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光学薄膜技术培训精细薄膜工程部精细薄膜工程部2021年年7月月15日日 目 录v一、光学薄膜根底知识v二、真空及真空系统v三、薄膜的制备技术v四、薄膜制备工艺v五、薄膜资料v六、膜厚的监控v七、光学薄膜的性能和检测v八、光学薄膜产品的常见疵病及相应的本卷须知v九、膜系设计相关一、光学薄膜根底知识1、光是什么？光是一种电磁波，可见光波长范围是380～760nm；红外光为约760 到107nm量级；紫外光1-380nm；比紫外光短的还有X射线、γ射线〔<0.001nm〕等；而比红外长的就是我们熟习的无线电波2、什么叫做光学薄膜？所谓光学薄膜首先它应该是薄的基于光的干涉效应〔比如光圈——牛顿环，也是基于光的干涉效应〕61.减反膜2.滤光膜3 维护膜4 内反射5 外反射6 高反膜7 分束膜8 分色膜9 偏振膜10 导电膜3、光学薄膜的类型与符号4、光学薄膜在光学系统中的作用n提高光学效率、减少杂光如减反射膜〔AR〕、高反射膜〔HR〕n实现光束的调整或再分配如分束膜、分色膜、偏振分光膜就是根据不同需求进展能量再分配的光学元件n经过波长的选择性透过提高系统信噪比如窄带及带通滤光片、长波通、短波通滤光片。

n实现某些特定功能如ITO透明导电膜、憎水膜、透明超硬膜等5、当前最抢手的运用领域u数码相机用的IR-CUT〔OLPF系列〕u减反射膜〔AR〕----永远的抢手u投影显示光学系统----包括LCD、DLP、LCOSu光通讯：DWDM (dense wavelengh division multiplexer)滤光片u激光领域----激光反射腔高反射膜u液晶领域----ITO膜 二、真空与真空系统1、真空〔1〕、定义真空是压力低于一个大气压的任何气态空间普通采用真空度来表示真空的高低 〔2〕、单位真空度以压强为单位来度量，压强高表示真空度低，压强低标识真空度高真空度的国际单位是帕斯卡，简称帕〔Pa〕大气压强为105Pa1、真空真空在薄膜制备中的作用〔1〕减少蒸气分子与剩余气体分子的碰撞；〔2〕抑制剩余气体和蒸发分子之间的反响； 分类特性粗真空低真空高真空超高真空真空度范围〔Pa〕＞103102~10-110-1~10-6＜10-6气流特点气体分子之间有大量碰撞过渡区域气体分子之间较少碰撞气体分子之间间几乎不碰撞普通要求在高真空下镀膜〔3〕、分类2、真空系统－真空泵泵名原理任务范围机械泵机械紧缩排除气体105~10-2Pa罗茨泵机械紧缩排除气体104~10-2Pa分散泵蒸汽流携带排除气体100~10-6Pa〔1〕、常见真空泵①机械泵Ø常见种类：旋片式、定片式和滑阀式；Ø旋片式，噪音最小，运转速度高〔1000转/分〕，是真空镀膜常用的机械泵；Ø主要构成：定子、转子、嵌于转子的两个旋片及其弹簧；Ø机械泵油的作用：密封、光滑，提高紧缩率；Ø机械泵油的要求：低的饱和蒸气压，一定的粘度，较高的稳定性；2、真空系统－真空泵2、真空系统－真空泵不能在大气下任务，当压强＜10+4Pa时才可启动。

转速较大可以到达3000转/分关机时，在封锁罗茨泵后，需求等待30秒，让罗茨泵逐渐停顿转动后，方可封锁机械泵②罗茨泵2、真空系统－真空泵2、真空系统－真空泵v构造：冷阱、铝制的各级伞形喷嘴〔普通为三级喷嘴〕和蒸气导管是分散泵的中心部分vploycold的作用：减少返油和排除水气v必需在压强＜7Pa，才可启动、任务③分散泵2、真空系统－真空泵评价真空泵的两个重要的性能参数v极限压强——该泵所能获得的最低压强v抽速——单位时间内的抽气才干v 〔2〕、评价真真空泵的两个参数2、真空系统－真空泵三、薄膜制备技术1、常用薄膜制备技术薄膜的制备方法分为a. PVD(1) 热蒸发: 如：阻蒸， 电子束蒸发，激光束蒸发，高频诱导 …(2) 溅射: e.g. 直流溅射，射频溅射，等离子加强，离子束，磁控溅射(3) 离子镀(4) 分子束外延MBE (Molecular Beam Epitaxy)b. CVD • APCVD (Atmospheric pressure CVD) • LPCVD ( Low pressure CVD) • PECVD ( Plasma enhanced CVD) • PCVD (Photon CVD) • MOCVD ( Metal Organic CVD)c. Deposition from Solutions • Sol-gel, LB, Spin… • Metal films( e.g. Ag) • Oxide films (SiO2-TiO2) 光学薄膜真空镀膜技术普通采用物理气相堆积〔PVD〕技术。

所以，我们主要针对PVD技术中的一些蒸发方式进展论述2、电子束蒸发原理电功率→电子动能→膜料热能在极短时间内膜料温度上升到几千度!!2、电子枪构造优点: 1.强磁场使二次电子减少； 2.坩埚水冷,膜污染少； 3.资料蒸汽分子动能高,膜致密； 4.蒸发资料不分馏或分馏小； 5.灯丝藏下面,不易污染,寿命长； 6.有效抑制高压放电缺陷: 1.价钱高； 2.焦斑位置和挖坑对膜厚分布影响很大； 3.电子束控制不当，仍有二次电子，特别是SiO23、e形电子枪特点4、电子枪缺点分析A、高压加不上、高压加不上真空度低真空度低灯丝短路灯丝短路(变形变形,膜料掉进去膜料掉进去)高压进线短路高压进线短路冷却水缺乏冷却水缺乏平安开关松开平安开关松开小柜内三只保险丝接触不良小柜内三只保险丝接触不良过流维护截止管不良过流维护截止管不良B.束流不正常束流不正常束流无束流无: 灯丝接触不良或烧断；灯丝接触不良或烧断；灯丝短路；灯丝短路；束流小束流小: 灯丝短路灯丝短路(有脏物，装配不良有脏物，装配不良)；；灯丝装得太紧；灯丝装得太紧；束流大束流大: 灯丝装得太松；灯丝装得太松；部分短路部分短路(有脏物，装配不良有脏物，装配不良)。

C.光斑差光斑差偏转线圈电压不正常偏转线圈电压不正常灯丝装配定位不准确灯丝装配定位不准确阳极孔打坏阳极孔打坏D.打火打火真空度低真空度低(抽速慢，资料除抽速慢，资料除气不充分等气不充分等)，空气电离；，空气电离；枪头、底座有接触不良枪头、底座有接触不良枪头、底座有太多脏污枪头、底座有太多脏污充氧太多或太快；充氧太多或太快；蒸发速率太快蒸发速率太快,资料分子电资料分子电离密度高；离密度高；5、离子辅助淀积机理:离子轰击给到达基板的膜料粒子提供了足够的动能，提高了淀积粒子的迁移率，从而使膜层聚集密度添加• 离子辅助淀积(IAD)提高膜层密度；提高折射率；减小吸收散射；提高滤光片稳定性；提高结实度和硬度；调理应力• 清洁基板 镀膜前轰击基板3-5分钟，清洁效果很好 6、离子源的用途7、离子源和中和器缺点分析A、中和器不能启动、中和器不能启动中和器的罩子没有取出中和器的罩子没有取出气体流量低气体流量低Keeper脏脏Collector脏脏接触不良接触不良B.离子源不能启动离子源不能启动Pusle电压设定过低电压设定过低中和器电流和功率设置过低中和器电流和功率设置过低ACC 和和Screen之间短路之间短路石英槽污染石英槽污染气体流量过低气体流量过低新清洁的栅极没有经过高温烘烤新清洁的栅极没有经过高温烘烤离子源的罩子没有取出离子源的罩子没有取出C.IB启动时放电严重或者点启动时放电严重或者点着后容易熄火着后容易熄火清洁后的栅极预热时间不够清洁后的栅极预热时间不够栅极外表清洁不彻底栅极外表清洁不彻底栅极运用后遭到污染栅极运用后遭到污染栅极组装不良栅极组装不良栅极间的陶瓷垫片用错栅极间的陶瓷垫片用错四、薄膜的制备工艺主要工艺要素〔1〕基板处置：包括抛光、清洁、离子轰击〔2〕制备参数：包括基板温度、蒸发速率、真空度薄膜主要性质：〔1〕光学性质：包括折射率、各项异性、吸收、散射、光学稳定性等〔2〕机械性质：包括硬度、附着力、应力〔3〕抗激光损伤。

1、基板处置〔1〕抛光〔2〕基板清洁清洗方法主要有：酸洗、洗涤剂、有机溶剂和超声波清洗等2、制备参数制备参数主要有：基板温度、淀积速率、真空度、充氧〔1〕基板温度提高基板温度，使膜料蒸汽与基板的反响更猛烈，提高膜层与基板的结合力，并构成更加致密的薄膜，提高膜层的折射率基板温度必需适当温度过高，能够构成大颗粒凝结或资料分解，甚至膜层发雾MgF2的镀膜温度必需大于250℃，最好在300℃以上； OS-50的镀膜温度，不用IAD的最好在300℃以下，运用IAD的最好在200℃以下〔2〕堆积速率薄膜淀积过程是薄膜资料分子在基板上吸附、迁移、凝结和解吸的一个综合平衡过程蒸发速率较低时，吸附原子在其平均停留时间内能充分进展外表迁移，凝结只能在大的凝结体上进展，反蒸发严重，所以膜层构造松散反之，淀积速率提高，构造较严密，但由于缺陷增多而使内应力增大OS-50、SiO2、H4、MgF2的速率普通为多少？〔〔3 3〕真空度〕真空度真空度的高低使堆积分子产生碰撞的情况不同，呵斥蒸汽分子到达基底的动能不真空度的高低使堆积分子产生碰撞的情况不同，呵斥蒸汽分子到达基底的动能不同，构成膜层的致密程度不同。

同，构成膜层的致密程度不同提高真空度，可提高膜层的致密性，减小膜层的吸收提高真空度，可提高膜层的致密性，减小膜层的吸收IRIR、、ARAR膜系的设定真空度普通是多少？膜系的设定真空度普通是多少？〔〔4 4〕充氧〕充氧在镀膜过程中，有许多氧化物容易失去部分的氧，呵斥薄膜的吸收在镀膜过程中，有许多氧化物容易失去部分的氧，呵斥薄膜的吸收冲入适当的氧气，有利于减少膜层吸收冲入适当的氧气，有利于减少膜层吸收OS-50 no IADOS-50 no IAD、、 SiO2 SiO2 、、 MgF2 MgF2、、H4H4时的充氧普通为多少？时的充氧普通为多少？3、膜层厚度均匀性〔1〕影响要素：膜料的纯度、能否受潮，以及外形、高低、加料的真假等坩埚位置能否偏光斑的大小、外形、位置修正板装配能否到位、升降能否正常、有无变形盘、工装有无变形，能否放置到位真空度的高低基板温度的高低蒸发速率的快慢充氧的大小运用IAD的，离子源安装能否到位3、膜层厚度均匀性〔2〕修正板的修剪方法运用拉线法将修正板划分为与盘上每一圈对应的区域做单层，普通为550nm的3~7个极值根据单层曲线找出不断列样品中每一圈的波峰〔或波谷〕的波长。

〔注：尽量选择接近控制波长的那组波峰或者波谷〕选出一个基准波长，用每一圈的波峰〔或波谷〕波长减去基准波长，得到波长差值 〔注：基准波长尽量选取平均值，也可波峰或波谷最集中的区域，这样会减少修剪的圈数〕根据波长差1nm、修剪1mm，“+〞的补、“-〞的剪的原那么进展修剪反复②~④，直至均匀性满足要求五、常用用的镀膜资料1.金属膜，多用于高反射膜2.介质膜和半导体膜良好膜料应具备的特性：〔1〕具有良好的透明度，吸收小高折射率资料在可见区的消光系数比低折射率资料大10～100倍以上〔2〕具有稳定的、反复性良好的折射率〔3〕膜料本身具有良好的机械强度和化学性能〔4〕薄膜与基板，薄膜与薄膜之间要有良好的附着力常用的镀膜资料在550nm的折射率资料MgF2SiO2折射率1.3861.474资料M2Al2O3折射率1.701.67低折射率资料中间折射率资料资料H4Ta2O5Nb2O5OS-50折射率2.062.252.362.40高折射率资料六、薄膜厚度监控技术膜厚有三种概念：即几何厚度、光学厚度和质量厚度。

几何厚度：表示薄膜的物理厚度或实践厚度；光学厚度：几何厚度与膜层折射率的乘积；质量厚度：单位面积上膜的质量，假设知膜层的密度，可以转换为相应的几何厚度现场常用的膜层厚度监控方法：晶振法〔Crystal〕、极值法〔Optical〕、过正控制〔LightOpticalRitio〕、时间控制〔Time1、晶振法原理： 晶控片的厚度决议它的振动频率在晶控片上镀膜后，相当于晶控片的厚度发生改动，其振动频率也随之改动我们可以经过检测晶控片的频率的改动来检测膜层的厚度特点：晶振法是目前独一可以同时控制膜层厚度和成膜速率的方法 晶振法监控的是物理厚度，不能监控膜层的折射率 晶振片的电极对膜厚监控、速率控制至关重要目前，市场上提供三种规范电极资料：金、银和合金 金是最广泛运用的传统资料，它具有低接触电阻，高化学温定性，易于堆积金最适宜于低应力资料，如金，银，铜的膜厚控制银是接近完美的电极资料，有非常低的接触电阻和优良的塑变性然而，银容易硫化，硫化后的银接触电阻高，降低晶振片上膜层的结实性银铝合金晶振片最近推出一种新型电极资料，适宜高应力膜料的镀膜监控，如SiO， SiO2，MgF2，TiO2。

晶振片的安装及本卷须知与技巧坚持晶振片的清洁切记不要用手指直接接触晶振片以免留下油渍，晶振片的前后中心位置和何晶体和夹具之间的颗粒或灰层将影响电子接触，而且会产生应力点，从而改动晶体振动的方式坚持足够的冷却水使晶振头温度在20-40℃ 假设可以将温度误差坚持在1-2℃范围内，效果更佳 晶振片要不要换主要看以下方面： 镀IR时，晶控片的频率普通需大于5850；镀AR膜时，一个新晶控片频率＜5900后就要换新的蒸发速率出现明显异常；晶振片的外表明显出现膜零落或起皮的景象； 2、极值法(optical)：极值法原理：在玻璃上镀制单层膜，玻璃的透过率或者反射率会发生改动，蒸发过程中出现极值点的次数来控制四分之一波长整数倍膜层厚度，即镀膜终了的时候停在极值点极值法特点： 常规的极值法监控精度比较低，由于在极值点附近信号变化较小 不能控制成膜速率3、过正控制(LightRatioPeak)： 原理：在玻璃上镀制单层膜，玻璃的透过率或者反射率会发生改动，与极值法不同的时，故意产生一个一致性的过正量，即镀膜终了时候不是停在极值点 特点： 监控精度普通比极值法高 不能控制镀膜速率。

〔极值法、过正法〕补充〔极值法、过正法〕补充一样点：控制的原理一样，均利用在玻璃常镀制单层一样点：控制的原理一样，均利用在玻璃常镀制单层膜，玻璃的透过或者反射率会发生变化膜，玻璃的透过或者反射率会发生变化不同点：在镀膜终了时，极值法停在极值点，过正法不同点：在镀膜终了时，极值法停在极值点，过正法不是停在极值点不是停在极值点光学膜厚仪光学膜厚仪OPM-Z1的测光范围为的测光范围为350～～1100nm，丈，丈量波长的设定值为量波长的设定值为0.1nm应尽量避开应尽量避开600nm波长，由于此波长出的光学膜厚仪波长，由于此波长出的光学膜厚仪的信号最弱的信号最弱目的比率的取值普通在目的比率的取值普通在5～～60％之间如今丈量的是反射信号如今丈量的是反射信号光量走势异常的缘由光量走势异常的缘由1、光量为一条直线、光量为一条直线没有加膜料没有加膜料电子枪光斑太散或者太偏，导致蒸发速率太慢，几乎为零电子枪光斑太散或者太偏，导致蒸发速率太慢，几乎为零2、逆振、逆振光控片上清洗不干净，有脏点或者有印子光控片上清洗不干净，有脏点或者有印子关机或改换铝皮时呵斥光控片脏，没有及时改换下一个关机或改换铝皮时呵斥光控片脏，没有及时改换下一个预熔后，光控片被污染，没有及时改换下一个预熔后，光控片被污染，没有及时改换下一个光控片是用过的，没有及时改换光控片是用过的，没有及时改换光控片运用过程中碎裂光控片运用过程中碎裂APC流量异常流量异常3、时间控制(Time)： 原理：利用时间的长短来控制膜厚。

 特点： 监控精度很低 不能控制镀膜速率七、光学薄膜的性能及检测七、光学薄膜的性能及检测光学薄膜的性能主要包括：光学薄膜的性能主要包括：光学目的：反射率、透射率，吸收率等光学目的：反射率、透射率，吸收率等颜色目的〔实践上包含于第一项〕颜色目的〔实践上包含于第一项〕光洁度光洁度膜层的结实度膜层的结实度膜层的硬度膜层的硬度膜层透射、反射的相位膜层透射、反射的相位抗环境性能抗环境性能八、现场产品的最常见疵病点子点子印子印子擦痕〔路子〕擦痕〔路子〕分光特性不良分光特性不良〔一〕点子〔一〕点子构成缘由构成缘由1 1、坩埚架清扫太脏，或清扫不彻底、坩埚架清扫太脏，或清扫不彻底2 2、膜料被污染，或受潮、膜料被污染，或受潮3 3、电子枪装配不到位或由脏污，有打火、电流不稳、光斑能量分布不均等、电子枪装配不到位或由脏污，有打火、电流不稳、光斑能量分布不均等4 4、离子源的栅极等处脏，或装配不到位，有打火景象、离子源的栅极等处脏，或装配不到位，有打火景象5 5、坩埚变形、或冷却水缺点，导致冷却效果不好、坩埚变形、或冷却水缺点，导致冷却效果不好6 6、铝皮、防污板、盖板等掉渣、铝皮、防污板、盖板等掉渣7 7、工装、盘等掉渣、工装、盘等掉渣8 8、晶控片不良，导致速率动摇过大、晶控片不良，导致速率动摇过大9 9、玻璃本身有点子、超洗后遗留有脏、玻璃本身有点子、超洗后遗留有脏1010、工房干净度太差，其中悬浮的脏污颗粒太多、工房干净度太差，其中悬浮的脏污颗粒太多〔二〕印子〔二〕印子构成缘由构成缘由1 1、清洗不干净留下的水迹、、清洗不干净留下的水迹、IPAIPA迹、污渍迹、污渍2 2、基底本身有腐蚀，或抛光不良、基底本身有腐蚀，或抛光不良3 3、髙阀返油、真空度太低等，呵斥膜层不牢、髙阀返油、真空度太低等，呵斥膜层不牢4 4、环境湿度长时间大于、环境湿度长时间大于80%80%，导致零件外表会构成水膜，导致零件外表会构成水膜〔三〕擦痕〔路子〕〔三〕擦痕〔路子〕构成缘由构成缘由1 1、震盘，导致玻璃滑动、、震盘，导致玻璃滑动、2 2、下玻璃时，玻璃滑到一同、或掉落、下玻璃时，玻璃滑到一同、或掉落3 3、插框时，玻璃掉落、插框用力过大、或玻璃之间有接触、插框时，玻璃掉落、插框用力过大、或玻璃之间有接触4 4、测曲线时，玻璃被样品架划伤、测曲线时，玻璃被样品架划伤〔四〕分光特性不良〔四〕分光特性不良构成缘由构成缘由1 1、、镀镀膜膜机机干干净净程程度度、、冷冷热热程程度度等等不不同同，，导导致致抽抽气气速速率率发发生生变变化化，，导导致致曲曲线线变变形形或前后挪动或前后挪动2 2、膜料能否受潮、膜料能否受潮3 3、膜料多少、压实程度、膜料多少、压实程度3 3、修正板用错、变形、装配位置偏等、修正板用错、变形、装配位置偏等4 4、电子枪装配不到位，导致光斑偏、或能量分布发生变化、电子枪装配不到位，导致光斑偏、或能量分布发生变化5 5、离子源三个栅极之间没装好，或整体装偏、离子源三个栅极之间没装好，或整体装偏6 6、温度方式用错、或者没加热、温度方式用错、或者没加热7 7、膜系设计容差太小、膜系设计容差太小九、膜系设计相关——AR1.合格膜系的要求：宽带增透膜的带宽要求有至少20nm的余量；反射率至少小于要求0.1%；在1%的光学厚度误差范围内，特性不应有大的超出规格要求的变化。

2.设计宽带增透膜系需求留意的问题：尽量保证在带宽范围内只需一个波峰；零件凸面膜系易整体前移，凹面易整体后移；为在误差范围内可控，各层厚度不易太薄3.模拟厚度与蒸镀厚度的转化的预备形状稳定的机器；现有膜系的准确丈量曲线；对丈量曲线的准确模拟4.对丈量曲线模拟时需求留意的问题：各膜层不同的厚度组合可以模拟出相近的曲线；模拟的带宽和反射率与丈量值有所差别；留意膜料折射率的影响5.模拟厚度与蒸镀厚度的转化关于膜厚计算的公式: 光学厚度=物理厚度×折射率 膜厚比=零件膜层厚度/监控厚度常用的膜系设计软件：CJH、ZXC-J、Macleod等6. 膜系调整的原那么：保证镀膜机任务正常尽能够少的调整膜层层数和膜层厚度采取循序渐进的方法要准确的丈量出零件膜特性曲线要较准确的模拟出膜特性曲线6. 膜系调整的原那么： ★保证镀膜机任务正常 ★尽能够少的调整膜层层数和膜层厚度 ★采取循序渐进的方法 ★要准确的丈量出零件膜特性曲线 ★要较准确的模拟出膜特性曲线7. 5层非规范宽带增透膜的调整：第一层对带宽的影响较大第二层对两个波峰有影响第三层影响400-440nm处的反射率第四层影响曲线的整体前后漂移第五层影响着曲线的上下漂移曲线的整体前后平移是各层膜厚按一样比例变化的结果无色光学玻璃可以分为两类：n1、冕牌玻璃----K带头的玻璃，折射率n较小，色散系数大，可分为氟冕〔FK〕、磷冕〔PK〕、轻冕〔QK〕、钡冕〔BaK〕、重冕〔ZK〕、镧冕〔LaK〕、特冕〔TK〕等；n2、火石玻璃----F带头的玻璃，折射率n较大。

色散系数大，可分为冕火石〔KF〕、轻火石〔QF〕、钡火石〔BaF〕、重火石〔ZF〕、镧H火石〔LaF〕等n 共有160多种之多 谢谢大家的参与！！谢谢大家的参与！！。