光学基础及其技术 8

潘永强教授*第三章

光学薄膜制造技术（真空镀膜技术））镀膜制备方法湿法（液相法）化学气相沉积（CVD）化学溶液镀法常压CVD低压CVD光CVD金属有机物CVDPECVD热蒸发离子束辅助蒸发溅射离子镀(PhysicalVaporDeposition)-PVD(ChemicalVaporDeposition)-CVD薄膜制备方法干法（气相法）物理气相沉积（PVD）化学镀(CBD)电镀(ED)溶胶-凝胶(Sol-Gel)液相外延(LPE)喷雾水解（SP）*主要内容薄膜制备技术

（PVD）

热蒸发沉积技术（离子束辅助沉积技术）溅射沉积技术

离子镀沉积技术*主要内容薄膜制备技术（PVD）*热蒸发沉积技术溅射沉积技术离子镀沉积技术电阻热蒸发电子束热蒸发膜料分子动能零点几eV膜料分子动能几个eV膜料分子动能几十eV优点：缺点：原理—电子枪：优点：缺点：二级直流溅射定义—正离子—气体放电射频溅射磁控溅射三个缺点解决1个缺点解决1个缺点射频磁控溅射解决1个缺点工作原理—特点—常见类型离子束溅射（IBS）*3.3

热蒸发镀膜技术光学薄膜器件主要采用真空环境下的热蒸发方法制造。电阻热蒸发电子束热蒸发

*1.电阻加热蒸发电阻加热蒸发原理：低压大电流使高熔点金属制成的蒸发源产生焦耳热，使蒸发源中承放的膜料溶化后气化或直接升华。选用蒸发源应考虑的因素：1.熔点高，热稳定性好；2.蒸发源在工作温度有足够低的蒸气压；3.不与膜料反应；4.高温下与膜料不相湿润；

或相湿润，但不相溶；

5.经济实用。*电阻热蒸发的优点：简单，经济，操作方便。电阻热蒸发的缺点：①不能蒸发高熔点材料；②膜料容易热分解；③膜料粒子初始动能低，膜层填充密度低，机械强度差。电阻热蒸发的特点*蒸发源材料熔点/℃平衡温度/℃蒸气压1×10-6Pa蒸气压1×10-3Pa钨（W）341021172567钽（Ta）299617722407钼（Mo）261715921957铌（Nb）246817622127铂（Pt）195712921612常用蒸发源材料及其特性为了尽可能减小蒸发源的污染，薄膜材料的蒸发温度应低于蒸汽压为10-6Pa时所对应的温度。*常用蒸发源形状：螺旋丝；泊舟；石墨舟；上加热舟；盒*2.电子束加热蒸发工作原理：灯丝通大电流，形成热电子发射流：电子流在电位差为U的电场中被加速至v，由

得（m/S）

例:U=6~10kV时，v=4.6~6×107m/S

如此高速!!若聚焦,能量极高!!电子流被加速的同时，由电磁场使其聚成细束，并对准坩埚内的膜料，造成局部高温而汽化蒸发。在极短时间内温度上升到几千度!!*四种偏转枪

大功率、大范围扫描较小功率、较小扫描范围,用于光学薄膜◆束斑均匀◆扫描速度高◆电子束垂直入射◆避免灯丝沾污、防止材料落到灯丝,寿命长结构*结构直式电子枪C型电子枪e型电子枪*优点：1.电子束焦斑大小可调，位置可控，既方便小坩埚，也方便大坩埚；2.可一枪多坩埚，既易于蒸发工艺的重复稳定，也方便使用多种膜料；3.灯丝易屏蔽保护，不受污染，寿命长；4.使用维修方便。*

所制备膜层特点1.可蒸发高熔点材料（W,Ta,Mo,氧化物，陶瓷，…）；2.蒸发速度易控，方便多源同蒸；3.可快速升温到蒸发温度，化合物分解小；4.膜料粒子初始动能高，膜层填充密度高，机械强度好(相对于电阻热蒸发而言)。*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：将中性粒子沉积改为带电离子在电场辅助下的电沉积。热蒸发镀膜技术的优缺点：离子束辅助沉积,溅射或离子镀*3.4溅射镀膜技术

——

用高速正离子轰击膜料（靶）表面，通过动量传递，使其靶材的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。*溅射镀与热蒸发镀相比较：

优点：膜层在基片上的附着力强；膜层纯度高：可同时溅射多种不同成分的合金膜，或化合物。

缺点：需制备专用镀料；靶利用率低。*

辉光放电溅射

工作原理：利用电极间的辉光放电进行溅射。1、辉光放电基础——

气压在1—10Pa时，高压电极间气体电离形成低压大电流导体，并伴有辉光的气体放电现象。离子—电子与气体分子非弹性碰撞的产物；等离子体—由电子、离子和中性原子组成，对外呈电中性。plasma*（1）

二极直流溅射（阴极溅射/直流溅射）

阴极——靶材；阳极——被镀件。一般情况下，两极间的距离只是阴极暗区宽度的3~4倍即可。2.溅射方式*优点：结构简单，操作方便，可长时间工作。缺点：①成膜速率低——

二极直流辉光放电离化率低（百分之几）所致；②基片温升高（二次电子轰击），不耐高温镀件不宜；③工作气压高，气体对膜层有污染；④不能溅射介质靶材。二极溅射的优缺点*（2）

射频溅射靶材作为一个电极，其上施加高频电压，穿过靶的是位移电流。优点：可溅射介质靶材；工作电压和气压均较直流放电低.缺点：成膜速率低；仍有基片过热问题。电子在高频电压作用下，时而向一个方向运动，时而又向另一个方向运动，这种往返运动，增加了电子和气体分子的碰撞几率，提高了气体的离化率。*（3）

磁控溅射

——

平行于阴极表面施加强磁场，将电子约束在阴极靶材表面近域，提高电离效率，降低基片温升。常见结构

1)平面磁控溅射2)柱面磁控溅射靶为平面阴极,平行于阴极表面的磁场将电子约束在阴极靶材表面附近,

形成高密度等离子体,有效地提高溅射速度;并减少了轰击零件的电子数目,降低了零件因电子轰击的温升。*电子在正交电磁场的作用下作旋轮式运动，并以这种形式沿跑道转圈。1)平面磁控溅射*

2)柱面磁控溅射a,b中，电子反射面：减少二次电子的端部损失，防止二次电子逃逸。C,d中，弯曲的磁场：也可防止二次电子的逃逸。**主要的磁控溅射方式：磁控溅射方式直流磁控溅射中频磁控溅射射频磁控溅射直流(中频、射频)反应磁控溅射……*（4）

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。专门的离子发射装置（离子源）*离子束溅射的特点1.溅射出的膜料粒子能量有几十eV，比常规溅射高，致使：膜层附着力强，结构致密；2.利用束流能量的可调控性，可定量研究溅射率及膜层质量与离子束性能参数之间的关系；3.溅射率与离子能量、离子束入射角和靶材等有关（不同质靶材的溅射率差别不超过一个数量级）；4.膜层应力随离子束参数改变而可调控。*离子镀——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。

膜料仍是加热蒸发，但蒸发源设置为阳极，工件为阴极，在其间施加高电压，并充工作气体至1~10-1Pa,形成辉光放电，膜料原子部分被离化，在强电场加速下轰击并沉积在零件表面。膜料加热-1—-5kV工作原理3.5离子镀沉积技术*离子镀的特点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——高能离子轰击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。*离子镀的常见类型蒸发源：任何一种热蒸发方式。离化方式：直流辉光放电；高频辉光放电；弧光放电；电子束型；热电子型；…

已形成的实用技术有：活化反应离子镀；空心阴极离子镀；弧源离子镀；…*离子束辅助沉积

IAD(Ionassisteddeposition)

IBAD(Ionbeamassisteddeposition)3.6离子束辅助沉积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，

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。*1.镀前轰击：清洗被镀表面，使离子轰击的作用得到了最大程度的发挥。2.镀中轰击：①破坏柱状结构，形成均匀填充生长；②增加原子/分子的横向迁移率，促使膜层粒子间紧密结合，有利于形成致密结构；③产生强烈的淬火效应。3.镀后轰击：退火作用（1）离子束辅助的作用*（2）用于离子束辅助沉积的离子源

离子源——

利用气体放电产生等离子体，并能从等离子体中引出离子束的装置。气体放电等离子体

离子

——

电子与气体粒子间非弹性碰撞的产物---失去电子后的气体粒子。e-+A2e-+A+

等离子体——

电子和离子总数基本相等，整体呈现电中性的气态导体。

气体放电

——

正、负两电极间的间距、电压、气压满足一定条件时，绝缘气体变成导电气体的现象。*1).冷阴极辉光放电离子源如图，气体在阳极电压Vd的作用下发生辉光放电，等离子体中的离子将向上阴极和下阴极运动；

电子将向阳极运动，同时，在轴向磁场的作用下，电子作螺旋运动，由于电子运动路径增大，电子与气体碰撞几率增加。气体电离效率增大，使等离子体维持一定的浓度。在阴极电压Va的作用下，离子由下阴极和引出极组成的引出系统引出。

冷阴极离子源*1).冷阴极辉光放电离子源

热阴极弧光放电离子源原理比较:潘宁离子源（PIG）：冷阴极二次电子发射维持辉光放电；考夫曼离子源（Kaufman）:热阴极电子发射维持弧光放电。共同点：磁场辅助维持放电。*PIG（冷阴极离子源）：①冷阴极工作寿命长，适用于活性气体；②结构简单，操作方便；③放电电压高（400~500V），束流小（μA），能散度大，束流与能量不能非相关调节。Kaufman（热阴极离子源）

：①低工作气压，低放电电压（50V），束流大（数十mA），能散度小，束流与能量可以非相关调节；②热阴极灯丝寿命短，不宜活性气体，结构较复杂。特性比较*2）.端部霍尔离子源—End-hall源工作原理:▊1987年由Kaufman提出,称EndHall离子源，即磁场端输出离子源,简称端部霍尔离子源▊阴阳极产生的电场和线圈产生的磁场几乎正交,向下运动的电子在正交场中形成环形的Hall电流，增加了离化率。离子在阴极电位和Hall电流的作用下向