光学制造技术第13章-镀膜.ppt

第13章光学镀膜 西安工业大学徐均琪 第一节绪论 一 薄膜附着于 基底 且与基底不同质的非自持性涂层 thinfilm 薄膜 coating 覆盖 包裹物 涂层 layer 层状物 foil 箔 和光的波长同量级 以一个微米为界限 随着科学技术的发展 现在几十微米的膜也称为薄膜 田民波 刘德令 薄膜科学与技术手册 机械工出版社1991 二 薄膜的作用 薄膜的作用在于改进基底的性能或功能 1 实现特定的光学特性光学薄膜AR HR IR cut filter RGB2 优化表面性能 改善表面特性TiN SiC DLC DF3 进行微细加工 实现微制造 电子线路 光学薄膜 生物薄膜 4 产生新功能特性滤光片 场效应管 传感器 三 薄膜的分类及材料 薄膜分类按照薄膜的材料 金属薄膜 介质薄膜 半导体薄膜按照薄膜的用途 光学薄膜 导电薄膜 工具薄膜 保护薄膜 耐摩擦磨损 抗酸碱盐腐蚀 电子薄膜 存储薄膜 传感薄膜 气敏 光敏 烟雾 压电等 超导薄膜 装饰薄膜 薄膜材料一般指固体薄膜 但也存在气体薄膜 空气轴承 和液体薄膜 向列型液晶薄膜 四 薄膜的制备方法 镀膜方法 湿法 干法 CVD PVD 电镀 化学镀 常压CVD 低压CVD 光CVD 金属有机物热分解CVD PECVD 热蒸发 离子束辅助蒸发 溅射 离子镀 射频 直流 射频直流 直流脉冲 微波 高温 中温 五 光学薄膜的理论基础 光的本质 遵守的基本物理定律 光学薄膜的特殊性 多层膜计算 六 光学薄膜的应用 眼镜镀膜 AR幕墙玻璃滤光片液晶领域车灯 冷光镜 舞台灯光滤光片光通信领域 DWDM 光纤薄膜器件红外膜激光领域 激光反射腔高反射膜CD DVD驱动器投影显示数码领域 规整膜系 各层薄膜的光学厚度为设计波长的四分之一 设计波长 参考波长 中心波长 膜系 G HLM AG代表基底H L M 代表高 低 中 折射率膜层并且光学厚度为设计波长的四分之一A代表出射介质 一般为空气 第二节光学薄膜的基本类型 2 1减反射膜 AR 光学元件表面反射造成的问题光能量损失 使像的亮度降低 杂散光造成像的衬度降低 分辨率下降 1 单层AR膜的光谱 单层减反射膜G L A1 52 1 38 1 对常用的多数基底材料 满足的膜料并不存在 所以很难实现零反射 V形减反射效果 只能实现孤立波长点的零反射 色中性差 2 双层减反射膜 缺点 1 剩余反射率还太高2 通带越来越窄 和单层膜比较 3 破坏色平衡 G HL A1 52 1 7 1 38 1 三层减反射膜G MHHL AG M2HL A 三层减反射膜G MHHHHL AG M4HL A 3 多层减反射薄膜的设计 大功率太阳能反射镜 微波反射镜 巨大先进反射镜计划 LAMP 离轴抛物面反射镜 2 2高反射膜 1 金属高反膜 金属反射膜的特点 A 高反射区宽 B 偏振效应轻微 C 膜层与基底附着性能差距很大 Al Cr Ni与玻璃附着力强 Au Ag与玻璃附着力差 D 膜层化学稳定性差 易被环境气体腐蚀 E 机械性能差 软 2 金属 介质组合高反膜 金属 介质 组合存在的问题 A 只在较小波段有增加反射率的作用 而在很宽波段有减反作用 B 反射率无法接近100 最高可达96 C 由于有吸收 不适用于激光系统 3 介质高反膜 多层介质高反射膜G HLHLH A G HL 4H A G HL H A G HL 16H A G HL 32H A G 0 9a0 9b0 9a0 9b0 9a0 9b0 9a0 9b0 9ab1 2a1 2b1 2a1 2b1 2a1 2b1 2a1 2b A 反射带展宽 2 3分束膜 中性分束膜 按一定透反比T R将一束光一分为二 特点 所有波长分光比相同 零件结构 平板 胶合立方棱镜 膜系类型 金属 介质 金属 介质 全介质 G Ag 5nm A 一 金属分束膜 G Al 5nm A G Cr 15nm A G Cr 16nm Ni 6nm A 金属分光镜的正确放置 GlZnS Ag ZnSlA可见光的中性1 1分光 R T 90 厚度为 280 1 2 120 二 介质 金属分束膜 单层分光膜G H AG TiO2 A 三 介质分束膜 多层分光膜G HLHL A入射角45度2 351 38 多层分光膜G 2LHLHL A 多层分光膜G HL 8 G45度入射基片折射率1 66 2 38 1 35 2 4截止滤光片 截止滤光片某一波长范围的光束高透射 而偏离这一波长的光束骤然变化为高反射 抑制 的波段选择截止滤光片 分类吸收型薄膜干涉型吸收与干涉组合型 长波通滤光片 短波通滤光片 截止滤光片的特性参数 1 截止波长 2 通带宽度 平均透射率 最小允许透射率 3 阻带宽度 平均反射率 最大允许透射率 4 过渡区曲线陡度 过渡区的波长宽度 设计波长 550nm 膜系适合于短波通滤光片 膜系适合于长波通滤光片 1 分色镜三基色分色 消红 消蓝 2 宽带通滤光片 短波通 长波通 3 太阳能利用A 热镜 对阳光 0 35 3 m 高透过 对室温辐射 3 50 m 高反射 B 太阳屏 可见光0 4 0 75 m高透 热辐射 大于0 75 m 高反 截止滤光片的应用 第三节光学薄膜制造技术 常温常压下 气体分子质量密度 1 28 10 6g mm3每克气体分子含分子个数 2 08 1022个 g 气体分子距离 3 34 10 6mm 气体分子的空间密度 2 68 1016个 mm3大气PVD存在的问题 A 空气中活性气体分子与膜层 膜料 蒸发器反应 B 空气分子进入膜层成为杂质 C 蒸发膜料大多因碰撞而无法直线到达被镀件 光学薄膜器件主要采用真空环境下的热蒸发方法制造 一 热蒸发镀膜技术 1 常用电阻蒸发源 2 电子束加热 电子枪结构 直枪 2700e型 1800c型 二 磁控溅射 溅射 用高速正离子轰击膜料 靶 表面 通过动量传递 使其分子或原子获得足够的动能而从靶表面逸出 溅射 在被镀件表面凝聚成膜 磁控溅射的新技术 非平衡磁控溅射 三 离子束溅射 用离子源发射的离子束直接轰击靶材 使其溅射 沉积到零件表面成膜 四 离子镀 热蒸发镀膜技术的优缺点 优点 设备简单 大多数材料都可以作为膜层材料蒸发 缺点 膜层不能重复再现块状材料的性能 原因 膜层的微观柱状结构 改进措施 改中性粒子沉积为带电离子在电场辅助 作用 下的电沉积 1 原理 兼有热蒸发的高成膜速率和溅射的高能离子轰击膜层的双优效果 2 特点 1 膜层附着力强 注入和溅射所致 2 绕镀性好 原理上 电力线所到之处皆可镀上膜层 有利于面形复杂零件膜层的镀制 3 膜层致密 溅射破坏了膜层柱状结构的形成 4 成膜速率高 热蒸发的成膜速率 5 可在任何材料的工件上镀膜 绝缘体可施加高频电场 五 离子束辅助沉积IAD Ionassisteddeposition 在热蒸发镀膜技术中增设离子发生器 离子源 产生离子束 在热蒸发进行的同时 用离子束轰击正在生长的膜层 形成致密均匀结构 聚集密度近于1 使膜层的稳定性提高 达到改善膜层光学和机械性能的目的 单栅 无栅 离子束辅助用离子源 等离子体源 End hall源 等离子体源 APS 德国莱宝公司APS源 第四节薄膜厚度监控 介质薄膜能量反射率随膜层厚度的变化规律 一 光电极值法 利用光电测光方法测量正在镀制膜层的T或R随膜层厚度增加过程中的极值个数 获得以 4为单位的整数厚度的膜层 1 原理 由单层介质膜层的反射率公式 其中 当 m 1 2 3 时 R或T就为极值 意即 对一个确定的 当时 T或R有极值 对一个确定的n1d1 当时 T或R有极值 至此形成极值法监控膜层厚度的基础 当选定一个 作为监控波长时 只要膜层的光学厚度是 4的整数倍 其透射和反射光信号就具有一个或多个可供明确判断的极值 对一个欲得到的膜层任意光学厚度 n1d1 一定存在一个或数个波长的光可用来依极值法原理监控其厚度 2 典型装置 3 提高极值法监控精度的方法补偿法 微分法 利用微分电路 将变化率最小的极值点改为对应变化率大的微分信号的零点 即 T或R的极值点判读改为 零点 定值 判定 由于微分信号在零点处变化率最大 判读误差也就最小 极值法监控的特点 只能用于监控光学厚度 不能用来监控几何厚度 只能用于监控四分之一波长厚度 对于监控任意厚度无能为力 二 石英晶振法 利用石英晶体的压电效应 测量石英晶体振动频率或周期随石英晶片厚度的变化量 达到测量沉积在石英晶片上的膜层厚度的目的 晶控与光控比较 光控 直接控制光学膜层的目标特性参数T或R 不同膜层的厚度误差有相互补偿作用 对膜层厚度的控制精度较低 晶控 控制