光学制造技术第13章 镀膜

1、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

2、、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

3、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

4、，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

5、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

6、.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+T90%.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

7、.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

8、”+“长波通”3.太阳能利用A.热镜：对阳光（0.353m）高透过，对室温辐射（350m）高反射。B.太阳屏：可见光0.4-0.75m高透，热辐射(大于0.75m)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：1.2810-6g/mm3每克气体分子含分子个数：2.081022个/g气体分子距离：3.3410-6mm气体分子的空间密度：2.681016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

9、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

10、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

11、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

12、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：控制精度