1、1光學薄膜器件性能質量好壞由兩個方面決定：光學薄膜器件性能質量好壞由兩個方面決定：o 膜系結構的設計性能膜系結構的設計性能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、機械性能、薄膜的穩定性等、機械性能、薄膜的穩定性等設計：膜系結構、折射率、厚度、材料設計：膜系結構、折射率、厚度、材料根據薄膜設計進行制造薄膜根據薄膜設計進行制造薄膜注意：制造與設計之間存在差異注意：制造與設計之間存在差異2第四章第四章 光學薄膜制造工藝光學薄膜制造工藝1 光學薄膜器件的質量要求光學薄膜器件的質量要求2 影響膜層質量的工藝要素影響膜層質量的工藝要素3 膜層厚度監控膜層厚度監控 4 膜層厚度均勻性

2、膜層厚度均勻性34.1 光學薄膜器件的質量要求光學薄膜器件的質量要求1、薄膜器件光學性能、薄膜器件光學性能(R、T、A)o 聚集密度聚集密度(填空密度填空密度)o 微觀組織物理結構微觀組織物理結構(晶體結構晶體結構)o 膜層化學成分膜層化學成分n 光學常數光學常數(n, k, d)n 折射率產生偏差的原因折射率產生偏差的原因介電常數介電常數空隙氣體空隙氣體鍍膜方式、鍍膜方式、T44.1 光學薄膜器件的質量要求光學薄膜器件的質量要求2、薄膜器件機械性能、薄膜器件機械性能n 硬度硬度n 牢固度牢固度（附著力）（附著力） 3、薄膜器件環境穩定性、薄膜器件環境穩定性n 鹽水鹽霧、高濕高溫、高低溫、水浴

3、、酸堿腐蝕鹽水鹽霧、高濕高溫、高低溫、水浴、酸堿腐蝕材料本身材料本身+內部結構決定內部結構決定結合力性質決定結合力性質決定54、膜層填充密度、膜層填充密度(1) 產生柱狀結構的原因：產生柱狀結構的原因：空隙）薄膜的總體積（柱體（柱體的體積）薄膜中固體部分的體積p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積分子的有限遷移率沉積分子的有限遷移率已經沉積分子對后繼沉積分子已經沉積分子對后繼沉積分子的陰影效應的陰影效應vsfnPPnn16蒸氣入射角與柱狀結構的蒸氣入射角與柱狀結構的生長方向之間的關系：生長方向之間的關系：tgtg2基底溫度；基底溫度；沉積速率；沉積速率；真空

4、度；真空度；沉積入射角；沉積入射角；離子轟擊。離子轟擊。(2)影響薄膜聚集密度的因素影響薄膜聚集密度的因素:7熱蒸發制備的薄膜柱狀結構照片熱蒸發制備的薄膜柱狀結構照片84.2 影響膜層質量的工藝要素影響膜層質量的工藝要素真空鍍膜真空鍍膜基本工藝過程基本工藝過程: :94.2.1 影響膜層質量的影響膜層質量的工藝要素及作用機理工藝要素及作用機理1. 真空度真空度作用機理：作用機理：影響薄膜性能影響薄膜性能 折射率折射率 散射散射 機械性能機械性能 殘余氣體分子與膜料分子的碰撞，導致蒸發的膜殘余氣體分子與膜料分子的碰撞，導致蒸發的膜料分子或原子的料分子或原子的能量損失能量損失和和化學反應化學反應，

5、致使，致使膜層聚集膜層聚集密度低，膜層疏松密度低，膜層疏松，化學成分不純化學成分不純。102.沉積速率（蒸發速率）沉積速率（蒸發速率）定義沉積速率定義沉積速率：單位時間內在基底表面上形成的膜：單位時間內在基底表面上形成的膜層厚度，單位為層厚度，單位為nm/s。 影響薄膜性能：影響薄膜性能：折射率、牢固度、機械強度、應力、折射率、牢固度、機械強度、應力、附著力。附著力。提高蒸發源溫度；提高蒸發源溫度；增大蒸發源面積。增大蒸發源面積。提高沉積速率的方法：提高沉積速率的方法：11影響：影響：膜層結構、凝聚系數、膨脹系數和聚集密度。膜層結構、凝聚系數、膨脹系數和聚集密度。3.基底溫度基底溫度冷基底：金

6、屬膜或光學塑料基底；冷基底：金屬膜或光學塑料基底；宏觀表現：宏觀表現：折射率、散射、應力、附著力、硬度和不折射率、散射、應力、附著力、硬度和不溶性溶性高溫基底的優點：高溫基底的優點： 將吸附在基底表面的剩余分子排除，增加基底與沉將吸附在基底表面的剩余分子排除，增加基底與沉積分子之間的積分子之間的結合力結合力； 增強分子之間的相互作用，使膜層致密，增大附著增強分子之間的相互作用，使膜層致密，增大附著力及提高機械強度；力及提高機械強度；注：基底溫度過高，也會使膜層結構變化、膜料分解、注：基底溫度過高，也會使膜層結構變化、膜料分解、不利成膜。不利成膜。12 1). 鍍前轟擊：鍍前轟擊：離子濺射使基片

7、離子濺射使基片再清潔再清潔，提高膜層，提高膜層在基片表面的在基片表面的凝聚系數和附著力凝聚系數和附著力； 2).鍍中和鍍后轟擊：鍍中和鍍后轟擊：提高膜層的提高膜層的聚集密度聚集密度，促進化，促進化學反應，使氧化物膜層學反應，使氧化物膜層折射率提高折射率提高，機械強度和抗，機械強度和抗激光損傷閾值提高。激光損傷閾值提高。4.離子轟擊離子轟擊5.基片材料基片材料 1). 膨脹系數不同膨脹系數不同 2). 化學親和力不同化學親和力不同 3). 表面粗糙度和缺陷表面粗糙度和缺陷熱應力熱應力影響膜層附著力影響膜層附著力散射散射13殘留在基片表面的污物和清潔劑將導致：殘留在基片表面的污物和清潔劑將導致：

8、1）. 膜層對基片的附著力差；膜層對基片的附著力差； 2）. 散射吸收增大抗激光損傷能力差；散射吸收增大抗激光損傷能力差； 3）. 透光性能變差。透光性能變差。6.基片清潔基片清潔7.膜層材料膜層材料 膜料的膜料的化學成分化學成分（純度（純度/雜質種類）、雜質種類）、物理物理狀態狀態（粉（粉/塊）和塊）和預處理預處理（真空燒結（真空燒結/鍛壓）影響鍛壓）影響膜層結構和性能。膜層結構和性能。8.蒸發方法蒸發方法 不同蒸發方法提供給蒸發分子和原子的不同蒸發方法提供給蒸發分子和原子的初始初始動能差異很大動能差異很大，導致膜層結構有較大差異，表現，導致膜層結構有較大差異，表現為折射率、散射、附著力有差

9、異。為折射率、散射、附著力有差異。149.蒸氣入射角蒸氣入射角 影響膜層的影響膜層的生長結構和聚集密度生長結構和聚集密度。對膜層的折。對膜層的折射率和散射性能有較大影響。一般應限制在射率和散射性能有較大影響。一般應限制在30之之內。內。10.鍍后烘烤處理鍍后烘烤處理 在大氣中對膜層加溫處理，有助于在大氣中對膜層加溫處理，有助于應力釋放應力釋放和和環境氣體分子及膜層分子的熱遷移，可使膜層結構環境氣體分子及膜層分子的熱遷移，可使膜層結構重組。因此，可使膜層折射率、應力、硬度有較大重組。因此，可使膜層折射率、應力、硬度有較大改變。改變。注意：以上所述的注意：以上所述的10個工藝因素對膜層性能的影響，

10、是依個工藝因素對膜層性能的影響，是依據實際工藝項目和膜層宏觀性能統計匯總得出的。據實際工藝項目和膜層宏觀性能統計匯總得出的。15工藝參數對薄膜性能的影響工藝參數對薄膜性能的影響基片基片材料材料基片基片清潔清潔離子離子轟擊轟擊初始初始材料材料蒸發蒸發方法方法蒸發蒸發速率速率真空真空度度基片基片溫度溫度蒸汽入蒸汽入射角射角烘烤烘烤處理處理折射率折射率 透射率透射率散射散射幾何厚度幾何厚度應力應力附著力附著力硬度硬度溫度穩定性溫度穩定性不溶性不溶性抗激光輻射抗激光輻射缺陷缺陷工藝參數對薄膜性能影響嚴重；工藝參數對薄膜性能影響嚴重； 表示有關系；表示有關系； 表示有依賴關系表示有依賴關系164.2.2

11、.提高膜層機械強度的工藝途徑提高膜層機械強度的工藝途徑 膜層的機械性能受膜層的機械性能受附著力、應力、聚集密度附著力、應力、聚集密度等等的影響。的影響。真空度。真空度。提高真空度會提高真空度會增大膜層聚集密增大膜層聚集密，增加膜，增加膜層層牢固度牢固度，改善膜層結構，使膜層化學成分變純，但，改善膜層結構，使膜層化學成分變純，但同時應力也增大。同時應力也增大。著重考慮以下幾個工藝參數：著重考慮以下幾個工藝參數：沉積速率。沉積速率。提高沉積速率不僅可以通過提高沉積速率不僅可以通過提高蒸發提高蒸發速率速率，還可以用，還可以用增大蒸發源面積增大蒸發源面積的辦法來達到。但是的辦法來達到。但是采用提高蒸發

12、源溫度的辦法有其缺點：使得膜層應力采用提高蒸發源溫度的辦法有其缺點：使得膜層應力太大；成膜氣體易分解。太大；成膜氣體易分解。17基片溫度?；瑴囟?。提高基片溫度有利于將吸附在基片表提高基片溫度有利于將吸附在基片表面的面的剩余氣體分子排除剩余氣體分子排除，增加基片與沉積分子之間的，增加基片與沉積分子之間的結合力結合力；但基片溫度過高會造成膜層變質。；但基片溫度過高會造成膜層變質。離子轟擊離子轟擊。蒸鍍前的轟擊可以清潔表面，。蒸鍍前的轟擊可以清潔表面，增加附增加附著力著力；鍍后轟擊可以；鍍后轟擊可以提高膜層聚集密度提高膜層聚集密度等，從而是機等，從而是機械強度和硬度增大。械強度和硬度增大。基片清潔

13、?；鍧??；逑捶椒ú贿m當或不潔凈，在基基片清洗方法不適當或不潔凈，在基片上殘留有雜質或清潔劑，則引起新的污染。片上殘留有雜質或清潔劑，則引起新的污染。184.2.3控制膜層控制膜層折射率折射率的主要工藝途徑的主要工藝途徑控制控制真空度真空度；控制控制沉積速率沉積速率；控制控制基片溫度基片溫度；控制膜料蒸氣分子入射角控制膜料蒸氣分子入射角 薄膜沉積速率對膜層折射率的影響薄膜沉積速率對膜層折射率的影響基底溫度T=300，氧分壓3.010-2Pa膜層折射率的工藝膜層折射率的工藝穩定性最為重要穩定性最為重要19目視法目視法厚度的三種概念：厚度的三種概念：幾何厚度（物理厚度）幾何厚度（物理厚度）光

14、學厚度（光學厚度（nd）質量厚度質量厚度（單位面積上的質量（單位面積上的質量)厚度監控方法：厚度監控方法：光電極值法光電極值法石英晶體石英晶體振蕩法振蕩法光譜法光譜法4.3 膜層厚度監控膜層厚度監控 光學膜層厚度的準確性要求高，監控方法多。光學膜層厚度的準確性要求高，監控方法多。204.3.1 目視法目視法 原理：原理：利用人眼對薄膜厚度變化時引起光束利用人眼對薄膜厚度變化時引起光束透過強度變化或者薄膜干涉顏色變化來判斷透過強度變化或者薄膜干涉顏色變化來判斷膜層厚度。膜層厚度。缺點：缺點：精度比較低，受人為及外界環境等精度比較低，受人為及外界環境等因素的影響較大因素的影響較大21 利用鍍膜過程

15、中，膜層的利用鍍膜過程中，膜層的T或或R隨膜層厚度增加出現隨膜層厚度增加出現極值，根據極值個數，獲得以極值，根據極值個數，獲得以/4為單位的整數厚度的為單位的整數厚度的膜層。膜層。 122112012220122112012220sinnnnncosnnsinnnnncosnnR 4.3.2光電極值法光電極值法1. 原理：原理： 由單層介質膜層的反射率公式由單層介質膜層的反射率公式1112n d 其其中中，以上就是以上就是極值法監控膜層厚度的基礎極值法監控膜層厚度的基礎 222202021111222202021111cossincossinnnnnnnRnnnnnn 11(1,2,3.)4n

16、 dmm 當當R、T取極值取極值114n dm 114n dm 當選定一個當選定一個作為監控波長時，只要膜層的光學厚作為監控波長時，只要膜層的光學厚度是度是/4的整數倍，其透射和反射光信號就具有一的整數倍，其透射和反射光信號就具有一個或多個可供明確判斷的極值；個或多個可供明確判斷的極值； 例如：例如：0=500nm時時, nd=125nm (1個極值個極值), nd=250nm (2個極值個極值),對一個欲得到的膜層任意光學厚度（對一個欲得到的膜層任意光學厚度（n1d1），一定），一定存在一個或數個波長的光可用來依極值法原理監控存在一個或數個波長的光可用來依極值法原理監控其厚度其厚度。 例如：

17、例如： nd=250nm時時, 01=1000nm, (1個極值個極值) 02=500nm, (2個極值個極值) 03=250nm, (4個極值個極值)242、極值法使用中存在的兩大缺陷、極值法使用中存在的兩大缺陷 111100dR d n ddT d n d 或或 1111Tn dRn d 和和也也很很小小在在T T和和R R的極值點的極值點在在T T和和R R極值點附近極值點附近極值點的準確判斷是很困難的。極值點的準確判斷是很困難的。25o 對任意膜層厚度對任意膜層厚度 n1d1,雖然理論上存在波長雖然理論上存在波長，當，當n1d1=m /4 時，時，T和和R有極值有極值但但膜厚監控光電系

18、統膜厚監控光電系統中的中的光源、光學元件、傳感器光源、光學元件、傳感器、以及以及膜料透明區膜料透明區的限制的限制，使實際可用的使實際可用的波長波長限制在限制在很窄的波段范圍內。很窄的波段范圍內。26 3. 極值法監控技巧極值法監控技巧 極值法監控精度不高的主要原因是極值法監控精度不高的主要原因是極值點的判讀極值點的判讀精度不高精度不高所致，常用下列方法：所致，常用下列方法：. 過正控制過正控制選用比由選用比由nd= /4確定的波長稍短一點確定的波長稍短一點的波長作為監控波長，允許的波長作為監控波長，允許T或或R有一定的過正量，有一定的過正量，讓停鍍點避開極值點讓停鍍點避開極值點。. 高級次監控

19、高級次監控增大增大T或或R的變化的變化總幅度總幅度，減小，減小T或或R的相對判讀誤差，提高膜層厚度的控制精度。的相對判讀誤差，提高膜層厚度的控制精度。. 預鍍監控片預鍍監控片通過通過提高監控片的提高監控片的Y，增大增大T或或R的的變化幅度變化幅度，減小，減小T或或R的相對判讀誤差。的相對判讀誤差。 典型裝置典型裝置 基基片片膜厚儀膜厚儀284. 極值法的改進極值法的改進o 雙光路補償法雙光路補償法p 微分法微分法o 雙光路補償法雙光路補償法測量測量信號信號參考參考信號信號差值差值30o雙光路補償法優點：雙光路補償法優點：擴大了擴大了信號變化部分的幅度信號變化部分的幅度，提高了判讀精度（最好時，

20、提高了判讀精度（最好時可以達到可以達到 0.1%）。）。 例：前述的單光路極值法反射光監控精度例：前述的單光路極值法反射光監控精度3% 8%，可相應提高到可相應提高到1% 2.7%.電源、光源等因素引起的參考信號和測量信號的同步變電源、光源等因素引起的參考信號和測量信號的同步變化，并不改變差值變化。因此化，并不改變差值變化。因此 ，降低了對光源穩定性降低了對光源穩定性的要求。的要求。p 微分法微分法 利用微分電路，將利用微分電路，將變化率最小的極值點變化率最小的極值點改為改為對應對應變化率大的變化率大的微分信號的零點微分信號的零點。o T或或R的極值點判讀的極值點判讀改為：零點（定值）改為：零

21、點（定值）判定；判定；o 由于微分信號在零由于微分信號在零點處變化率最大，判點處變化率最大，判讀誤差也就最小。讀誤差也就最小。325、光電、光電極值法監控的特點極值法監控的特點o 只能用于監控光學厚度，不能用來監控幾何厚度；只能用于監控光學厚度，不能用來監控幾何厚度；o 只能用于監控四分之一波長厚度，對于監控任意只能用于監控四分之一波長厚度，對于監控任意厚度無能為力。厚度無能為力。334.3.3 4.3.3 任意膜厚的單波長監控任意膜厚的單波長監控p . 對所需的膜層厚度對所需的膜層厚度計算出對應的極值波長，計算出對應的極值波長，用極值法監控用極值法監控。（變波長監控）（變波長監控）對于非規則

22、膜系膜層厚度監控三種方法：對于非規則膜系膜層厚度監控三種方法：p . 對于折射率穩定易重復的膜層，對于折射率穩定易重復的膜層，可以監控非可以監控非極值波長的極值波長的T或或R值。值。(定值法監控定值法監控)p (3). 曲線比擬法曲線比擬法曲線比擬法曲線比擬法10100101BBAABATTTTTTTTA理論計算理論計算B實際鍍膜實際鍍膜當實際厚度當實際厚度=理論計算厚度時，曲線相似：理論計算厚度時，曲線相似：354.3.4 石英晶振法石英晶振法 利用測量石英晶體利用測量石英晶體振動頻率或周期振動頻率或周期隨隨石石英晶片厚度英晶片厚度的變化量，達到測量沉積在石英的變化量，達到測量沉積在石英晶片

23、上的膜層厚度的目的。晶片上的膜層厚度的目的。1. 頻移法頻移法 依據石英晶片振動頻率依據石英晶片振動頻率 f 與晶片厚度與晶片厚度dq成反比的原理：成反比的原理：f=N/dq，其中，其中N由石英晶片決定的常數。由石英晶片決定的常數。 若在晶片一個表面鍍上厚度為若在晶片一個表面鍍上厚度為 df 膜層，假設對膜層，假設對應的等效石英晶片厚度為應的等效石英晶片厚度為dq ,ffqqmAdAdA 晶片面積fqfqdd 222=ffqffqqqqNNffdddddN 2qffqNdff 37忽略了有膜晶片與無膜晶片忽略了有膜晶片與無膜晶片振動模式振動模式的差異；的差異；忽略了有膜晶片忽略了有膜晶片連續或

24、繼續使用時振動連續或繼續使用時振動基頻基頻f的變化。的變化。 結果導致了頻移法在結果導致了頻移法在原理上就是近似的原理上就是近似的。o頻移法存在的問題頻移法存在的問題： 2. 周期法周期法 若用若用f0和和d0分別表示石英晶片的振動基頻和初始厚分別表示石英晶片的振動基頻和初始厚度度00fN d 00qfffNdd 00qddNff fqfqdd 00qffNNdfff TTNd0fqf 考慮振動基頻考慮振動基頻f的變化的變化393. 聲阻抗法聲阻抗法o 若將鍍膜后石英晶片若將鍍膜后石英晶片振動模式振動模式的改變也考慮在膜層厚度的改變也考慮在膜層厚度的計算公式中，則可得出更加精確的測厚公式：的計

25、算公式中，則可得出更加精確的測厚公式：o 式中：式中： 分別是膜層和石英晶片的聲阻抗值。分別是膜層和石英晶片的聲阻抗值。qfZZ 和和 TT1tgTNZZtgZZd0fq1qffqf404晶控與光控比較晶控與光控比較o 光控：光控：n 直接控制光學膜層的目標特性直接控制光學膜層的目標特性參數參數T或或 R；n 不同膜層的厚度誤差有不同膜層的厚度誤差有相互補償作用相互補償作用；n 對膜層厚度的對膜層厚度的控制精度較低控制精度較低。o 晶控：晶控：n 控制精度高控制精度高（1埃），易實現自動控制；埃），易實現自動控制；n 可直接監控可直接監控成膜速率成膜速率，便于工藝穩定重復和，便于工藝穩定重復和

26、閉閉環控制環控制；n 可控制可控制任意厚度任意厚度；n 溫度對石英晶片的溫度對石英晶片的 f 影響大，影響大，需要恒溫措施需要恒溫措施 (增加水冷卻裝置增加水冷卻裝置)。414.3.5寬光譜膜厚監控寬光譜膜厚監控 基本思想：基本思想：鍍膜前計算出寬光譜范圍內透過率特性，鍍膜前計算出寬光譜范圍內透過率特性，與鍍膜時的實測數值比較，不斷修正，比較值最與鍍膜時的實測數值比較，不斷修正，比較值最小時即停止鍍膜。小時即停止鍍膜。直觀、精度高直觀、精度高在鍍膜機上設置一臺在鍍膜機上設置一臺快速掃描分光光度計快速掃描分光光度計（全光（全光譜采樣時間小于譜采樣時間小于100mS，波長分辨率優于，波長分辨率優于

27、2nm，波，波長重復性優于長重復性優于1nm，T或或R測量精度測量精度1%），），實現膜實現膜層層 T 或或 R曲線的適時測量。曲線的適時測量。 具體方案具體方案： 設定合理的設定合理的目標評價函數目標評價函數：寬波段監控的目標：寬波段監控的目標（停鍍點），是由（停鍍點），是由適時測量光譜函數（曲線）適時測量光譜函數（曲線）與與理理論設計的目標光譜函數（曲線）之差論設計的目標光譜函數（曲線）之差確定的目標評確定的目標評價函數的價函數的極小值極小值。適時測量適時測量 n、d值，值，修正膜系設計修正膜系設計，確保達到設，確保達到設計要求：計要求：通過已鍍膜層的實際測量光譜曲線，擬算通過已鍍膜層的實際測量光譜曲線，擬算出膜層的出膜層的