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镀膜基础知识

光学薄膜技术的分类:物理气相沉积俗称真空镀膜,设计物理特性间的能量转换等等。化学气相沉积主要是通过相关物质的化学反应而形成满足功能需求的致密层。

一、真空度

真空度:真空状态气体稀薄程度的物理量,采用与压强相同的计量法。真空度的单位:pa、toor、mba。

真空区间的划分:

粗真空:10-5—102pa;       低真空:102—10-1pa

高真空:10-1—10-6pa;      超高真空:<10-5pa

真空镀膜技术:真空蒸发镀膜法是物理气相沉积的基本方法之一,是指在真空条件下,加热蒸发容器中的镀膜材料,使其原子或分子从表面蒸发或气化逸出,形成蒸气流,入射到基本表面,凝结生成固态薄膜。薄膜形成的过程是由气相到吸附相、再到固相的相变过程,其成膜过程可以分为三步骤:

(1)将镀膜材料从固态变为气态;

(2)镀膜材料的气态原子或分子或离子运动到达基片表面;

(3)镀膜材料的气态原子或分子或离子沉积在基片上并逐渐形成薄膜。

二、真空系统

主要是有几种常见真空泵来实现,一般来说,小型的真空镀膜机采用“高真空油扩散泵+低真空机械泵+低温冷阱”。大型的真空镀膜机采用的是“高真空油扩散泵+低真空机械泵+罗茨泵+低温冷阱”。

(1)机械泵

作用:机械泵是利用机械物理的对被抽容器进行抽气而获得真空的设备;属于前期抽气。

原理:建立在玻意耳—马涅特定律的基础上的。即:一定质量的空气,在温度保持不变时,它的压强和体积成反比。

泵的核心部分是固定在定子内转动的偏心转子,转子内有一对旋片,通过旋片内的弹簧张力使旋片的端点始终与(定子)内壁内合,在(定子)的上方有一个气体入口和配有排气瓣阀,当转子转动时,入口处有气体被抽入泵体,继续转动将气体通过排气瓣阀排出,从而实现抽气过程,当转子停转动时排气瓣阀就会立刻关闭,避免油进入定子,出现油倒流的现象发生。

(2)罗茨泵

罗茨泵是利用一对8字型转子在泵壳中保持一定的间隙,作等速反向旋转而产生吸气和排气作用的。

罗茨泵主要特点:

1、在1—100pa入口压力范围内具有大抽速。

2、泵腔无油,避免油蒸汽污染真空系统。

3、机械摩擦损失小,故驱动功率小。

4、易于维护和维修,费用低,寿命高。

5、不可单独使用,必须配置前级泵。不允许在大气压力下启动,待前级泵将罗茨泵入口压力抽到允许入口压力时方可启动。

6、罗茨泵不允许高压差时工作,否则将会过载和过热而损坏,因此使用罗茨泵真空泵时必须合理地选用前级真空泵,安装必要的保护设备。

(3)扩散泵

扩散泵油通过底部电炉加热之后变成油分子蒸汽,大量油蒸汽向上蒸发,然后通过泵体内各级喷嘴喷出,将真空室空气分子往下压由罗茨泵或机械泵抽出,因为扩散泵体周围有冷却水冷却,而油蒸汽喷到泵体上遇冷之后,大部分变成液体顺着泵体流到底部,然后再加热、蒸发、喷射、冷却循环整个过程实现抽真空的过程。

三、真空计

真空计用以探测低压空间稀薄气体压力所用的仪器称为真空计。真空计种类繁多,工作原理各异,除极少数几种是直接测量压力外,其它几乎都是间接测量压力的。

间接测量真空计压力为10-1pa时,作用在每平方厘米表面上的力只有10-5N,显然测量这样小的力是困难的。但可根据低压下与气体压力有关的物理量的变化来间接测量压力的变化。

真空计一般分为压缩式真空计、热传导真空计、热辐射真空计、电离真空计、放电管指示器、粘滞真空计、场致显微仪、分压力真空计。

(1)电阻真空计

电阻式真空规是利用电热丝的电阻温度特性和温度随着压强变化关系,将压强变换为电阻测量。工作原理是:真空度不同,单位体积内的空气分子数就不同,对于正在发热的电阻丝带走热量的能力就不同,电阻丝温度就不同,因为电阻丝的电阻率是温度的函数,所以不同的真空度就引起电阻率的不同,则电阻就不同,电流在电阻丝上的压降就不同,根据电压的变化就能换算出空气压强。

(2)电阻真空计

电阻式真空规是利用电热丝的电阻温度特性和温度随压强变化关系,将压强变换为电阻测量。工作原理是:真空度不同,单位体积内的空气分子数就不同,对于正在发热的电阻丝带走热量的能力(散热能力)就不同,电阻丝温度就不同,因为电阻丝的电阻率是温度的函数,所以不同的真空度就引起电阻率的不同,则电阻就不同,电流在电阻丝上的压降就不同,根据电压的变化就能换算出空气压强。

(3)电离真空计

电离真空计分为:热阴极电离真空计和冷阴极电离真空计两种。

由灯丝加热提供电子源的电离真空计称为热阴极电离真空计。

热阴极电离真空计由测量规管和电气测量电路组成。规管功能是把非电量的气体压力转换成电量—离子电源。

冷阴极电离真空计与热阴极电离真空计一样,是利用低压力下气体分子的电离电流与压力有关的特性,用放电电流作为真空度的测量,由电流表指示出来。

热阴极电离真空计是由热阴极发射电子,而冷阴极电离真空计是靠冷发射(场致发热、光电发射、气体被宇宙射线电离等)所产生的少量初始自由电子。

冷阴极电离真空规,没有热阴极,不怕大气冲击,但其测量误差较大

(4)复合真空计

复合真空计是由二路皮拉尼电阻真空计和一路热阴极电离真空计组合而成。

四、热蒸发系统

A  电阻蒸发(俗称阻蒸):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材料汽化或升华。常用蒸发源的有钨、钼等。

电阻加热蒸发镀膜:是将钨、钼、钽等高熔点金属做成适当形状的蒸发源,利用蒸发源通电后产生电阻热而获得高温以此来熔融膜料使其达到蒸发的目的。

蒸发源的形状可根据蒸发材料的性质,结合考虑与蒸发源材料的湿润性,制作成不同的形状。

缺点:1、被蒸发的膜料的熔点不能太高

            2、膜料容易分解

            3、膜料获取的初始动能低,填充的膜层致密性不好,机械强度差

            4、蒸发源和被蒸发的膜材料不能有活跃的化学特性

B  电子束加热蒸发:灯丝通过大电流被激发形成电子流,电子流被加速的同时,有电磁场使其聚成细束,并在偏转线圈的作用下对准坩埚内的膜料,造成局部高温而汽蒸发,化简单说就是能量转换,电能转化为动能,再转化为势能,最终形成膜层产生内能。

缺点:不能实现块状材料的重复使用。

五、国产机镀膜温飘

国产机由于离子源能力弱,膜层致密性较差,镀后光谱中心波长会往厚漂移1.5%左右(AR-1500约20—25nm)。

Leybold APS1104 温飘2-5nm左右

光驰 离子源能量大,温飘微小0.5nm;

Veeco 能量最强,无温飘。

镀制成膜的机制是由岛状结构开始,除了横向,同时每一点上也有纵向生长,由于动能不足形成自我掩影现象,因而堆积成柱状结构。

由于毛细管现象,这些柱状结构的孔会吸满水,造成薄膜光学属性额改变。

薄膜的为光结构与大块材料不同呈多孔的柱状结构,牢固度和硬度,耐潮湿本领下降、光的散射和吸收损失加大导致耐激光损失能力下降,折射率随外界环境发生变化。

薄膜的聚集密度就很重要,影响因素:离子源能量,烘烤温度....



                                                                                                                                                                                                                                                                                         






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