薄膜光学技术-4-1教程文件

1、薄膜光学技术-4-1蒸气入射角与柱状结构的蒸气入射角与柱状结构的生长方向之间的关系：生长方向之间的关系：tgtg2薄膜聚集密度薄膜聚集密度P: 产生柱状结构的原因：产生柱状结构的原因：1. 沉积分子的有限迁移率2. 已经沉积分子对后继沉积分子的阴影效应空隙）薄膜的总体积（柱体（柱体的体积）薄膜中固体部分的体积pvsfnPPnn1影响薄膜聚集密度的因素影响薄膜聚集密度的因素:基底温度；基底温度；沉积速率；沉积速率；真空度；真空度；沉积入射角；沉积入射角； 离子轰击。离子轰击。热蒸发制备的薄膜柱状结构照片热蒸发制备的薄膜柱状结构照片4.2 影响膜层质量的工艺要素影响膜层质量的工艺要素uPVD基本工

2、艺过程基本工艺过程:工艺参数对薄膜性能的影响工艺参数对薄膜性能的影响基片基片材料材料基片基片清洁清洁离子离子轰击轰击初始初始材料材料蒸发蒸发方法方法蒸发蒸发速率速率真空真空度度基片基片温度温度蒸汽入蒸汽入射角射角烘烤烘烤处理处理折射率折射率透射率透射率散射散射几何厚度几何厚度应力应力附着力附着力硬度硬度温度稳定性温度稳定性不溶性不溶性抗激光辐射抗激光辐射缺陷缺陷工艺参数对薄膜性能影响严重；工艺参数对薄膜性能影响严重； 表示有关系；表示有关系； 表示有依赖关系表示有依赖关系4.2.1 影响膜层质量的工艺要素及作用机理影响膜层质量的工艺要素及作用机理1. 真空度真空度 残余气体分子与膜料分子的碰撞

3、，导致蒸发残余气体分子与膜料分子的碰撞，导致蒸发的膜料分子或原子的能量损失和化学反应，致使的膜料分子或原子的能量损失和化学反应，致使膜层聚集密度低，膜层疏松膜层聚集密度低，膜层疏松，化学成分不纯化学成分不纯，从，从而使膜层折射率、硬度和不溶性变差。而使膜层折射率、硬度和不溶性变差。 提高真空度可使膜层的结构得到改善，化学提高真空度可使膜层的结构得到改善，化学成分变纯，但一般情况下会成分变纯，但一般情况下会增大膜层的应力增大膜层的应力。2.沉积速率（蒸发速率）沉积速率（蒸发速率） 低的沉积速率低的沉积速率会导致会导致蒸气分子从基底返回蒸气分子从基底返回，晶，晶核生长缓慢，结晶只能在大的聚集体上进

4、行，从而核生长缓慢，结晶只能在大的聚集体上进行，从而导致膜层结构疏松；导致膜层结构疏松；高的沉积速率高的沉积速率下会形成颗粒下会形成颗粒细细小而致密的膜层小而致密的膜层，膜层散射小，牢固度高。，膜层散射小，牢固度高。提高沉积速率的方法：提高沉积速率的方法： 提高蒸发源温度；提高蒸发源温度；增大蒸发源面积。增大蒸发源面积。 沉积速率沉积速率单位时间内在被镀基底表面上形成单位时间内在被镀基底表面上形成的膜层厚度，单位为的膜层厚度，单位为nm/s。 速率是动能的又一表征，它对膜层的速率是动能的又一表征，它对膜层的折射率折射率、牢固度牢固度、机械强度机械强度、应力应力、附着力附着力有明显影响。有明显影

5、响。 基底温度是膜层生长的重要条件之一。它对基底温度是膜层生长的重要条件之一。它对膜层原子或分子膜层原子或分子提供额外能量补充提供额外能量补充，对膜层，对膜层结构、结构、凝聚系数、膨胀系数和聚集密度凝聚系数、膨胀系数和聚集密度起着重要的作用。起着重要的作用。宏观反映在膜层折射率、散射、应力、附着力、宏观反映在膜层折射率、散射、应力、附着力、硬度和不溶性都会因基片温度的不同而有较大差硬度和不溶性都会因基片温度的不同而有较大差异。异。3.基底温度基底温度(1).冷基底：金属膜或光学塑料基底；冷基底：金属膜或光学塑料基底；(2).高基底温度的优点：高基底温度的优点： 使基底表面的使基底表面的残余气体

6、解吸附残余气体解吸附，增加基底与沉积分子之间的，增加基底与沉积分子之间的结合力结合力； 增强分子之间的相互作用，使膜层致密，提高附着力增强分子之间的相互作用，使膜层致密，提高附着力；(3).基底温度过高基底温度过高，也会使膜层结构变化、，也会使膜层结构变化、膜料分解膜料分解、不利成膜。不利成膜。 1). 镀前轰击：镀前轰击：使基片表面因离子溅射剥离而再清使基片表面因离子溅射剥离而再清洁和电活化，提高膜层在基片表面的凝聚系数和附洁和电活化，提高膜层在基片表面的凝聚系数和附着力；着力； 2).镀中和镀后轰击镀中和镀后轰击：提高膜层的聚集密度，促进：提高膜层的聚集密度，促进化学反应，使氧化物膜层的透

7、过率增加，折射率提化学反应，使氧化物膜层的透过率增加，折射率提高，硬度和抗激光损伤阈值提高。高，硬度和抗激光损伤阈值提高。4.离子轰击的作用离子轰击的作用5.基片材料基片材料 1). 膨胀系数不同膨胀系数不同 热应力；热应力； 2). 化学亲和力不同化学亲和力不同 影响膜层附着力和牢固度影响膜层附着力和牢固度; 3). 表面粗糙度和缺陷表面粗糙度和缺陷 散射的主要来源。散射的主要来源。残留在基片表面的污物和清洁剂将导致：残留在基片表面的污物和清洁剂将导致： 1）. 膜层对基片的附着力差膜层对基片的附着力差； 2）. 散射吸收增大抗激光损伤能力差；散射吸收增大抗激光损伤能力差； 3）. 透光性能

8、变差。透光性能变差。6.基片清洁基片清洁7.膜层材料膜层材料 膜料的膜料的化学成分化学成分（纯度（纯度/杂质种类）、杂质种类）、物理物理状态状态（粉（粉/块）和块）和预处理预处理（真空烧结（真空烧结/锻压）影响锻压）影响膜层结构和性能。膜层结构和性能。8.蒸发方法蒸发方法 不同蒸发方法不同蒸发方法提供给蒸发分子和原子的初始提供给蒸发分子和原子的初始动能差异很大动能差异很大，导致膜层结构有较大差异，表现，导致膜层结构有较大差异，表现为折射率、散射、附着力有差异。为折射率、散射、附着力有差异。9.蒸气入射角蒸气入射角 影响膜层的生长结构和聚集密度。对膜层的折影响膜层的生长结构和聚集密度。对膜层的折

9、射率和散射性能有较大影响。一般应限制在射率和散射性能有较大影响。一般应限制在30之内。之内。10.镀后烘烤处理镀后烘烤处理 在大气中对膜层加温处理，有助于在大气中对膜层加温处理，有助于应力释放应力释放和和环境气体分子及膜层分子的热迁移，可使膜层结构环境气体分子及膜层分子的热迁移，可使膜层结构重组。因此，可使膜层折射率、应力、硬度有较大重组。因此，可使膜层折射率、应力、硬度有较大改变。改变。注意：以上所述的注意：以上所述的10个工艺因素对膜层性能的影响，是依个工艺因素对膜层性能的影响，是依据实际工艺项目和膜层宏观性能统计汇总得出的。据实际工艺项目和膜层宏观性能统计汇总得出的。综合分析结果综合分析

10、结果 PVD工艺因素对膜层性能的影响，工艺因素对膜层性能的影响，主要集中在主要集中在三类工三类工艺因素艺因素对膜层对膜层四种性能四种性能的作用上：的作用上： 显然，成膜原子显然，成膜原子/分子迁移能和凝聚力的大小，几乎对膜分子迁移能和凝聚力的大小，几乎对膜层的所有性能都有影响。因此，层的所有性能都有影响。因此，PVD技术的发展，几乎技术的发展，几乎都是针对提高成膜粒子迁移能，凝聚力而进行的。都是针对提高成膜粒子迁移能，凝聚力而进行的。工艺作用工艺作用膜层性能膜层性能迁迁移移能能膜原子膜原子凝凝聚聚力力制制膜膜环环境境化化条条件件物物 膜与基膜与基化化差差异异物物 聚聚集集密密度度附附着着力力应

11、力应力缺缺陷陷 主要工艺因素对薄膜性质的影响主要工艺因素对薄膜性质的影响 4.2.2.提高膜层机械强度的工艺途径提高膜层机械强度的工艺途径 膜层的机械性能受附着力、应力、聚集密度等膜层的机械性能受附着力、应力、聚集密度等的影响，提高膜层的机械强度就应该着重考虑以下的影响，提高膜层的机械强度就应该着重考虑以下几个工艺参数：几个工艺参数：真空度。真空度。提高真空度会增大膜层聚集密，增加膜提高真空度会增大膜层聚集密，增加膜层牢固度，改善膜层结构，使膜层化学成分变纯，但层牢固度，改善膜层结构，使膜层化学成分变纯，但同时应力也增大。同时应力也增大。沉积速率。沉积速率。提高沉积速率不仅可以用提高蒸发速提高

12、沉积速率不仅可以用提高蒸发速率，还可以用增大蒸发源面积的办法来达到。但是采率，还可以用增大蒸发源面积的办法来达到。但是采用提高蒸发源温度的办法有其缺点：使得膜层应力太用提高蒸发源温度的办法有其缺点：使得膜层应力太大；成膜气体易分解。大；成膜气体易分解。基片温度。基片温度。提高基片温度有利于将吸附在基片表提高基片温度有利于将吸附在基片表面的剩余气体分子排除，增加基片与沉积分子之间的面的剩余气体分子排除，增加基片与沉积分子之间的结合力；但基片温度过高会造成膜层变质。结合力；但基片温度过高会造成膜层变质。离子轰击离子轰击。蒸镀前的轰击可以清洁表面，增加附。蒸镀前的轰击可以清洁表面，增加附着力；镀后轰

13、击可以提高膜层聚集密度等，从而是机着力；镀后轰击可以提高膜层聚集密度等，从而是机械强度和硬度增大。械强度和硬度增大。基片清洁。基片清洁。基片清洗方法不适当或不洁净，在基基片清洗方法不适当或不洁净，在基片上残留有杂质或清洁剂，则引起新的污染。片上残留有杂质或清洁剂，则引起新的污染。4.2.3控制膜层折射率的主要工艺途径控制膜层折射率的主要工艺途径控制真空度；控制真空度；控制沉积速率；控制沉积速率；控制基片温度；控制基片温度；控制膜料蒸气分子入射角控制膜料蒸气分子入射角 薄膜沉积速率对膜层折射率的影响基底温度T=300，氧分压3.010-2Pa膜层折射率的工艺稳定性最为重要目视法目视法厚度的三种概

14、念：厚度的三种概念：几何厚度（物理厚度）几何厚度（物理厚度）光学厚度（光学厚度（nd）质量厚度质量厚度（单位面积上的质量，（单位面积上的质量，如已知密度，可转换成几何厚度）如已知密度，可转换成几何厚度）厚度监控方法：厚度监控方法：光电极值法光电极值法石英晶体石英晶体振荡法振荡法光谱法光谱法4.3 膜层厚度监控膜层厚度监控 光学膜层厚度的准确性要求高，监控方法多。光学膜层厚度的准确性要求高，监控方法多。4.3.1 目视法目视法 ： 依据薄膜的依据薄膜的干涉色干涉色变化来控制膜层的厚度。变化来控制膜层的厚度。 利用光电测光方法测量正在镀制膜层的利用光电测光方法测量正在镀制膜层的T或或R随膜层随膜层

15、厚度增加过程中的极值个数，获得以厚度增加过程中的极值个数，获得以/4为单位的整数为单位的整数厚度的膜层。厚度的膜层。1. 原理：原理： 由单层介质膜层的反射率公式由单层介质膜层的反射率公式 122112012220122112012220sinnnnncosnnsinnnnncosnnR 4.3.2光电极值法光电极值法其中：其中： 意即：意即： . 对一个确定的对一个确定的，当，当 时，时， T或或R有极值；有极值； . 对一个确定的对一个确定的n1d1, 当当 时，时， T或或R有极值有极值.111dn2 时， , 3 ,2, 1,411mmdn4mdn11 11dnm4 以上就是以上就是

16、极值法监控膜层厚度的基础极值法监控膜层厚度的基础当当R 或或 T 就为极值。就为极值。o 当选定一个当选定一个作为监控波长时，只要膜层的光作为监控波长时，只要膜层的光学厚度是学厚度是/4的整数倍，其透射和反射光信号就的整数倍，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；具有一个或多个可供明确判断的极值； 例如：例如：0=500nm时时, nd=125nm (1个极值个极值), nd=250nm (2个极值个极值),o 对一个欲得到的膜层任意光学厚度（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一定存在一个或数个波长的光可用来依极值法原理监

17、控其厚度理监控其厚度。 例如：例如： nd=250nm时时, 01=1000nm, (1个极值个极值) 02=500nm, (2个极值个极值) 03=250nm, (4个极值个极值)单层介质薄膜能量反射率随膜层厚度的变化规律单层介质薄膜能量反射率随膜层厚度的变化规律2. 典型装置典型装置 3.极值法使用中存在的两大缺陷极值法使用中存在的两大缺陷o 在在T和和R的极值点，的极值点， 在在T和和R极值点附近，极值点附近， 也很小，也很小，极值点的准确判断是很困难的极值点的准确判断是很困难的。o 对任意膜层厚度对任意膜层厚度 n1d1,虽然理论上存在波长虽然理论上存在波长，当，当n1d1=m /4

18、时，时，T和和R有极值，但是在实际中，由于有极值，但是在实际中，由于用于膜厚监控的光电系统中，光源、光学元件、光电传用于膜厚监控的光电系统中，光源、光学元件、光电传感器、以及膜料透明区的限制，使实际可用的波长感器、以及膜料透明区的限制，使实际可用的波长限制限制在很窄的波段范围内。在很窄的波段范围内。 0dnddT0dnddR1111 或或 1111dnRdnT 和和例如：例如： nd=250nm时时,01=1000nm, (1个极值个极值) 02=500nm, (2个极值个极值) 03=250nm, (4个极值个极值) 4. 极值法监控技巧极值法监控技巧 极值法监控精度不高的主要原因是极值点的

19、判读极值法监控精度不高的主要原因是极值点的判读精度不高所致，也是极值法监控的原理所决定的。精度不高所致，也是极值法监控的原理所决定的。为了克服这一缺点，常用下列方法：为了克服这一缺点，常用下列方法：o. 过正控制过正控制选用比由选用比由nd= /4确定的波长稍确定的波长稍短一点的波长作为监控波长，允许短一点的波长作为监控波长，允许T或或R有一定的有一定的过正量，过正量，让停镀点避开极值点让停镀点避开极值点。o. 高级次监控（短波控制长波）高级次监控（短波控制长波）增大增大T或或R的变的变化化总幅度总幅度(总走值总走值)，减小，减小T或或R的相对判读误差，的相对判读误差，提高膜层厚度的控制精度。

20、提高膜层厚度的控制精度。o. 预镀监控片预镀监控片通过通过提高监控片的提高监控片的Y，增大增大T或或R的变化幅度的变化幅度，减小，减小T或或R的相对判读误差。的相对判读误差。snnY215. 极值法的改进极值法的改进o. 双光路补偿法双光路补偿法 从入射光路中取出一束光信号从入射光路中取出一束光信号参考信号，以此作参考信号，以此作为测量信号的对比和参考的为测量信号的对比和参考的基准信号基准信号，而在膜厚仪上，而在膜厚仪上显示的只是测量信号与参考信号的显示的只是测量信号与参考信号的差值部分差值部分。由此产。由此产生如下优点：生如下优点：o扩大了信号变化部分的幅度，提高了判读精度（最扩大了信号变化

21、部分的幅度，提高了判读精度（最好时可以达到好时可以达到 0.1%）。）。 例：前述的单光路极值法反射光监控精度例：前述的单光路极值法反射光监控精度3% 8%，可相应提高到可相应提高到1% 2.7%.o电源、光源等因素引起的参考信号和测量信号的同电源、光源等因素引起的参考信号和测量信号的同步变化，并不改变差值变化。因此步变化，并不改变差值变化。因此 ，降低了对光源稳降低了对光源稳定性的要求。定性的要求。提高极值法监控精度的方法补偿法. 微分法微分法 利用微分电路，利用微分电路，将变化率最小的极值点将变化率最小的极值点改为改为对应对应变化率大的微变化率大的微分信号的零点分信号的零点。o即：即： T

22、或或R的极值点的极值点判读改为：零点（定值）判读改为：零点（定值）判定；判定；o 由于微分信号在由于微分信号在零点处变化率最大，判零点处变化率最大，判读误差也就最小。读误差也就最小。光电极值法监控的特点光电极值法监控的特点o只能用于监控光学厚度，不能用来监控几何厚度；o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。4.3.3、任意膜厚的单波长监控、任意膜厚的单波长监控p . 对所需的膜层厚度对所需的膜层厚度计算出对应的极值波长，用计算出对应的极值波长，用极值法监控极值法监控。（变波长监控）（变波长监控）o . 对于折射率稳定易重复的膜层，对于折射率稳定易重复的膜层，可以监控非极可以监

23、控非极值波长的值波长的T或或R值。值。(定值法监控定值法监控)p (3). 曲线比拟法曲线比拟法10100101BBAABATTTTTTTT对于理论厚度nd, 对应理论值TA0和TA1,在实际制作时,得到TB0,根据此式计算出TB1,到达TB1时停镀, 即得到厚度nd。实际走值理论走值实际极值（走值）理论极值（走值）4.3.4 石英晶振法石英晶振法o 利用石英晶体的压电效应，利用石英晶体的压电效应，测量石英晶体测量石英晶体振动频率或周期振动频率或周期随随石英晶片厚度石英晶片厚度的变化量，达到测的变化量，达到测量沉积在石英晶片上的膜层厚度量沉积在石英晶片上的膜层厚度的目的。的目的。o依据石英晶片

24、振动频率依据石英晶片振动频率 f 与晶片厚度与晶片厚度dq成反比成反比的原理：的原理：f=N/dq oN由石英晶片决定的常数由石英晶片决定的常数 若在此晶片一个表面镀上膜层厚度为若在此晶片一个表面镀上膜层厚度为 df ，假设对应的等效石英晶片厚度为假设对应的等效石英晶片厚度为dqo 则：利用关系式则：利用关系式 其中：其中： A晶片被镀面积晶片被镀面积 得：得：qqffdAdAm fqfqdd 1. 频移法频移法等效石英晶片厚等效石英晶片厚度度而由而由 微分得：微分得：o 膜层厚度增量引起石英晶片振动频率的变化量为：膜层厚度增量引起石英晶片振动频率的变化量为：o频移法存在的问题频移法存在的问题

25、：o忽略了有膜晶片与无膜晶片忽略了有膜晶片与无膜晶片振动模式振动模式的差异；的差异；o忽略了有膜晶片忽略了有膜晶片连续或继续使用时振动连续或继续使用时振动基频基频f的变化。的变化。 结果导致了频移法在结果导致了频移法在原理上就是近似的原理上就是近似的。qdNf q2qddNf fqffqfqdNfddNf22ffNd2qfqf 2. 周期法周期法o若用若用 和和 分别表示石英晶片的分别表示石英晶片的振动基频振动基频和和初始厚度初始厚度o则：由则：由 可得可得 将将 代入上式，并整理可得：代入上式，并整理可得： o式中：式中： 是无膜石英晶片的振动周期是无膜石英晶片的振动周期 是有膜石英晶片的振

26、动周期是有膜石英晶片的振动周期o o 据此测得膜层厚度据此测得膜层厚度,克服了克服了频移法频移法存在的存在的第二个问题第二个问题。0f0d00dNf q00ddNfff ffNdd0q0 ffqqdd 00qffNNdfff 00Tf1 Tff10 TTNd0fqf 3. 声阻抗法声阻抗法o若将镀膜后石英晶片若将镀膜后石英晶片振动模式振动模式的改变也考虑在膜层厚度的改变也考虑在膜层厚度的计算公式中，则可得出更加精确的测厚公式：的计算公式中，则可得出更加精确的测厚公式：o式中：式中： 分别是膜层和石英晶片的声阻抗值。分别是膜层和石英晶片的声阻抗值。qfZZ 和和 TT1tgTNZZtgZZd0f

27、q1qffqf晶控与光控比较晶控与光控比较o光控：光控：n直接控制光学膜层的目标特性参数直接控制光学膜层的目标特性参数T或或 R；n不同膜层的厚度误差有不同膜层的厚度误差有相互补偿作用相互补偿作用；n对膜层厚度的对膜层厚度的控制精度较低控制精度较低。o晶控：晶控：n控制精度高（控制精度高（1埃），易实现自动控制；埃），易实现自动控制；n可直接监控可直接监控成膜速率成膜速率，便于工艺稳定重复和，便于工艺稳定重复和闭环控制闭环控制；n可控制任意厚度；可控制任意厚度；n 温度对石英晶片的温度对石英晶片的 f 影响大，影响大，需要恒温措施需要恒温措施 (增加水冷却装置增加水冷却装置)。控制电子枪电子束

28、流的大小4.3.5宽光谱膜厚监控宽光谱膜厚监控 o 控制膜层厚度的目的是在预定的波段获得所控制膜层厚度的目的是在预定的波段获得所需要的需要的光谱特性光谱特性。因此，监控膜层厚度的方法，。因此，监控膜层厚度的方法，实际上是在间接地监控膜层光谱特性，是不得已实际上是在间接地监控膜层光谱特性，是不得已而为之的的权宜之计。而为之的的权宜之计。o 如果能在膜层镀制过程中就直接在实际使用如果能在膜层镀制过程中就直接在实际使用的波段监控膜层的波段监控膜层光谱特性光谱特性，那才真正实现了，那才真正实现了最终最终目标函数目标函数的控制。的控制。具体方案：具体方案： 在镀膜机上设置一台在镀膜机上设置一台快速扫描分

29、光光度计快速扫描分光光度计（全光谱（全光谱采样时间小于采样时间小于100mS，波长分辨率优于，波长分辨率优于2nm，波长重复，波长重复性优于性优于1nm，T或或R测量精度测量精度1%），），实现膜层实现膜层 T 或或 R曲线的适时测量曲线的适时测量。 设定合理的设定合理的目标评价函数目标评价函数：宽波段监控的目标（停：宽波段监控的目标（停镀点），是由适时测量光谱函数（曲线）与理论设计的目标镀点），是由适时测量光谱函数（曲线）与理论设计的目标光谱函数（曲线）之差确定的目标评价函数的极小值。光谱函数（曲线）之差确定的目标评价函数的极小值。 适时测量适时测量 n、d值，修正膜系设计值，修正膜系设计，确保达到设计，确保达到设计要求：要求：通过已镀膜层的实际测量光谱曲线，拟算出膜层的通过已镀膜层的实际测量光谱曲线，拟算出膜层的n和和d，并据此，并据此n、d，修正原设计膜系中未镀各层的参数，修正原设计膜系中未镀各层的参数，使使后续膜层镀完后的整个膜系的光谱曲线能达到原设计要求。后续膜层镀完后的整个膜系的光谱曲线能达到原设计要求。u Wide band monitoringd