第4章光學(xué)薄膜制造工藝

光學(xué)薄膜器件性能質(zhì)量好壞由兩個(gè)方面決定：膜系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)性能薄膜器件的制造性能要求：R、T、A、機(jī)械性能、薄膜的穩(wěn)定性等設(shè)計(jì)：膜系結(jié)構(gòu)、折射率、厚度、材料根據(jù)薄膜設(shè)計(jì)進(jìn)行制造薄膜注意：制造與設(shè)計(jì)之間存在差異1第四章光學(xué)薄膜制造工藝1光學(xué)薄膜器件的質(zhì)量要求2影響膜層質(zhì)量的工藝要素3膜層厚度監(jiān)控

4膜層厚度均勻性24.1光學(xué)薄膜器件的質(zhì)量要求1、薄膜器件光學(xué)性能(R、T、A)聚集密度(填空密度)微觀(guān)組織物理結(jié)構(gòu)(晶體結(jié)構(gòu))膜層化學(xué)成分光學(xué)常數(shù)(n,k,d)折射率產(chǎn)生偏差的原因介電常數(shù)空隙氣體鍍膜方式、T34.1光學(xué)薄膜器件的質(zhì)量要求2、薄膜器件機(jī)械性能硬度牢固度—（附著力）3、薄膜器件環(huán)境穩(wěn)定性鹽水鹽霧、高濕高溫、高低溫、水浴、酸堿腐蝕材料本身+內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定結(jié)合力性質(zhì)決定44、膜層填充密度(1)產(chǎn)生柱狀結(jié)構(gòu)的原因：薄膜聚集密度（填充密度）P:填充膜料①沉積分子的有限遷移率②已經(jīng)沉積分子對(duì)后繼沉積分子的陰影效應(yīng)5蒸氣入射角與柱狀結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方向之間的關(guān)系：基底溫度；沉積速率；真空度；沉積入射角；離子轟擊。(2)影響薄膜聚集密度的因素:6熱蒸發(fā)制備的薄膜柱狀結(jié)構(gòu)照片74.2影響膜層質(zhì)量的工藝要素真空鍍膜基本工藝過(guò)程:84.2.1影響膜層質(zhì)量的工藝要素及作用機(jī)理1.真空度作用機(jī)理：影響薄膜性能①折射率②散射③機(jī)械性能殘余氣體分子與膜料分子的碰撞，導(dǎo)致蒸發(fā)的膜料分子或原子的能量損失和化學(xué)反應(yīng)，致使膜層聚集密度低，膜層疏松，化學(xué)成分不純。92.沉積速率（蒸發(fā)速率）定義沉積速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)在基底表面上形成的膜層厚度，單位為nm/s。

影響薄膜性能：折射率、牢固度、機(jī)械強(qiáng)度、應(yīng)力、附著力。①提高蒸發(fā)源溫度；增大蒸發(fā)源面積。提高沉積速率的方法：10影響：膜層結(jié)構(gòu)、凝聚系數(shù)、膨脹系數(shù)和聚集密度。3.基底溫度冷基底：金屬膜或光學(xué)塑料基底；宏觀(guān)表現(xiàn)：折射率、散射、應(yīng)力、附著力、硬度和不溶性高溫基底的優(yōu)點(diǎn)：①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結(jié)合力；②增強(qiáng)分子之間的相互作用，使膜層致密，增大附著力及提高機(jī)械強(qiáng)度；注：基底溫度過(guò)高，也會(huì)使膜層結(jié)構(gòu)變化、膜料分解、不利成膜。11

1).鍍前轟擊：離子濺射使基片再清潔，提高膜層在基片表面的凝聚系數(shù)和附著力；

2).鍍中和鍍后轟擊：提高膜層的聚集密度，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，使氧化物膜層折射率提高，機(jī)械強(qiáng)度和抗激光損傷閾值提高。4.離子轟擊5.基片材料1).膨脹系數(shù)不同2).化學(xué)親和力不同3).表面粗糙度和缺陷熱應(yīng)力影響膜層附著力散射12殘留在基片表面的污物和清潔劑將導(dǎo)致：1）.膜層對(duì)基片的附著力差；2）.散射吸收增大抗激光損傷能力差；3）.透光性能變差。6.基片清潔7.膜層材料膜料的化學(xué)成分（純度/雜質(zhì)種類(lèi)）、物理狀態(tài)（粉/塊）和預(yù)處理（真空燒結(jié)/鍛壓）影響膜層結(jié)構(gòu)和性能。8.蒸發(fā)方法不同蒸發(fā)方法提供給蒸發(fā)分子和原子的初始動(dòng)能差異很大，導(dǎo)致膜層結(jié)構(gòu)有較大差異，表現(xiàn)為折射率、散射、附著力有差異。139.蒸氣入射角影響膜層的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和聚集密度。對(duì)膜層的折射率和散射性能有較大影響。一般應(yīng)限制在30°之內(nèi)。10.鍍后烘烤處理在大氣中對(duì)膜層加溫處理，有助于應(yīng)力釋放和環(huán)境氣體分子及膜層分子的熱遷移，可使膜層結(jié)構(gòu)重組。因此，可使膜層折射率、應(yīng)力、硬度有較大改變。注意：以上所述的10個(gè)工藝因素對(duì)膜層性能的影響，是依據(jù)實(shí)際工藝項(xiàng)目和膜層宏觀(guān)性能統(tǒng)計(jì)匯總得出的。14工藝參數(shù)對(duì)薄膜性能的影響基片材料基片清潔離子轟擊初始材料蒸發(fā)方法蒸發(fā)速率真空度基片溫度蒸汽入射角烘烤處理折射率□□△△△△△透射率□□□＃＃?！魃⑸洹鳌酰＃！酰！鳌酢鲙缀魏穸取酢酢酢酢鳌酰?yīng)力△?！鳌酢酢酢醺街Α酢鳌鳌酢酢酢鳌酢跤捕取酢酢酢鳌鳌酢鳒囟确€(wěn)定性□□□△□□不溶性＃□□□□△△□□抗激光輻射?！酢酢酢酢酢酢跞毕荨鳌酢酢酢鳌酰！酢酢鳎に噮?shù)對(duì)薄膜性能影響嚴(yán)重；□－表示有關(guān)系；＃－表示有依賴(lài)關(guān)系154.2.2.提高膜層機(jī)械強(qiáng)度的工藝途徑膜層的機(jī)械性能受附著力、應(yīng)力、聚集密度等的影響。①真空度。提高真空度會(huì)增大膜層聚集密，增加膜層牢固度，改善膜層結(jié)構(gòu)，使膜層化學(xué)成分變純，但同時(shí)應(yīng)力也增大。著重考慮以下幾個(gè)工藝參數(shù)：②沉積速率。提高沉積速率不僅可以通過(guò)提高蒸發(fā)速率，還可以用增大蒸發(fā)源面積的辦法來(lái)達(dá)到。但是采用提高蒸發(fā)源溫度的辦法有其缺點(diǎn)：使得膜層應(yīng)力太大；成膜氣體易分解。16③基片溫度。提高基片溫度有利于將吸附在基片表面的剩余氣體分子排除，增加基片與沉積分子之間的結(jié)合力；但基片溫度過(guò)高會(huì)造成膜層變質(zhì)。④離子轟擊。蒸鍍前的轟擊可以清潔表面，增加附著力；鍍后轟擊可以提高膜層聚集密度等，從而是機(jī)械強(qiáng)度和硬度增大。⑤基片清潔?；逑捶椒ú贿m當(dāng)或不潔凈，在基片上殘留有雜質(zhì)或清潔劑，則引起新的污染。174.2.3控制膜層折射率的主要工藝途徑①控制真空度；②控制沉積速率；③控制基片溫度；④控制膜料蒸氣分子入射角薄膜沉積速率對(duì)膜層折射率的影響基底溫度T=300℃，氧分壓3.0×10-2Pa膜層折射率的工藝穩(wěn)定性最為重要18目視法厚度的三種概念：幾何厚度（物理厚度）光學(xué)厚度（nd）質(zhì)量厚度（單位面積上的質(zhì)量)厚度監(jiān)控方法：光電極值法石英晶體振蕩法光譜法4.3膜層厚度監(jiān)控光學(xué)膜層厚度的準(zhǔn)確性要求高，監(jiān)控方法多。194.3.1目視法原理：利用人眼對(duì)薄膜厚度變化時(shí)引起光束透過(guò)強(qiáng)度變化或者薄膜干涉顏色變化來(lái)判斷膜層厚度。缺點(diǎn)：精度比較低，受人為及外界環(huán)境等因素的影響較大20

——利用鍍膜過(guò)程中，膜層的T或R隨膜層厚度增加出現(xiàn)極值，根據(jù)極值個(gè)數(shù)，獲得以λ/4為單位的整數(shù)厚度的膜層。4.3.2光電極值法1.原理：

由單層介質(zhì)膜層的反射率公式21以上就是極值法監(jiān)控膜層厚度的基礎(chǔ)當(dāng)R、T取極值22

①當(dāng)選定一個(gè)λ作為監(jiān)控波長(zhǎng)時(shí)，只要膜層的光學(xué)厚度是λ/4的整數(shù)倍，其透射和反射光信號(hào)就具有一個(gè)或多個(gè)可供明確判斷的極值；例如：λ0=500nm時(shí),nd=125nm(1個(gè)極值),nd=250nm(2個(gè)極值),②對(duì)一個(gè)欲得到的膜層任意光學(xué)厚度（n1d1），一定存在一個(gè)或數(shù)個(gè)波長(zhǎng)的光可用來(lái)依極值法原理監(jiān)控其厚度。例如：

nd=250nm時(shí),λ01=1000nm,(1個(gè)極值)

λ02=500nm,(2個(gè)極值)

λ03=250nm,(4個(gè)極值)232、極值法使用中存在的兩大缺陷①∵在T和R的極值點(diǎn)∴在T和R極值點(diǎn)附近極值點(diǎn)的準(zhǔn)確判斷是很困難的。24②對(duì)任意膜層厚度n1d1,雖然理論上存在波長(zhǎng)λ，當(dāng)n1d1=mλ/4時(shí)，T和R有極值但膜厚監(jiān)控光電系統(tǒng)中的光源、光學(xué)元件、傳感器、以及膜料透明區(qū)的限制，使實(shí)際可用的波長(zhǎng)λ限制在很窄的波段范圍內(nèi)。253.極值法監(jiān)控技巧極值法監(jiān)控精度不高的主要原因是極值點(diǎn)的判讀精度不高所致，常用下列方法：①.過(guò)正控制—選用比由nd=λ/4確定的波長(zhǎng)稍短一點(diǎn)的波長(zhǎng)作為監(jiān)控波長(zhǎng)，允許T或R有一定的過(guò)正量，讓停鍍點(diǎn)避開(kāi)極值點(diǎn)。②.高級(jí)次監(jiān)控—增大T或R的變化總幅度，減小T或R的相對(duì)判讀誤差，提高膜層厚度的控制精度。③.預(yù)鍍監(jiān)控片—通過(guò)提高監(jiān)控片的Y，增大T或R的變化幅度，減小T或R的相對(duì)判讀誤差。26

典型裝置基片膜厚儀274.極值法的改進(jìn)雙光路補(bǔ)償法微分法28

雙光路補(bǔ)償法測(cè)量信號(hào)參考信號(hào)差值29雙光路補(bǔ)償法優(yōu)點(diǎn)：①擴(kuò)大了信號(hào)變化部分的幅度，提高了判讀精度（最好時(shí)可以達(dá)到0.1%）。例：前述的單光路極值法反射光監(jiān)控精度3%~8%，可相應(yīng)提高到1%~2.7%.②電源、光源等因素引起的參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)的同步變化，并不改變差值變化。因此，降低了對(duì)光源穩(wěn)定性的要求。30

微分法

利用微分電路，將變化率最小的極值點(diǎn)改為對(duì)應(yīng)變化率大的微分信號(hào)的零點(diǎn)。①T或R的極值點(diǎn)判讀改為：零點(diǎn)（定值）判定；②由于微分信號(hào)在零點(diǎn)處變化率最大，判讀誤差也就最小。315、光電極值法監(jiān)控的特點(diǎn)只能用于監(jiān)控光學(xué)厚度，不能用來(lái)監(jiān)控幾何厚度；只能用于監(jiān)控四分之一波長(zhǎng)厚度，對(duì)于監(jiān)控任意厚度無(wú)能為力。324.3.3任意膜厚的單波長(zhǎng)監(jiān)控⑴.對(duì)所需的膜層厚度計(jì)算出對(duì)應(yīng)的極值波長(zhǎng)，用極值法監(jiān)控。（變波長(zhǎng)監(jiān)控）對(duì)于非規(guī)則膜系膜層厚度監(jiān)控三種方法：⑵.對(duì)于折射率穩(wěn)定易重復(fù)的膜層，可以監(jiān)控非極值波長(zhǎng)的T或R值。(定值法監(jiān)控)

(3).曲線(xiàn)比擬法33曲線(xiàn)比擬法A理論計(jì)算B實(shí)際鍍膜當(dāng)實(shí)際厚度=理論計(jì)算厚度時(shí)，曲線(xiàn)相似：344.3.4石英晶振法

利用測(cè)量石英晶體振動(dòng)頻率或周期隨石英晶片厚度的變化量，達(dá)到測(cè)量沉積在石英晶片上的膜層厚度的目的。351.頻移法依據(jù)石英晶片振動(dòng)頻率f與晶片厚度dq成反比的原理：f=N/dq，其中N—由石英晶片決定的常數(shù)。

若在晶片一個(gè)表面鍍上厚度為Δdf膜層，假設(shè)對(duì)應(yīng)的等效石英晶片厚度為Δdq

36①忽略了有膜晶片與無(wú)膜晶片振動(dòng)模式的差異；②忽略了有膜晶片連續(xù)或繼續(xù)使用時(shí)振動(dòng)基頻f的變化。結(jié)果導(dǎo)致了頻移法在原理上就是近似的。頻移法存在的問(wèn)題：37

2.周期法若用f0和d0分別表示石英晶片的振動(dòng)基頻和初始厚度考慮振動(dòng)基頻f的變化383.聲阻抗法若將鍍膜后石英晶片振動(dòng)模式的改變也考慮在膜層厚度的計(jì)算公式中，則可得出更加精確的測(cè)厚公式：式中：分別是膜層和石英晶片的聲阻抗值。394晶控與光控比較光控：①直接控制光學(xué)膜層的目標(biāo)特性參數(shù)T或R；②不同膜層的厚度誤差有相互補(bǔ)償作用；③對(duì)膜層厚度的控制精度較低。晶控：①控制精度高（1埃），易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；②可直接監(jiān)控成膜速率，便于工藝穩(wěn)定重復(fù)和閉環(huán)控制；③可控制任意厚度；④溫度對(duì)石英晶片的f影響大，需要恒溫措施(增加水冷卻裝置)。404.3.5寬光譜膜厚監(jiān)控

基本思想：鍍膜前計(jì)算出寬光譜范圍內(nèi)透過(guò)率特性，與鍍膜時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)值比較，不斷修正，比較值最小時(shí)即停止鍍膜。直觀(guān)、精度高41①在鍍膜機(jī)上設(shè)置一臺(tái)快速掃描分光光度計(jì)（全光譜采樣時(shí)間小于100mS，波長(zhǎng)分辨率優(yōu)于2nm，波長(zhǎng)重復(fù)性?xún)?yōu)于1nm，T或R測(cè)量精度1%），實(shí)現(xiàn)膜層T—λ或R—λ曲線(xiàn)的適時(shí)測(cè)量。

具體方案：②設(shè)定合理的目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)：寬波段監(jiān)控的目標(biāo)（停鍍點(diǎn)），是由適時(shí)測(cè)量光譜函數(shù)（曲線(xiàn)）與理論設(shè)計(jì)的目標(biāo)光譜函數(shù)（曲線(xiàn)）之差確定的目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)的極小值。③適時(shí)測(cè)量n、d值，修正膜系設(shè)計(jì)，確保達(dá)到設(shè)計(jì)要求：通過(guò)已鍍膜層的實(shí)際測(cè)量光譜曲線(xiàn)，擬算出膜層的n和d，并據(jù)此n、d，修正原設(shè)計(jì)膜系中未鍍各層的參數(shù)，使后續(xù)膜層鍍完后的整個(gè)膜系的光譜曲線(xiàn)能達(dá)到原設(shè)計(jì)要求。42

Widebandmonitoring即：透射曲線(xiàn)理論值和實(shí)測(cè)值之間所包圍的面積最小，即停止蒸發(fā)43影響膜層厚度均勻性的主要因素：4.4獲得均勻膜層厚度的方法1）蒸發(fā)源的發(fā)射特性。

不同結(jié)構(gòu)（點(diǎn)源、面源或螺旋絲）的蒸發(fā)源有不同的發(fā)射特性。每一種蒸發(fā)源的發(fā)射分布即隨經(jīng)度不同，也隨緯度不同。2）同一種蒸發(fā)源不同的膜料，有不同的分布特性。