第三章光学薄膜的制备课件

1、光学薄膜的制备光学薄膜的制备v 一些光学零件的光学表面需要用物理方一些光学零件的光学表面需要用物理方法或化学方法镀上一层或多层薄膜，使得光法或化学方法镀上一层或多层薄膜，使得光线经过该表面的反射光特性或透射光持性发线经过该表面的反射光特性或透射光持性发生变化，许多机械加工所采用的刀具表面也生变化，许多机械加工所采用的刀具表面也需要沉积一层致密的、结合牢固的超硬镀层需要沉积一层致密的、结合牢固的超硬镀层而使其得以硬化，延长其使用寿命，改善被而使其得以硬化，延长其使用寿命，改善被加工部件的精度和光洁度。加工部件的精度和光洁度。 v 目前，作为物理镀膜方法的真空镀目前，作为物理镀膜方法的真空镀膜，尤

2、其是纳米级超薄膜制作技术，己膜，尤其是纳米级超薄膜制作技术，己广泛地应用在电真空、无线电、光学、广泛地应用在电真空、无线电、光学、原子能、空间技术等领域及我们的生活原子能、空间技术等领域及我们的生活中。中。v 真空镀膜实质上是在高真空状态下真空镀膜实质上是在高真空状态下利用物理方法在镀件的表面镀上一层薄利用物理方法在镀件的表面镀上一层薄膜的技术，它是一种物理现象。膜的技术，它是一种物理现象。v真空蒸发镀膜：真空条件下加热材料，使真空蒸发镀膜：真空条件下加热材料，使薄膜材料的分子或原子以直线形式向四周薄膜材料的分子或原子以直线形式向四周蒸发，从而在被镀零件表面沉积成均匀薄蒸发，从而在被镀零件表面

3、沉积成均匀薄膜。膜。1.低真空的获得低真空的获得 获得低真空常采用机械泵，机械泵是运用获得低真空常采用机械泵，机械泵是运用机械方法不断地改变泵内吸气空腔的体积，使机械方法不断地改变泵内吸气空腔的体积，使被抽容器内气体的体积不断膨胀，从而获得真被抽容器内气体的体积不断膨胀，从而获得真空的装置。它可以直接在大气压下开始工作，空的装置。它可以直接在大气压下开始工作，极限真空度一般为极限真空度一般为1.331.331.331.331010- -1 1PaPa，抽气速抽气速率与转速及空腔体积率与转速及空腔体积V V的大小有关，一般在每秒的大小有关，一般在每秒几升到每秒几十升之间。几升到每秒几十升之间。

4、l旋片式机械泵通旋片式机械泵通常由转子、定子、常由转子、定子、旋片等结构构成。旋片等结构构成。偏心转子置于定子偏心转子置于定子的圆柱形空腔内切的圆柱形空腔内切位置上，空腔上连位置上，空腔上连接进气管和出气阀接进气管和出气阀门。转子中镶有两门。转子中镶有两块旋片，旋片间用块旋片，旋片间用弹簧连接，使旋片弹簧连接，使旋片紧压在定子空腔的紧压在定子空腔的内壁上。转子的转内壁上。转子的转动是由马达带动的，动是由马达带动的，定子置于油箱中，定子置于油箱中，油起到密切、润滑油起到密切、润滑与冷却的作用。与冷却的作用。l 当转子顺时针转动时，空气由被抽容器通过当转子顺时针转动时，空气由被抽容器通过进气管被吸

5、入，旋片随着转子的转动使与进气管进气管被吸入，旋片随着转子的转动使与进气管相连的区域不断扩大，而气体就不断地被吸入。相连的区域不断扩大，而气体就不断地被吸入。当转子达到一定位置时，另一旋片把被吸入气体当转子达到一定位置时，另一旋片把被吸入气体的区域与被抽容器隔开，并将气体压缩，直到压的区域与被抽容器隔开，并将气体压缩，直到压强增大到可以顶开出气口的活塞阀门而被排出泵强增大到可以顶开出气口的活塞阀门而被排出泵外，转子的不断转动使气体不断地从被抽容器中外，转子的不断转动使气体不断地从被抽容器中抽出。抽出。（1）高真空的获得）高真空的获得 l 目前，广泛使用的获得高真空的泵就是扩目前，广泛使用的获得

6、高真空的泵就是扩散泵。扩散泵是利用气体扩散现象来抽气的，它散泵。扩散泵是利用气体扩散现象来抽气的，它不能直接在大气压下工作，而需要一定的预备真不能直接在大气压下工作，而需要一定的预备真空度（空度（1.330.1331.330.133PaPa）。）。油扩散泵的极限真空油扩散泵的极限真空度主要取决于油蒸汽压和气体分子的反扩散，一度主要取决于油蒸汽压和气体分子的反扩散，一般能达到般能达到1.331.331010-5-51.331.331010-7-7PaPa。抽气速率与抽气速率与结构有关，每秒几升结构有关，每秒几升 几百升不等。几百升不等。 油扩散泵的结构如示意图油扩散泵的结构如示意图 （2）真空度

7、的测量）真空度的测量v热电偶真空计和电离真空计热电偶真空计和电离真空计l 热偶真空计是用在低气压下气体的热导率热偶真空计是用在低气压下气体的热导率与气体压强间有依赖关系制成的。它通常用来测与气体压强间有依赖关系制成的。它通常用来测量低真空，可测范围为量低真空，可测范围为13.330.133313.330.1333PaPa。其中有其中有一根细金属丝（铂丝或钨丝）以恒定功率加热，一根细金属丝（铂丝或钨丝）以恒定功率加热，则丝的温度取决于输入功率与散热的平衡关系，则丝的温度取决于输入功率与散热的平衡关系，而散热取决于气体的热导率。管内压强越低，即而散热取决于气体的热导率。管内压强越低，即气体分子越稀

8、薄，气体碰撞灯丝带走的热量就越气体分子越稀薄，气体碰撞灯丝带走的热量就越少，则丝温越高，从而热偶丝产生的电动势越大。少，则丝温越高，从而热偶丝产生的电动势越大。经过校准定标后，就可以通过测量热偶丝的电动经过校准定标后，就可以通过测量热偶丝的电动势来指示真空度了。势来指示真空度了。 mVTQP测量范围：测量范围：100 10100 10-1-1 Pa Pal电离真空计是根据气体分子与电子相互碰撞产生电离真空计是根据气体分子与电子相互碰撞产生电离的原理制成的。它用来测量高真空度，可测范电离的原理制成的。它用来测量高真空度，可测范围为围为0.1331.3310-6Pa。实验表明，在压强。实验表明，在

9、压强P10-1Pa时，有下列关系成立时，有下列关系成立 I+/Ie=K P 其中其中Ie为栅极电流，为栅极电流，P为气体压强，为气体压强，I+为灯丝发为灯丝发出电子与气体分子碰撞后使气体分子电离产生正离出电子与气体分子碰撞后使气体分子电离产生正离子而被板极收集形成的离子电流。子而被板极收集形成的离子电流。K为比例常数。可为比例常数。可见，见，Ie不变，经过用绝对真空计进行校准，不变，经过用绝对真空计进行校准，I+的值就的值就可以指示真空度了。注意，只有在真空度达到可以指示真空度了。注意，只有在真空度达到10-1Pa以上时，才可以打开电离规管灯丝。否则，将造成以上时，才可以打开电离规管灯丝。否则

10、，将造成规管损坏。规管损坏。薄膜蒸发技术薄膜蒸发技术v热蒸发镀膜热蒸发镀膜 v溅射镀膜溅射镀膜 v离子镀膜离子镀膜 热蒸发：材料被加热时，其原子就会从表面逸出热蒸发：材料被加热时，其原子就会从表面逸出热蒸发有四种类型。热蒸发有四种类型。 电阻加热源：用难熔金属如钨、钽制成舟箔电阻加热源：用难熔金属如钨、钽制成舟箔或丝状或丝状, ,通以电流通以电流, ,加热在它上方的或置于坩加热在它上方的或置于坩埚中的蒸发物质电阻加热源主要用于蒸发埚中的蒸发物质电阻加热源主要用于蒸发CdCd、PbPb、AgAg、AlAl、CuCu、CrCr、AuAu、NiNi等材料。等材料。 电子束加热源：适用于蒸发温度较高（

11、不低电子束加热源：适用于蒸发温度较高（不低 于于2000618-12000618-1）的材料，即用电子束轰击材）的材料，即用电子束轰击材料使其蒸发。料使其蒸发。 高频感应加热源：用高频感应电流加热坩埚高频感应加热源：用高频感应电流加热坩埚和蒸发物质。和蒸发物质。1.1. 激光加热激光加热v磁控溅射的工作原理如图所示。与一般溅射磁控溅射的工作原理如图所示。与一般溅射相比，磁控溅射的不同之处是在靶表面设置相比，磁控溅射的不同之处是在靶表面设置一个平行于靶表面的横向磁场，此磁场是放一个平行于靶表面的横向磁场，此磁场是放置于靶内的磁体产生。电子在电场的作用下置于靶内的磁体产生。电子在电场的作用下加速飞

12、向基体的过程中与氩原子发生碰撞，加速飞向基体的过程中与氩原子发生碰撞，若电子具有足够大的能量则电离出和另一个若电子具有足够大的能量则电离出和另一个电子电子飞向基体，在电场的作用下加速飞电子电子飞向基体，在电场的作用下加速飞向阴极靶并以高能量轰击靶表面，使靶产生向阴极靶并以高能量轰击靶表面，使靶产生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基体上形成薄膜。沉积在基体上形成薄膜。真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 真空溅射镀膜真空溅射镀膜 真空离子镀膜真空离子镀膜 三种镀膜方式的比较三种镀膜方式的比较比较项目比较项目 真空蒸发镀真空蒸发镀膜膜 真空溅射镀真空溅射镀膜膜 真空离子镀真空离子镀膜膜 压强（压强（133Pa133Pa） 1010-5-51010-6-6 0.150.02 0.150.02 0.020.005 0.020.005 粒子能量粒子能量 中性中性 0.11eV 0.11eV 110eV 110eV 0.11eV 0.11eV 离子离子 数百到数千数百到数