薄膜光學(xué)技術(shù)詳解演示文稿

薄膜光學(xué)技術(shù)詳解演示文稿當(dāng)前第1頁\共有48頁\編于星期三\14點優(yōu)選薄膜光學(xué)技術(shù)當(dāng)前第2頁\共有48頁\編于星期三\14點薄膜的制備方法鍍膜方法濕法干法CVDPVD電鍍化學(xué)鍍常壓CVD低壓CVD光CVD金屬有機物熱分解CVDPECVD熱蒸發(fā)離子束輔助蒸發(fā)濺射離子鍍射頻、直流、射頻直流、直流脈沖、微波高溫、中溫當(dāng)前第3頁\共有48頁\編于星期三\14點濕法制備薄膜工藝簡單，制造成本低，但膜層厚度不能精確控制，膜層強度差，較難獲得多層膜，有污染。干法制備薄膜需要使用真空鍍膜機，制造成本高，但膜層厚度可以精確控制，膜層強度好，無污染，已廣泛采用。當(dāng)前第4頁\共有48頁\編于星期三\14點PVD技術(shù)1.熱蒸發(fā)技術(shù)2.濺射技術(shù)3.離子鍍技術(shù)4.離子輔助鍍技術(shù)當(dāng)前第5頁\共有48頁\編于星期三\14點3.1真空及真空鍍膜機“真空”是干法鍍膜的基礎(chǔ)，是光學(xué)鍍膜機的基礎(chǔ)。本節(jié)將解答下列問題：

PVD為什么要在真空中進行？真空用哪些參數(shù)計量？

PVD所需要的真空條件是如何確定的？真空如何獲得？當(dāng)前第6頁\共有48頁\編于星期三\14點1）.熱蒸發(fā)工藝過程：（1）PVD與真空1、真空基礎(chǔ)當(dāng)前第7頁\共有48頁\編于星期三\14點2）.大氣PVD存在的問題常溫常壓下，空氣分子質(zhì)量密度：1.28×10-6

g

/mm3

每克氣體分子含分子個數(shù)：2.08×1022個/g

——氣體分子距離：3.34×10-6mm

——氣體分子的空間密度：2.68×1016個/mm3因此,A.空氣中活性氣體分子與膜層、膜料、蒸發(fā)器反應(yīng)；B.空氣分子進入膜層成為雜質(zhì)；C.蒸發(fā)膜料大多因碰撞而無法直線到達被鍍件。當(dāng)前第8頁\共有48頁\編于星期三\14點3).真空PVD的優(yōu)點

真空——壓強小于1個大氣壓的氣體狀態(tài)。（并非一無所有）

PVD需要的真空條件應(yīng)能保證：“平均自由程”＞“源-件”距。易蒸發(fā)（膜料蒸發(fā)溫度大幅下降）；易獲高純膜；膜層堅硬；成膜速度快。當(dāng)前第9頁\共有48頁\編于星期三\14點（2）真空與壓強1）.真空與真空度真空是一種氣體狀態(tài)。真空度是表征真空狀態(tài)氣體稀薄程度的物理量。2.真空度與壓強

A.真空度的計量采用與壓強相同的方法和單位。

注：壓強低真空度高；壓強高真空度低。

B.壓強計量單位：1標準大氣壓=760mmHg=1.01325×105Pa當(dāng)前第10頁\共有48頁\編于星期三\14點真空的國際單位：Pa（帕）常用真空單位還有：Torr（托）,mmHg（毫米汞柱)，

mbar（毫巴），atm（大氣壓）互換關(guān)系為：

1Torr=1/760atm=1mmHg=1.33mbar=133.3Pa幾種壓強單位的換算關(guān)系當(dāng)前第11頁\共有48頁\編于星期三\14點

目前尚無統(tǒng)一規(guī)定，常見的劃分為：粗真空，低，高，超高，極高。

粗真空

105-102Pa

低真空102-10-1Pa

高真空10-1-10-6Pa超高真空10-6-10-10Pa

極高真空10-10Pa

-C.真空區(qū)間被劃分為：當(dāng)前第12頁\共有48頁\編于星期三\14點（3）PVD所需真空度1).分子平均自由程2).分子碰撞率3).PVD要求分子碰撞率<10%，若，d=0.5m→當(dāng)溫度和氣體種類一定時，當(dāng)前第13頁\共有48頁\編于星期三\14點2.真空鍍膜機當(dāng)前第14頁\共有48頁\編于星期三\14點真空系統(tǒng)熱蒸發(fā)系統(tǒng)阻蒸電子槍膜厚控制系統(tǒng)光電膜厚儀石英晶體膜厚儀當(dāng)前第15頁\共有48頁\編于星期三\14點3.2真空獲得與檢測當(dāng)前第16頁\共有48頁\編于星期三\14點3.2.1真空泵

“抽真空”

——抽出容器內(nèi)氣體，獲得真空狀態(tài)的過程/動作?！罢婵毡谩薄糜诔槌鋈萜鲀?nèi)氣體的機器。抽氣機。

1.真空與真空泵當(dāng)前第17頁\共有48頁\編于星期三\14點真空泵主要性能參數(shù)：抽氣速率（體積流率）：L/s，m3/s；極限真空：可以抽達的最低壓強(最高真空度)；啟動壓強：泵無損啟動，并有抽氣作用時的進氣口壓強；前級壓強：泵排氣口壓強；最大前級壓強（反壓強）：超過了就會使泵損壞或不能正常工作的前級壓強。當(dāng)前第18頁\共有48頁\編于星期三\14點2.常見真空泵直聯(lián)泵

當(dāng)前第19頁\共有48頁\編于星期三\14點(1).常見真空泵的分類

A.氣體傳輸泵：——能使氣體不斷吸入和排出而達到抽氣目的。

a、變?nèi)菔剑?/p>

——泵腔容積周期性變化完成排吸氣。如：油封旋片式機械泵；滑閥泵；羅茨泵。

b、動量傳遞泵：

——用高速旋轉(zhuǎn)的葉片或高速射流，把動量傳遞給氣體分子，使氣體分子連續(xù)的、不斷地從入口向出口運動。如：渦輪分子泵；油擴散泵。B.氣體捕集泵：

——利用泵體/工作物質(zhì)對氣體分子的吸附和凝結(jié)作用抽出容器內(nèi)的氣體。如：吸附泵；吸氣劑泵；低溫泵。當(dāng)前第20頁\共有48頁\編于星期三\14點超高真空中真空高真空低真空機械泵羅茨泵油擴散泵渦輪分子泵濺射離子泵低溫泵(2).工作范圍：工作壓強：105Pa~10-1Pa工作壓強：104Pa~10-1Pa工作壓強：10-1Pa~10-6Pa當(dāng)前第21頁\共有48頁\編于星期三\14點3.旋片式機械泵1).結(jié)構(gòu)抽、排氣工作由旋片完成；油封的作用是密封和潤滑。當(dāng)前第22頁\共有48頁\編于星期三\14點2)、工作過程當(dāng)前第23頁\共有48頁\編于星期三\14點3).工作原理

根據(jù)Boyle-Malotte定律：P·V=R·T

若將原壓強為P0的容器體積V擴展△V，

且溫度T不變，則擴展容積后的壓強P1

由P1

·（V+△V）=R·TP0·V=R·T

得P1

·（V+△V）=P0·V

即P1=P0·V/（V+△V）

顯然，容器體積擴展△V時，壓強P0下降為P1。當(dāng)前第24頁\共有48頁\編于星期三\14點4).性能指標①指標：前級壓強：1.013×105Pa(1個標準大氣壓）啟動壓強：1.013×105Pa(1個標準大氣壓）工作壓強：1.013×105Pa~1.333×10-1Pa極限真空：5×10-2Pa

②抽速：油封旋片式機械泵的理論抽速為其中：

實際抽速并非始終如此，在開始抽大氣和容器壓強較低（小于1Pa）時，機械泵的抽速都大大低于理論抽速。

直聯(lián)泵（高速）的抽速明顯高于普通機械泵。直聯(lián)泵:電動機直接驅(qū)動泵轉(zhuǎn)子，把轉(zhuǎn)速提高到1400r/min以上400r/min當(dāng)前第25頁\共有48頁\編于星期三\14點4.油擴散泵凸腔泵直腔泵當(dāng)前第26頁\共有48頁\編于星期三\14點1).結(jié)構(gòu)工作物質(zhì)—高純真空油；加熱器—為油汽化加熱；泵芯—為油蒸汽導(dǎo)向；

當(dāng)前第27頁\共有48頁\編于星期三\14點當(dāng)前第28頁\共有48頁\編于星期三\14點2).工作原理①氣體分子擴散，油蒸氣分子動量傳遞；②多級噴嘴“接力”并阻止“反擴散”（氣，油）；③分餾分級（圖示），重餾分低蒸氣壓油蒸氣沿中心高級導(dǎo)流管蒸發(fā)，利于獲得高極限真空，小污染。當(dāng)前第29頁\共有48頁\編于星期三\14點3).性能①.指標

啟動壓強：10-1Pa最大前級壓強：1Pa工作壓強：10-1Pa~10-6Pa極限真空：10-7Pa②.值得注意的問題

A.油擴散泵既不能直接抽大氣，也不能直接向大氣中排氣；

B.油擴散泵必須在有水冷的條件下使用。當(dāng)前第30頁\共有48頁\編于星期三\14點5.羅茨泵羅茨真空泵（簡稱羅茨泵）是一種旋轉(zhuǎn)式變?nèi)菡婵毡?。它是由羅茨鼓風(fēng)機演變而來的。直排大氣的低真空羅茨泵；中真空羅茨泵（又稱機械增壓泵）；高真空多級羅茨泵。1).羅茨泵的分類當(dāng)前第31頁\共有48頁\編于星期三\14點2).結(jié)構(gòu)及工作過程當(dāng)前第32頁\共有48頁\編于星期三\14點3).羅茨泵的特點在較寬的壓強范圍內(nèi)有較大的抽速；起動快，能立即工作；對被抽氣體中含有的灰塵和水蒸氣不敏感；轉(zhuǎn)子不必潤滑，泵腔內(nèi)無油；振動小，轉(zhuǎn)子動平衡條件較好，沒有排氣閥；驅(qū)動功率小，機械摩擦損失??；結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積??；運轉(zhuǎn)維護費用低。當(dāng)前第33頁\共有48頁\編于星期三\14點理論基礎(chǔ)根據(jù)氣體分子運動論，氣體分子碰撞到固體表面，在表面上停留的時間很短。如果處于氣體中的固體表面以一定的方向運動，所有飛到表面的分子，經(jīng)過碰撞后都具有一定的分速度，其大小與方向等于固體的速度。6.渦輪分子泵當(dāng)前第34頁\共有48頁\編于星期三\14點工作原理依靠高速運動的物體表面把定向速度傳遞給入射表面的氣體分子，造成泵出口、入口的氣體分子正向、反向傳輸幾率的差異而產(chǎn)生抽氣作用。（30000轉(zhuǎn)/分）。1.動葉輪；2.泵殼；3.渦輪排；4.中頻電動機；5.底座；6.出氣口法蘭；7.潤滑油池；8.靜葉輪；9.電機冷卻水管.

當(dāng)前第35頁\共有48頁\編于星期三\14點優(yōu)點：無油，潔凈，啟動快，制動快，可忍受大氣沖擊。缺點：由于高速旋轉(zhuǎn)，不能在磁場中使用，否則會產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致葉輪發(fā)熱、變形等嚴重后果，對氫氣等輕質(zhì)氣體抽速較小，價格昂貴。當(dāng)前第36頁\共有48頁\編于星期三\14點7.低溫真空泵

利用低溫冷凝和低溫吸附原理抽氣的容積式真空泵，是無油高真空環(huán)境獲得設(shè)備。當(dāng)前第37頁\共有48頁\編于星期三\14點低溫冷凝：用液He冷卻固體表面達4.2K，空氣中除H2、He以外，大部分氣體的飽和蒸氣都低于1Pa，即空氣中主要氣體成分都會被冷凝，即達到抽真空的目的。低溫吸附：在低溫表面上粘貼一些固體吸附劑，氣體分子打到這些多孔的吸附劑上而被捕集。1).工作原理當(dāng)前第38頁\共有48頁\編于星期三\14點當(dāng)前第39頁\共有48頁\編于星期三\14點

①.真正的無油真空泵：利用低溫冷板來冷凝、吸附氣體而獲得和保持真空，清潔無污染；

②.抽速快：特別是對H2O、H2等氣體抽速很大，因而排氣速度比其他真空泵快，大大提高產(chǎn)品產(chǎn)出量；

③.運行費用低：運行時只需電力和冷卻水，不需液氮等低溫液體，操作簡單方便；

④.適應(yīng)性強：真空腔內(nèi)無運動部件，來自外界的干擾或來自真空系統(tǒng)的微粒不影響低溫泵工作；

⑤.可以安裝在任何方位；

⑥.運動部件少且低速運行，壽命長；⑦.可以達到10-7Pa的極限真空度，甚至可達10-9Pa。2).低溫泵的特點當(dāng)前第40頁\共有48頁\編于星期三\14點3.2.2高真空系統(tǒng)

1.構(gòu)成當(dāng)前第41頁\共有48頁\編于星期三\14點2.主要部分的作用①.前級泵—機械泵：

排氣于大氣中；為油擴散泵提供預(yù)真空。②.高真空泵—油擴散泵：

獲得10-3Pa的高真空。③.冷阱：

擋油器，阻止油蒸氣進入真空室。④.過冷凝器（Polycold):

置于真空室的水分子捕集器（液態(tài)N制冷），用于補償由“前級泵+油擴散泵”組成的系統(tǒng)不能抽水蒸氣的缺陷。當(dāng)前第42頁\共有48頁\編于星期三\14點、真空測量

——以某一中間變量與氣體壓強的關(guān)系為依據(jù)的間接測量。熱電偶真空計

1）.結(jié)構(gòu)：

Pt-鉑燈絲;

A，B-熱偶絲;

O-熱偶接點.2）.測量范圍：102~

10-

1Pa1.熱電偶真空計當(dāng)前第43頁\共有48頁\編于星期三\14點3）.原理

——低氣壓（100~10-2）下氣體的熱傳導(dǎo)與壓強成正比。因為：燈絲通電后，其熱量散失的途徑有三：

Q1：—燈絲輻射損失

Q1=C1·（T—T0）Q2：—燈絲引線的熱傳導(dǎo)損失

Q2=C2·（T—T0）Q3：—氣體碰撞的熱傳導(dǎo)損失

Q3=C3·（T—T0）P其中：C1，C2，C3是常數(shù)，T是燈絲的溫度，T0是管壁的溫度。當(dāng)前第44頁\共有48頁\編于星期三\14點工作時，燈絲加熱功率一定：加熱與散熱達到熱平衡，

Q燈絲=Q1+Q2+Q3；當(dāng)氣壓變化時，燈絲溫度隨之變化，以保持平衡態(tài)。顯然，氣壓越高，平衡態(tài)所對應(yīng)的燈絲溫度越低。

因此，用熱電偶測出燈絲的溫度，就可以換算出相應(yīng)的環(huán)境壓強。特點：儀器結(jié)構(gòu)簡單、使用方便缺點：測量