謂光學薄膜首先它應該是薄的基于光的干涉效應（比如光圈——牛頓環(huán)，也是基于光的干涉效應）第五頁，共56頁。61.減反膜2.濾光膜3保護膜4內(nèi)反射5外反射6高反膜7分束膜8分色膜9偏振膜10導電膜3、光學薄膜的類型與符號第六頁，共56頁。4、光學薄膜在光學系統(tǒng)中的作用提高光學效率、減少雜光。如減反射膜（AR）、高反射膜（HR）實現(xiàn)光束的調(diào)整或再分配。如分束膜、分色膜、偏振分光膜就是根據(jù)不同需要進行能量再分配的光學元件。通過波長的選擇性透過提高系統(tǒng)信噪比。如窄帶及帶通濾光片、長波通、短波通濾光片。實現(xiàn)某些特定功能。如ITO透明導電膜、憎水膜、透明超硬膜等第七頁，共56頁。5、當前最熱門的應用領(lǐng)域數(shù)碼相機用的IR-CUT（OLPF系列）減反射膜（AR）----永遠的熱門投影顯示光學系統(tǒng)----包括LCD、DLP、LCOS光通訊：DWDM(densewavelenghdivisionmultiplexer)濾光片激光領(lǐng)域----激光反射腔高反射膜液晶領(lǐng)域----ITO膜第八頁，共56頁。8二、真空與真空系統(tǒng)第九頁，共56頁。1、真空（1）、定義真空是壓力低于一個大氣壓的任何氣態(tài)空間。一般采用真空度來表示真空的高低。

（2）、單位真空度以壓強為單位來度量，壓強高表示真空度低，壓強低標識真空度高。真空度的國際單位是帕斯卡，簡稱帕（Pa）。大氣壓強為105Pa第十頁，共56頁。101、真空真空在薄膜制備中的作用（1）減少蒸氣分子與殘余氣體分子的碰撞；（2）抑制殘余氣體和蒸發(fā)分子之間的反應；分類特性粗真空低真空高真空超高真空真空度范圍（Pa）＞103102~10-110-1~10-6＜10-6氣流特點氣體分子之間有大量碰撞過渡區(qū)域氣體分子之間較少碰撞氣體分子之間間幾乎不碰撞一般要求在高真空下鍍膜（3）、分類第十一頁，共56頁。112、真空系統(tǒng)－真空泵泵名原理工作范圍機械泵機械壓縮排除氣體105~10-2Pa羅茨泵機械壓縮排除氣體104~10-2Pa擴散泵蒸汽流攜帶排除氣體100~10-6Pa（1）、常見真空泵第十二頁，共56頁。①機械泵常見種類：旋片式、定片式和滑閥式；旋片式，噪音最小，運轉(zhuǎn)速度高（1000轉(zhuǎn)/分），是真空鍍膜常用的機械泵；主要構(gòu)成：定子、轉(zhuǎn)子、嵌于轉(zhuǎn)子的兩個旋片及其彈簧；機械泵油的作用：密封、潤滑，提高壓縮率；機械泵油的要求：低的飽和蒸氣壓，一定的粘度，較高的穩(wěn)定性；2、真空系統(tǒng)－真空泵第十三頁，共56頁。2、真空系統(tǒng)－真空泵第十四頁，共56頁。不能在大氣下工作，當壓強＜10+4Pa時才可啟動。轉(zhuǎn)速較大可以達到3000轉(zhuǎn)/分。關(guān)機時，在關(guān)閉羅茨泵后，需要等待30秒，讓羅茨泵逐漸停止轉(zhuǎn)動后，方可關(guān)閉機械泵②羅茨泵2、真空系統(tǒng)－真空泵第十五頁，共56頁。2、真空系統(tǒng)－真空泵第十六頁，共56頁。結(jié)構(gòu)：冷阱、鋁制的各級傘形噴嘴（一般為三級噴嘴）和蒸氣導管是擴散泵的核心部分。ploycold的作用：減少返油和排除水氣必須在壓強＜7Pa，才可啟動、工作。③擴散泵2、真空系統(tǒng)－真空泵第十七頁，共56頁。評價真空泵的兩個重要的性能參數(shù)極限壓強——該泵所能獲得的最低壓強抽速——單位時間內(nèi)的抽氣能力

（2）、評價真真空泵的兩個參數(shù)2、真空系統(tǒng)－真空泵第十八頁，共56頁。三、薄膜制備技術(shù)第十九頁，共56頁。1、常用薄膜制備技術(shù)薄膜的制備方法分為a.PVD(1)熱蒸發(fā):

如：阻蒸，電子束蒸發(fā)，激光束蒸發(fā)，高頻誘導…(2)濺射:e.g.直流濺射，射頻濺射，等離子增強，離子束，磁控濺射(3)離子鍍(4)分子束外延MBE(MolecularBeamEpitaxy)b.CVD?APCVD(AtmosphericpressureCVD)?LPCVD(LowpressureCVD)?PECVD(PlasmaenhancedCVD)?PCVD(PhotonCVD)?MOCVD(MetalOrganicCVD)c.DepositionfromSolutions?Sol-gel,LB,Spin…?Metalfilms(e.g.Ag)?Oxidefilms(SiO2-TiO2)

光學薄膜真空鍍膜技術(shù)一般采用物理氣相沉積（PVD）技術(shù)。所以，我們主要針對PVD技術(shù)中的一些蒸發(fā)方式進行論述第二十頁，共56頁。2、電子束蒸發(fā)原理電功率→電子動能→膜料熱能在極短時間內(nèi)膜料溫度上升到幾千度!!第二十一頁，共56頁。2、電子槍結(jié)構(gòu)第二十二頁，共56頁。優(yōu)點:1.強磁場使二次電子減少；2.坩堝水冷,膜污染少；3.材料蒸汽分子動能高,膜致密；4.蒸發(fā)材料不分餾或分餾??；5.燈絲藏下面,不易污染,壽命長；6.有效抑制高壓放電。缺點:

1.價格高；2.焦斑位置和挖坑對膜厚分布影響很大；3.電子束控制不當，仍有二次電子，特別是SiO2。3、e形電子槍特點第二十三頁，共56頁。4、電子槍故障分析A、高壓加不上真空度低燈絲短路(變形,膜料掉進去)高壓進線短路冷卻水不足安全開關(guān)松開小柜內(nèi)三只保險絲接觸不良過流保護截止管不良B.束流不正常束流無:燈絲接觸不良或燒斷；燈絲短路；束流小:燈絲短路(有臟物，裝配不良)；燈絲裝得太緊；束流大:燈絲裝得太松；局部短路(有臟物，裝配不良)。C.光斑差偏轉(zhuǎn)線圈電壓不正常燈絲裝配定位不準確陽極孔打壞D.打火真空度低(抽速慢，材料除氣不充分等)，空氣電離；槍頭、底座有接觸不良槍頭、底座有太多臟污充氧太多或太快；蒸發(fā)速率太快,材料分子電離密度高；第二十四頁，共56頁。5、離子輔助淀積機理:離子轟擊給到達基板的膜料粒子提供了足夠的動能，提高了淀積粒子的遷移率，從而使膜層聚集密度增加。第二十五頁，共56頁。?離子輔助淀積(IAD)提高膜層密度；提高折射率；減小吸收散射；提高濾光片穩(wěn)定性；提高牢固度和硬度；調(diào)節(jié)應力?清潔基板鍍膜前轟擊基板3-5分鐘，清潔效果很好

6、離子源的用途第二十六頁，共56頁。7、離子源和中和器故障分析A、中和器不能啟動中和器的罩子沒有取出氣體流量低Keeper臟Collector臟接觸不良B.離子源不能啟動Pusle電壓設(shè)定過低中和器電流和功率設(shè)置過低ACC和Screen之間短路石英槽污染氣體流量過低新清潔的柵極沒有經(jīng)過高溫烘烤離子源的罩子沒有取出C.IB啟動時放電嚴重或者點著后容易熄火清潔后的柵極預熱時間不夠柵極表面清潔不徹底柵極使用后受到污染柵極組裝不良柵極間的陶瓷墊片用錯第二十七頁，共56頁。四、薄膜的制備工藝主要工藝因素（1）基板處理：包括拋光、清潔、離子轟擊（2）制備參數(shù)：包括基板溫度、蒸發(fā)速率、真空度薄膜主要性質(zhì)：（1）光學性質(zhì)：包括折射率、各項異性、吸收、散射、光學穩(wěn)定性等（2）機械性質(zhì)：包括硬度、附著力、應力（3）抗激光損傷。第二十八頁，共56頁。1、基板處理（1）拋光（2）基板清潔清洗方法主要有：酸洗、洗滌劑、有機溶劑和超聲波清洗等。第二十九頁，共56頁。2、制備參數(shù)制備參數(shù)主要有：基板溫度、淀積速率、真空度、充氧（1）基板溫度提高基板溫度，使膜料蒸汽與基板的反應更劇烈，提高膜層與基板的結(jié)合力，并形成更加致密的薄膜，提高膜層的折射率。基板溫度必須適當。溫度過高，可能形成大顆粒凝結(jié)或材料分解，甚至膜層發(fā)霧。MgF2的鍍膜溫度必須大于250℃，最好在300℃以上；

OS-50的鍍膜溫度，不用IAD的最好在300℃以下，使用IAD的最好在200℃以下。（2）沉積速率薄膜淀積過程是薄膜材料分子在基板上吸附、遷移、凝結(jié)和解吸的一個綜合平衡過程。蒸發(fā)速率較低時，吸附原子在其平均停留時間內(nèi)能充分進行表面遷移，凝結(jié)只能在大的凝結(jié)體上進行，反蒸發(fā)嚴重，所以膜層結(jié)構(gòu)松散。反之，淀積速率提高，結(jié)構(gòu)較緊密，但由于缺陷增多而使內(nèi)應力增大。OS-50、SiO2、H4、MgF2的速率一般為多少？第三十頁，共56頁。（3）真空度真空度的高低使沉積分子產(chǎn)生碰撞的情況不同，造成蒸汽分子到達基底的動能不同，形成膜層的致密程度不同。提高真空度，可提高膜層的致密性，減小膜層的吸收。IR、AR膜系的設(shè)定真空度一般是多少？（4）充氧在鍍膜過程中，有許多氧化物容易失去部分的氧，造成薄膜的吸收。沖入適當?shù)难鯕?，有利于減少膜層吸收。OS-50noIAD、SiO2、MgF2、H4時的充氧一般為多少？第三十一頁，共56頁。3、膜層厚度均勻性（1）影響因素：膜料的純度、是否受潮，以及形狀、高低、加料的虛實等。坩堝位置是否偏。光斑的大小、形狀、位置。修正板裝配是否到位、升降是否正常、有無變形。盤、工裝有無變形，是否放置到位。真空度的高低?；鍦囟鹊母叩?。蒸發(fā)速率的快慢。充氧的大小。使用IAD的，離子源安裝是否到位。第三十二頁，共56頁。3、膜層厚度均勻性（2）修正板的修剪方法使用拉線法將修正板劃分為與盤上每一圈對應的區(qū)域。做單層，一般為550nm的3~7個極值。根據(jù)單層曲線找出一直列樣品中每一圈的波峰（或波谷）的波長。（注：盡量選擇接近控制波長的那組波峰或者波谷）選出一個基準波長，用每一圈的波峰（或波谷）波長減去基準波長，得到波長差值。（注：基準波長盡量選取平均值，也可波峰或波谷最集中的區(qū)域，這樣會減少修剪的圈數(shù)）根據(jù)波長差1nm、修剪1mm，“+”的補、“-”的剪的原則進行修剪。重復②~④，直至均勻性滿足要求。第三十三頁，共56頁。五、常用用的鍍膜材料1.金屬膜，多用于高反射膜2.介質(zhì)膜和半導體膜良好膜料應具備的特性：（1）具有良好的透明度，吸收小高折射率材料在可見區(qū)的消光系數(shù)比低折射率材料大10～100倍以上。（2）具有穩(wěn)定的、重復性良好的折射率（3）膜料本身具有良好的機械強度和化學性能（4）薄膜與基板，薄膜與薄膜之間要有良好的附著力第三十四頁，共56頁。常用的鍍膜材料在550nm的折射率材料MgF2SiO2折射率1.3861.474材料M2Al2O3折射率1.701.67低折射率材料中間折射率材料材料H4Ta2O5Nb2O5OS-50折射率2.062.252.362.40高折射率材料第三十五頁，共56頁。六、薄膜厚度監(jiān)控技術(shù)膜厚有三種概念：即幾何厚度、光學厚度和質(zhì)量厚度。幾何厚度：表示薄膜的物理厚度或?qū)嶋H厚度；光學厚度：幾何厚度與膜層折射率的乘積；質(zhì)量厚度：單位面積上膜的質(zhì)量，若已知膜層的密度，可以轉(zhuǎn)換為相應的幾何厚度。現(xiàn)場常用的膜層厚度監(jiān)控方法：晶振法（Crystal）、極值法（Optical）、過正控制（LightOpticalRitio）、時間控制（Time第三十六頁，共56頁。1、晶振法原理：晶控片的厚度決定它的振動頻率。在晶控片上鍍膜后，相當于晶控片的厚度發(fā)生改變，其振動頻率也隨之改變。我們可以通過檢測晶控片的頻率的改變來檢測膜層的厚度。特點：晶振法是目前唯一可以同時控制膜層厚度和成膜速率的方法。晶振法監(jiān)控的是物理厚度，不能監(jiān)控膜層的折射率。

第三十七頁，共56頁。晶振片的電極對膜厚監(jiān)控、速率控制至關(guān)重要。目前，市場上提供三種標準電極材料：金、銀和合金。金是最廣泛使用的傳統(tǒng)材料，它具有低接觸電阻，高化學溫定性，易于沉積。金最適合于低應力材料，如金，銀，銅的膜厚控制。銀是接近完美的電極材料，有非常低的接觸電阻和優(yōu)良的塑變性。然而，銀容易硫化，硫化后的銀接觸電阻高，降低晶振片上膜層的牢固性。銀鋁合金晶振片最近推出一種新型電極材料，適合高應力膜料的鍍膜監(jiān)控，如SiO，SiO2，MgF2，TiO2。晶振片的安裝及注意事項與技巧保持晶振片的清潔。切記不要用手指直接接觸晶振片以免留下油漬，晶振片的前后中心位置和何晶體和夾具之間的顆?；蚧覍訉⒂绊戨娮咏佑|，而且會產(chǎn)生應力點，從而改變晶體振動的模式。保持足夠的冷卻水使晶振頭溫度在20-40℃。如果可以將溫度誤差保持在1-2℃范圍內(nèi)，效果更佳。第三十八頁，共56頁。晶振片要不要換主要看以下方面：

鍍IR時，晶控片的頻率一般需大于5850；鍍AR膜時，一個新晶控片頻率＜5900后就要換新的。蒸發(fā)速率出現(xiàn)明顯異常；晶振片的表面明顯出現(xiàn)膜脫落或起皮的現(xiàn)象；第三十九頁，共56頁。2、極值法(optical)：極值法原理：在玻璃上鍍制單層膜，玻璃的透過率或者反射率會發(fā)生改變，蒸發(fā)過程中出現(xiàn)極值點的次數(shù)來控制四分之一波長整數(shù)倍膜層厚度，即鍍膜結(jié)束的時候停在極值點。極值法特點：常規(guī)的極值法監(jiān)控精度比較低，因為在極值點附近信號變化較小。不能控制成膜速率。第四十頁，共56頁。3、過正控制(LightRatioPeak)：原理：在玻璃上鍍制單層膜，玻璃的透過率或者反射率會發(fā)生改變，與極值法不同的時，故意產(chǎn)生一個一致性的過正量，即鍍膜結(jié)束時候不是停在極值點。特點：監(jiān)控精度一般比極值法高。不能控制鍍膜速率。第四十一頁，共56頁。（極值法、過正法）補充相同點：控制的原理相同，均利用在玻璃常鍍制單層膜，玻璃的透過或者反射率會發(fā)生變化。不同點：在鍍膜結(jié)束時，極值法停在極值點，過正法不是停在極值點光學膜厚儀OPM-Z1的測光范圍為350～1100nm，測量波長的設(shè)定值為0.1nm。應盡量避開600nm波長，因為此波長出的光學膜厚儀的信號最弱。目的比率的取值一般在5～60％之間。現(xiàn)在測量的是反射信號第四十二頁，共56頁。光量走勢異常的原因1、光量為一條直線沒有加膜料電子槍光斑太散或者太偏，導致蒸發(fā)速率太慢，幾乎為零2、逆振光控片上清洗不干凈，有臟點或者有印子關(guān)機或更換鋁皮時造成光控片臟，沒有及時更換下一個預熔后，光控片被污染，沒有及時更換下一個光控片是用過的，沒有及時更換光控片使用過程中碎裂APC流量異常第四十三頁，共56頁。3、時間控制(Time)：原理：利用時間的長短來控制膜厚。特點：監(jiān)控精度很低。不能控制鍍膜速率。第四十四頁，共56頁。七、光學薄膜的性能及檢測光學薄膜的性能主要包括：光學指標：反射率、透射率，吸收率等顏色指標（實際上包含于第一項）光潔度膜層的牢固度膜層的硬度膜層透射、反射的相位抗環(huán)境性能第四十五頁，共56頁。八、現(xiàn)場產(chǎn)品的最常見疵病點子印子擦痕（路子）分光特性不良第四十六頁，共56頁。（一）點子形成原因1、坩堝架打掃太臟，或打掃不徹底2、膜料被污染，或受潮3、電子槍裝配不到位或由臟污，有打火、電流不穩(wěn)、光斑能量分布不均等4、離子源的柵極等處臟，或裝配不到位，有打火現(xiàn)象5、坩堝變形、或冷卻水故障，導致冷卻效果不好6、鋁皮、防污板、蓋板等掉渣7、工裝、盤等掉渣8、晶控片不良，導致速率波動過大9、玻璃本身有點子、超洗后遺留有臟10、工房潔凈度太差，其中懸浮的臟污顆粒太多第四十七頁，共56頁。（二）印子形成原因1、清洗不干凈留下的水跡、IPA跡、污漬2、基底本身有腐蝕，或拋光不良3、髙閥返油、真空度太低等，造成膜層不牢4、環(huán)境濕度長時間大于80%，導致零件表面會形成水膜第四十八頁，共56頁。（三）擦痕（路子）形成原因1、震盤，導致玻璃滑動、2、下玻璃時，玻璃滑到一起、或掉落3、插框時，玻璃掉落、插框用力過大、或玻璃之間有接觸4、測曲線時，玻璃被樣品架劃傷第四十九頁，共56頁。（四）分光特性不良形成原因1、鍍膜機干凈程度、冷熱程度等不同，導致抽氣速率發(fā)生變化，導致曲線變形或前后移動2、膜料是否受潮3、膜料多少、壓實程度3、修正板用錯、變形、裝配位置偏等4、電子槍裝配不到位，導致光斑偏、或能量分布發(fā)生變化5、離子源三個柵極之間沒裝好，或整體裝偏6、溫度模式用錯、或者沒加熱7、膜系設(shè)計容差太小第五十頁，共56頁。九、膜系設(shè)計相關(guān)——AR1.合格膜系的要求：寬帶增透膜的帶寬要求有至少20nm的余量；反射率至少小于要求0.1%；在1%的光學厚度誤差范圍內(nèi)，特性不應有大的超出規(guī)格要求的變化。2.設(shè)計寬帶增透膜系需要注意的問題：盡量保證在帶寬范圍內(nèi)只有一個波峰；零件凸面膜系易整體前移，凹面易整體后移；為在