教學內容教學目的和要求光學鍍膜系統的組成及其作用；

真空的獲得和檢測方法；

用熱蒸發方法制造光學薄膜；

用濺射方法制造光學薄膜；

離子鍍原理和方法。了解常用光學薄膜的基本設備、原理和方法。3.1常用光學真空鍍膜系統獲得光學薄膜兩種工藝：物理氣相沉積和化學液相沉積（CLD）

物理氣相沉積（PVD）：在真空條件下，采用物理方法，將材料源——固體或液體表面氣化成氣態原子、分子或部分電離成離子，并通過低壓氣體(或等離子體)過程，在基體表面沉積具有某種特殊功能的薄膜的技術。主要方法：真空蒸鍍、濺射鍍膜、電弧等離子體鍍、離子鍍膜及分子束外延等。特點：須在真空下進行，成本高，但膜厚可以精確控制，膜層強度好。

化學液相沉積（CLD）：工藝簡單，成本低，但膜層厚度不能控制，膜層強度差，較難獲得多層膜且存在水污染問題。光學真空鍍膜機的組成：真空系統、熱蒸發系統和膜層厚度控制系統。什么是真空？壓強低于一個大氣壓的任何氣態空間。真空度：表征真空的物理量。實際上是用氣體壓強來表示的。壓強越小，真空度越高。量度單位：帕斯卡（Pa）1mmHg=133.3Pa;1Torr(托)=133.3Pa;1mbar(毫巴)＝0.75Torr＝100Pa真空系統:真空室、抽真空設備、真空檢測設備真空在薄膜制備中的作用：1）減少蒸發分子和殘余氣體的碰撞；

碰撞引起蒸發氣體運動散亂。2）抑制它們之間的反應。

蒸發分子和殘余氣體間的反應影響光學膜的純度。蒸發分子和殘余氣體的碰撞N0個蒸發分子行進距離d后未受殘余氣體分子碰撞的數目為溫度和氣體種類一定時有：l·P=常數對于25°C的空氣，l·P0.667（cm·Pa）被碰撞的百分比為提高平均自由程，需提高真空度。例題：設蒸發源到基板的距離為30cm,在25C時,如要求80%以上的蒸汽分子在行進的過程中不碰撞,則要求真空度至少為多少?若真空度為6.710-3Pa,則碰撞的氣體分子大約占百分之幾?

解：由對于25°C的空氣，l·P0.667（cm·Pa），于是若P=6.710-3Pa,則：于是高真空油擴散泵+低真空機械泵+低溫冷凝泵抽真空步驟：1）用低真空機械泵先將真空室抽到低于5Pa的低真空狀態，為油擴散泵后續抽真空作準備；2）由機械泵和油擴散泵串聯機組將真空室抽到高真空狀態（10-3Pa）。此時機械泵的作用是幫助油擴散泵將氣體排到大氣中。低溫冷凝泵的最大優點為無油，避免油污染，鍍膜牢固性好。羅茨泵可輔助提高機械泵和油擴散泵串聯機組的抽氣速度，從而壓縮抽真空時間，提高工作效率。抽真空設備熱蒸發系統一般光學真空鍍膜機中有電阻熱蒸發電極（用于蒸發低熔點材料）兩對，電子束蒸發源（用于蒸發高熔點材料）一至兩個。膜層厚度控制系統精密的膜層厚度控制系統是光學鍍膜系統的特點。按控制方法可分兩類：1）石英晶體膜厚儀。它是基于石英振蕩頻率隨膜厚的增加而衰減的原理進行膜厚測量的，所測量的是幾何膜厚。測量靈敏度可達0.1nm。2）光電膜厚儀。它以被鍍光學零件的透過或反射信號隨膜厚的變化值作為測量膜厚的依據，所測的是膜層的光學厚度。測量靈敏度較低。屬于新技術，有望完善取代前者。3.2真空的獲得與檢測真空泵主要性能參數

抽氣速率（體積流率）：L/s,m3/s；極限真空:可以抽到的最低壓強；啟動壓強:泵無損啟動，并有抽氣作用的壓強；前級壓強:排氣口壓強；最大前級壓強（反壓強）：超過了就會使泵損壞或不能正常工作的前級壓強。注意：直接用于抽大氣并向大氣中排氣的只有機械泵。機械泵原理簡介機械泵性能指標抽氣速率（體積流率）：葉片個數轉速泵腔的容積；極限真空:5.010-2Pa

；啟動壓強:1.013105Pa

；前級壓強:1.013105Pa；工作壓強:1.013105Pa

~1.333105Pa。常用的真空泵：機械泵、分子泵和羅茨泵、擴散泵和低溫冷凝泵等。理論基礎：PV=RT即，壓強體積=常數溫度打開進氣口增大體積吸氣關上進氣口，縮小體積打開出氣口排氣。擴散泵原理簡介羅茨泵原理簡介兩個“8”字型的轉子安裝在一對平行軸上，由傳動比為1的一對齒輪帶動做同步反向轉動。轉子之間、轉子和泵殼內壁保持少量間隙。打開進氣口增大體積吸氣關上進氣口，縮小體積打開出氣口排氣。輔助提高機械泵和油擴散泵串聯機組的抽氣速度。低溫冷凝泵原理簡介利用低溫冷凝和低溫吸附原理抽氣的容積式真空泵。是獲得無油高真空環境的設備。其最大特點就是無油污染。低溫冷凝：用液He冷卻氣體表面（可達4.2K）。它可用來冷凝空氣中除H2、He以外的大部分氣體。低溫吸附：在低溫表面粘貼一些固體吸附劑，氣體分子到達這些多孔的吸附表面就被收集。特點：1.無油污染；2.抽速大；3.運行費低，操作簡單；4.適應性強（真空腔內無運動部件，抗外界干擾和真空系統微粒影響能力強）；5.可安裝在任何部位；6.運動部件少且低速運行，壽命長；7.極限真空都可達10-7Pa，有的型號可達10-9Pa。機械泵的性能特點：能直接抽大氣或向大氣排氣。用于低真空場合，抽速較慢。擴散泵的性能特點：

不能直接抽大氣或向大氣排氣。必須在有水冷的條件下工作。極限真空接近10-7Pa。羅茨泵的性能特點：

抽速較快，用于低真空場合，不能直接抽大氣或向大氣排氣。分子泵的性能特點：不需任何工作液體，屬于純機械運動，極限真空~10-8Pa。不能直接抽大氣或向大氣排氣。低溫冷凝泵的性能特點：低溫冷凝和低溫吸附原理。無油，高真空。不能直接抽大氣或向大氣排氣。極限真空~10-8Pa。熱陰極電離真空計原理：具有足夠能量的電子在運動中與氣體分子碰撞會引起電離，產生正離子和電子。而電子在一定的“飛行”路程中與氣體分子的碰撞次數又正比于氣體分子密度。在溫度一定時正比于氣壓。通過測量正離子數來測量氣壓。測量范圍為0.1~10－5Pa。熱陰極電離真空計優點：1）響應快，可連續讀數，也可遠距離控制；2）可測高真空度；3）規管小，易于連接到被測量處；熱電離真空規管4）一般電離真空計的校準曲線范圍較寬，約0.1~10－5Pa；5）對機械振動不敏感。熱陰極電離真空計缺點：1）靈敏度與氣體種類有關；2）壓強大于0.1Pa時，燈絲易燒毀。如沒保護裝置，一旦漏氣，規管立即燒毀；3）工作時產生化學清除作用或電清除作用，造成壓強改變，影響測量精度；4）玻璃殼、電極放電作用會影響測量精度。熱蒸發通過加熱使膜層材料蒸發。主要的光學鍍膜方法。電阻加熱：低壓大電流使高熔點金屬制成的蒸發源產生熱，從而導致所承載的膜料氣化或升華。優點：結構簡單、經濟而且操作方便。缺點：1）不能蒸發高熔點的材料；2）膜料容易熱分解；3）膜料粒子初始動能低，膜層填充密度低，機械強度差。選用蒸發源應考慮的因素：1）熔點高，熱穩定性好；2）蒸發源在工作溫度有足夠低的蒸氣壓；3）不與膜料反應；4）高溫下與膜料不相濕（相滲）或雖然相濕，但不相溶。5）經濟實惠。電子束加熱燈絲通過大電流，其內部的一部分電子因獲得足夠的能量而逸出表面，發射出熱電子。這樣高速運動的電子流在外加磁場的作用下聚焦成細束轟擊膜料表面，使電子的動能轉化為膜料的熱能（電子槍）。發射電流密度和金屬溫度的關系e型電子槍逸出電子在外加場作用下加速轟擊靶材料表面，動能變成熱能。電子束加熱優點：1）電子束的焦斑大小位置均可調，既方便利用小坩鍋，也可以利用大坩鍋；2）可以一槍多鍋，易于蒸發工藝的重復穩定；蒸發速度易控，方便使用多種膜料和一源多用；3）燈絲易屏蔽保護，不受污染，壽命長；4）使用維修方便；5）可蒸發高熔點的材料（W,Ta,Mo,

氧化物和陶瓷等）；6）可快速升溫至蒸發溫度，化合物分解少；7）膜料粒子初始動能高，膜層填充密度高，機械強度高。濺射用高速正離子轟擊膜料表面，通過動量傳遞，使其分子或原子獲得足夠的動能從靶表面逸出，在被鍍表面凝結成膜。其理論基礎是氣體的輝光放電：氣壓在1～10Pa時，高壓電極間氣體電離形成的低壓大電流導體，并伴有輝光的氣體放電現象。與熱蒸發鍍膜技術比較，其優點為：膜層在基片上的附著力強，膜層純度高，可同時濺射多種不同成分的合金膜或化合物；其缺點為：需制備專用鍍料，靶利用率低。離子鍍屬于真空熱蒸發與濺射兩種技術相結合而產生的一種新工藝。被蒸發粒子在從蒸發源到基板的途中離化，然后向具有負偏壓的基板加速。兼有熱蒸發的高成膜速率和濺射高能離子轟擊得致密膜層的雙優效果。離子鍍的優點為：1）膜層附著力強。高能粒子轟擊使基板更加清潔，產生高溫、膜層純度高，還使附著力弱的原子或分子產生濺射離開基板。另外，促進了膜層材料的表面擴散和化學反應，甚至產生注入效應，因而大大增強附著力。2）膜層密度高。高能粒子不僅表面遷移率大，而且再濺射時克服了淀積時的陰影效應，因而膜密度接近塊材料。3）膜層均勻性好。基板前后表面均能淀積薄膜。凡電力線能設計的部位就能鍍膜，該技術可用于復雜形狀的光學鍍膜。4）膜層淀積速率快。離子鍍利用熱蒸發技術，最高淀積速率可達50m/min。5）可在任何材料的工件上鍍膜（施加高頻電場）。制造高硬度的機械刀具和耐磨的固體潤滑膜，在金屬和塑料等制品上鍍耐久的裝飾膜等。離子鍍的常見類型：蒸發源：可以是任何一種熱蒸發方式。離化方式：直流輝光放電、高頻輝光放電、弧光放電、電子束、熱電子型等等。已形成的實用技術：活化離子鍍、空心陰極離子鍍和弧源離子鍍等。離子輔助鍍在熱蒸發鍍膜技術中，增設離子發生器，即離子源，產生離子束，在熱蒸發進行的同時，用粒子束轟擊正在生長的膜層，形成致密均勻結構（聚集密度接近于1），使膜層的穩定性提高，達到改善膜層的光學和機械性能的目的。離子輔助的作用鍍前轟擊：在鍍膜前的0.5~3min，用離子束轟擊將要鍍膜的零件表面既能清潔待鍍膜的表面，又壓縮了離子轟擊（鍍中轟擊）時間，更能使離子轟擊的作用得到最大程度的發揮。鍍中轟擊的作用有以下三個方面：1）濺射突出島，消除陰影效應，破壞柱狀結構，形成均應填充生長。2）膜層粒子受轟擊而獲得高閾值能的能量時，就可以產生級聯碰撞，這樣增加原子、分子的遷移率，使膜層粒子間緊密結合，有利于形成致密結構。3）膜層粒子受離子轟擊而獲得高閾值能的能量時，其晶格振動加劇，形成局部熱峰。當多數粒子均因此而形成局部熱峰時，將產生明顯的淬火效應。用于離子輔助鍍的離子源：利用氣體放電產生等離子體，并能從等離子體中引出離子束。冷陰極輝光放電離子源：冷陰極二次電子發射維持輝光放電。特點：1）冷陰極工作壽命長，適用于活性氣體；2）結構簡單，操作方便；3）放電電壓高（400~500V），束流小（10~20mA），能散度大，束流和能量不能獨立調節。熱陰極弧光放電：熱陰極電子發射維持弧光放電。特點：1）熱陰極工作壽命短，不適用活性氣體；2）結構復雜；3）低工作電壓、低放電電壓，束流大（數百毫安）能散度小，束流和能量可以獨立調節。等離子體源：可以單源大面積均勻輔助，但輔助效果受等離子源放電功率及其穩定性、工作真空度等因素的影