第4章-光学薄膜制造工艺教材课件

光学薄膜器件性能质量好坏由两个方面决定：光学薄膜器件性能质量好坏由两个方面决定：o膜系结构的设计性能膜系结构的设计性能o 薄膜器件的制造性能薄膜器件的制造性能要求：要求：R、T、A、机械性能、薄膜的稳定性等、机械性能、薄膜的稳定性等设计：膜系结构、折射率、厚度、材料设计：膜系结构、折射率、厚度、材料根据薄膜设计进行制造薄膜根据薄膜设计进行制造薄膜注意：制造与设计之间存在差异注意：制造与设计之间存在差异1第四章第四章 光学薄膜制造工艺光学薄膜制造工艺1 光学薄膜器件的质量要求光学薄膜器件的质量要求2 影响膜层质量的工艺要素影响膜层质量的工艺要素3 膜层厚度监控膜层厚度监控 4 膜层厚度均匀性膜层厚度均匀性24.1 光学薄膜器件的质量要求光学薄膜器件的质量要求1、薄膜器件光学性能、薄膜器件光学性能(R、T、A)o聚集密度聚集密度(填空密度填空密度)o微观组织物理结构微观组织物理结构(晶体结构晶体结构)o膜层化学成分膜层化学成分n光学常数光学常数(n,k,d)n折射率产生偏差的原因折射率产生偏差的原因介电常数介电常数空隙气体空隙气体镀膜方式、镀膜方式、T34.1 光学薄膜器件的质量要求光学薄膜器件的质量要求2、薄膜器件机械性能、薄膜器件机械性能n硬度硬度n牢固度牢固度（附着力）（附着力）3、薄膜器件环境稳定性、薄膜器件环境稳定性n盐水盐雾、高湿高温、高低温、水浴、酸碱腐蚀盐水盐雾、高湿高温、高低温、水浴、酸碱腐蚀材料本身材料本身+内部结构决定内部结构决定结合力性质决定结合力性质决定44、膜层填充密度、膜层填充密度(1)产生柱状结构的原因：产生柱状结构的原因：薄膜聚集密度（填充密度）薄膜聚集密度（填充密度）P:填充膜料填充膜料沉积分子的有限迁移率沉积分子的有限迁移率已经沉积分子对后继沉积分子已经沉积分子对后继沉积分子的阴影效应的阴影效应5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：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。(2)影响薄膜聚集密度的因素影响薄膜聚集密度的因素:6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74.2 影响膜层质量的工艺要素影响膜层质量的工艺要素真空镀膜真空镀膜基本工艺过程基本工艺过程:84.2.1 影响膜层质量的影响膜层质量的工艺要素及作用机理工艺要素及作用机理1.真空度真空度作用机理：作用机理：影响薄膜性能影响薄膜性能 折射率折射率 散射散射 机械性能机械性能 残余气体分子与膜料分子的碰撞，导致蒸发的膜料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分子或原子的能量损失能量损失和和化学反应化学反应，致使，致使膜层聚集密膜层聚集密度低，膜层疏松度低，膜层疏松，化学成分不纯化学成分不纯。92.沉积速率（蒸发速率）沉积速率（蒸发速率）定义沉积速率定义沉积速率：单位时间内在基底表面上形成的膜：单位时间内在基底表面上形成的膜层厚度，单位为层厚度，单位为nm/s。影响薄膜性能：影响薄膜性能：折射率、牢固度、机械强度、应力、折射率、牢固度、机械强度、应力、附着力。附着力。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。提高沉积速率的方法：提高沉积速率的方法：10影响：影响：膜层结构、凝聚系数、膨胀系数和聚集密度。膜层结构、凝聚系数、膨胀系数和聚集密度。3.基底温度基底温度冷基底：金属膜或光学塑料基底；冷基底：金属膜或光学塑料基底；宏观表现：宏观表现：折射率、散射、应力、附着力、硬度和不折射率、散射、应力、附着力、硬度和不溶性溶性高温基底的优点：高温基底的优点：将吸附在基底表面的剩余分子排除，增加基底与沉将吸附在基底表面的剩余分子排除，增加基底与沉积分子之间的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，增大附着增强分子之间的相互作用，使膜层致密，增大附着力及提高机械强度；力及提高机械强度；注：基底温度过高，也会使膜层结构变化、膜料分解、注：基底温度过高，也会使膜层结构变化、膜料分解、不利成膜。不利成膜。11 1).镀前轰击：镀前轰击：离子溅射使基片离子溅射使基片再清洁再清洁，提高膜层，提高膜层在基片表面的在基片表面的凝聚系数和附着力凝聚系数和附着力；2).镀中和镀后轰击：镀中和镀后轰击：提高膜层的提高膜层的聚集密度聚集密度，促进化，促进化学反应，使氧化物膜层学反应，使氧化物膜层折射率提高折射率提高，机械强度和抗，机械强度和抗激光损伤阈值提高。激光损伤阈值提高。4.离子轰击离子轰击5.基片材料基片材料 1).膨胀系数不同膨胀系数不同 2).化学亲和力不同化学亲和力不同 3).表面粗糙度和缺陷表面粗糙度和缺陷热应力热应力影响膜层附着力影响膜层附着力散射散射12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）、物理状物理状态态（粉（粉/块）和块）和预处理预处理（真空烧结（真空烧结/锻压）影响膜层锻压）影响膜层结构和性能。结构和性能。8.蒸发方法蒸发方法 不同蒸发方法提供给蒸发分子和原子的不同蒸发方法提供给蒸发分子和原子的初始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。139.蒸气入射角蒸气入射角 影响膜层的影响膜层的生长结构和聚集密度生长结构和聚集密度。对膜层的折。对膜层的折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之之内。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。14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154.2.2.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 膜层的机械性能受膜层的机械性能受附着力、应力、聚集密度附着力、应力、聚集密度等等的影响。的影响。真空度。真空度。提高真空度会提高真空度会增大膜层聚集密增大膜层聚集密，增加膜，增加膜层层牢固度牢固度，改善膜层结构，使膜层化学成分变纯，但，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。着重考虑以下几个工艺参数：着重考虑以下几个工艺参数：沉积速率。沉积速率。提高沉积速率不仅可以通过提高沉积速率不仅可以通过提高蒸发提高蒸发速率速率，还可以用，还可以用增大蒸发源面积增大蒸发源面积的办法来达到。但是的办法来达到。但是采用提高蒸发源温度的办法有其缺点：使得膜层应力采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。太大；成膜气体易分解。16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面的剩余气体分子排除剩余气体分子排除，增加基片与沉积分子之间的，增加基片与沉积分子之间的结合力结合力；但基片温度过高会造成膜层变质。；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，。蒸镀前的轰击可以清洁表面，增加附增加附着力着力；镀后轰击可以；镀后轰击可以提高膜层聚集密度提高膜层聚集密度等，从而是机等，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。174.2.3控制膜层控制膜层折射率折射率的主要工艺途径的主要工艺途径控制控制真空度真空度；控制控制沉积速率沉积速率；控制控制基片温度基片温度；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膜层折射率的工艺膜层折射率的工艺稳定性最为重要稳定性最为重要18目视法目视法厚度的三种概念：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)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。194.3.1 目视法目视法 原理：原理：利用人眼对薄膜厚度变化时引起光束利用人眼对薄膜厚度变化时引起光束透过强度变化或者薄膜干涉颜色变化来判断透过强度变化或者薄膜干涉颜色变化来判断膜层厚度。膜层厚度。缺点：缺点：精度比较低，受人为及外界环境等精度比较低，受人为及外界环境等因素的影响较大因素的影响较大20 利用镀膜过程中，膜层的利用镀膜过程中，膜层的T或或R随膜层厚度增加出现随膜层厚度增加出现极值，根据极值个数，获得以极值，根据极值个数，获得以/4为单位的整数厚度的为单位的整数厚度的膜层。膜层。4.3.2光电极值法光电极值法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21以上就是以上就是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、T取极值取极值22 当选定一个当选定一个作为监控波长时，只要膜层的光学厚作为监控波长时，只要膜层的光学厚度是度是/4的整数倍，其透射和反射光信号就具有一的整数倍，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；个或多个可供明确判断的极值；例如：例如：0=500nm时,nd=125nm (1个极值个极值),nd=250nm (2个极值个极值),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），），一定一定存在一个或数个波长的光可用来依极值法原理监控存在一个或数个波长的光可用来依极值法原理监控其厚度其厚度。例如：例如：nd=250nm时时,01=1000nm,(1个极个极值)02=500nm,(2个极个极值)03=250nm,(4个极个极值)232、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在在T T和和R R的极的极值点点在在T T和和R R极极值点附近点附近极极值点的准确判断是很困点的准确判断是很困难的。的。24o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 时，时，T和和R有极值有极值但但膜厚监控光电系统膜厚监控光电系统中的中的光源、光学元件、传感器光源、光学元件、传感器、以及以及膜料透明区膜料透明区的限制的限制，使实际可用的使实际可用的波长波长限制在限制在很窄的波段范围内。很窄的波段范围内。25 3.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法监控精度不高的主要原因是极值点的判读极值点的判读精度不高精度不高所致，常用下列方法：所致，常用下列方法：.过正控制过正控制选用比由选用比由nd=/4确定的波长稍短一点确定的波长稍短一点的波长作为监控波长，允许的波长作为监控波长，允许T或或R有一定的过正量，有一定的过正量，让停镀点避开极值点让停镀点避开极值点。.高级次监控高级次监控增大增大T或或R的变化的变化总幅度总幅度，减小，减小T或或R的相对判读误差，提高膜层厚度的控制精度。的相对判读误差，提高膜层厚度的控制精度。.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的的变化幅度变化幅度，减小，减小T或或R的相对判读误差。的相对判读误差。26 典型装置典型装置 基基片片膜厚仪膜厚仪274.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p 微分法微分法28o 双光路补偿法双光路补偿法测量测量信号信号参考参考信号信号差值差值29o双光路补偿法优点：双光路补偿法优点：扩大了扩大了信号变化部分的幅度信号变化部分的幅度，提高了判读精度（最好时，提高了判读精度（最好时可以达到可以达到 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%.电源、光源等因素引起的参考信号和测量信号的同步变电源、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。因此化，并不改变差值变化。因此，降低了对光源稳定性降低了对光源稳定性的要求。的要求。30p 微分法微分法 利用微分电路，将利用微分电路，将变化率最小的极值点变化率最小的极值点改为改为对应对应变化率大的变化率大的微分信号的零点微分信号的零点。o T或或R的极值点判读的极值点判读改为：零点（定值）改为：零点（定值）判定；判定；o 由于微分信号在零由于微分信号在零点处变化率最大，判点处变化率最大，判读误差也就最小。读误差也就最小。315、光电、光电极值法监控的特点极值法监控的特点o只能用于监控光学厚度，不能用来监控几何厚度；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。厚度无能为力。324.3.3 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）对于非规则膜系膜层厚度监控三种方法：对于非规则膜系膜层厚度监控三种方法：p.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33曲线比拟法曲线比拟法A理论计算理论计算B实际镀膜实际镀膜当实际厚度当实际厚度=理论计算厚度时，曲线相似：理论计算厚度时，曲线相似：344.3.4 石英晶振法石英晶振法 利用测量石英晶体利用测量石英晶体振动频率或周期振动频率或周期随随石石英晶片厚度英晶片厚度的变化量，达到测量沉积在石英的变化量，达到测量沉积在石英晶片上的膜层厚度的目的。晶片上的膜层厚度的目的。351.频移法频移法 依据石英晶片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成反比的原理：成反比的原理：f=N/dq，其中，其中N由石英晶片决定的常数。由石英晶片决定的常数。若在晶片一个表面镀上厚度为若在晶片一个表面镀上厚度为 df 膜层，假设对膜层，假设对应的等效石英晶片厚度为应的等效石英晶片厚度为dq 36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；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。o频移法存在的问题频移法存在的问题：37 2.周期法周期法 若用若用f0和和d0分分别表示石英晶片的振表示石英晶片的振动基基频和初始厚和初始厚度度考虑振动基频考虑振动基频f的变化的变化383.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。394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直接控制光学膜层的目标特性参数参数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闭环控制环控制；n可控制可控制任意厚度任意厚度；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)。404.3.5宽光谱膜厚监控宽光谱膜厚监控 基基本本思思想想：镀镀膜膜前前计计算算出出宽宽光光谱谱范范围围内内透透过过率率特特性性，与与镀镀膜膜时时的的实实测测数数值值比比较较，不不断断修修正正，比比较较值值最最小小时即停止镀膜。时即停止镀膜。直观、精度高直观、精度高41在镀膜机上设置一台在镀膜机上设置一台快速扫描分光光度计快速扫描分光光度计（全光（全光谱采样时间小于谱采样时间小于100mS，波长分辨率优于，波长分辨率优于2nm，波，波长重复性优于长重复性优于1nm，T或或R测量精度测量精度1%），），实现膜实现膜层层 T 或或 R曲线的适时测量。曲线的适时测量。具体方案具体方案：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：宽波段监控的目标（停镀点），是由（停镀点），是由适时测量光谱函数（曲线）适时测量光谱函数（曲线）与与理理论设计的目标光谱函数（曲线）之差论设计的目标光谱函数（曲线）之差确定的目标评确定的目标评价函数的价函数的极小值极小值。适时测量适时测量 n、d值，值，修正膜系设计修正膜系设计，确保达到设，确保达到设计要求：计要求：通过已镀膜层的实际测量光谱曲线，拟算通过已镀膜层的实际测量光谱曲线，拟算出膜层的出膜层的n和和d，并据此，并据此n、d，修正原设计膜系中，修正原设计膜系中未镀各层的参数，未镀各层的参数，使后续膜层镀完后的整个膜系的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。光谱曲线能达到原设计要求。42u Wide band monitoring即：即：透射曲线理论值和实测值之间所包围的面积透射曲线理论值和实测值之间所包围的面积 最小，即停止蒸发最小，即停止蒸发43影响膜层厚度均匀性的主要因素影响膜层厚度均匀性的主要因素：4.4获得均匀膜层厚度的方法获得均匀膜层厚度的方法1 1）蒸发源的）蒸发源的发射特性发射特性。不同结构（点源、面源或螺旋丝）的蒸发源有不同的发射不同结构（点源、面源或螺旋丝）的蒸发源有不同的发射特性。特性。每一种蒸发源的发射分布即随经度不同，也随纬度不同。每一种蒸发源的发射分布即随经度不同，也随纬度不同。2 2）同同一一种种蒸蒸发发源源不不同同的的膜膜料料，有有不不同同的的分分布布特特性性。不不同同膜膜料料，不同不同蒸发温度和热传导率蒸发温度和热传导率，造成蒸发点大小形状不同。，造成蒸发点大小形状不同。3 3）蒸发源与被镀件的）蒸发源与被镀件的相对位置相对位置对膜层厚度分布影响非常大。对膜层厚度分布影响非常大。4 4）被镀件的面形被镀件的面形对于膜层厚度的分布影响也很大。对于膜层厚度的分布影响也很大。441）可以获得均匀膜层厚度的）可以获得均匀膜层厚度的蒸发源与零件的位置蒸发源与零件的位置：点状点状蒸发源置于被镀件所在的蒸发源置于被镀件所在的球心位置球心位置；面状面状蒸发源位于被镀件所在的蒸发源位于被镀件所在的同一球面上同一球面上。2）基板表面的）基板表面的平行性平行性和和基板温度的均匀性基板温度的均匀性控制。控制。3）采用旋转夹具；转动速度必须保持平稳。）采用旋转夹具；转动速度必须保持平稳。4）膜层的）膜层的沉积速率沉积速率尽可能尽可能平稳平稳。5）控制真空度变化幅度。）控制真空度变化幅度。6）增设膜层厚度的调节板。）增设膜层厚度的调节板。获得均匀膜层厚度的途径获得均匀膜层厚度的途径45