光学薄膜技术第三章

第三章薄膜制造技术
光学薄膜可以采用物理汽相沉积（ PVD ）和化学液相沉积（CLD ）两种工艺来获得。

CLD 工艺简单，制造成 本低，但膜层厚度不能精确控制， 膜层强度差，较难获得多层膜，废水废气对环境造成污染， 已很少使用。

PVD 需要使用真空镀膜机，制造成本高，但膜层厚度能够精确控制，膜层强度好，目前已广泛使用。

PVD 分为热蒸发、溅射、离子镀、及离子辅助镀等。

制作薄膜所必需的有关真空设备的基础知识
用物理方法制作薄膜，概括起来就是给制作薄膜的物质加上热能或动量，使它分解为原子、分子或少数几 个原子、分子的集合体（从广义来说，就是使其蒸发）
，并使它们在其他位置重新结合或凝聚。

在这个过程中，如果大气与蒸发中的物质同时存在，那就会产生如下一些问题： ① 蒸发物质的直线前进受妨碍而形成雾状微粒，难以制得均匀平整的薄膜； ② 空气分子进入薄膜而形成杂质； ③ 空气中的活性分子与薄膜形成化合物；
④ 蒸发用的加热器及蒸发物质等与空气分子发生反应形成 化合物，从而不能进行正常的蒸发等等。

因此，必须把空气分子从制作薄膜的设备中排除出去，
这个
过程称为抽气。

空气压力低于一个大气压的状态称为真空， 而把产生真空的装置叫做真空泵，
抽成真空的容器叫做真空
室，把包括真空泵和真空室在内的设备叫做真空设备。

制作
薄膜最重要的装备是真空设备.
真空设备大致可分为两类：高真空设备和超高真空设备。

二 者真空度不同，这两种真空设备的抽气系统基本上是相同 的，但所用的真空泵和真空阀不同，
而且用于真空室和抽气
系统的材料也不同， 下图是典型的高真空设备的原理图，
制
作薄膜所用的高真空设备大多都属于这一类。

下图是超高真空设备的原理图，在原理上，它与高真空设备 没有什么不同，但是，为了稍稍改善抽气时空气的流动性， 超高真空设备不太使用管子，多数将超高真空用的真空泵直 接与真空室连接，一般还要装上辅助真空泵（如钛吸气泵） 来辅助超高真空泵。

3.1高真空镀膜机 1•真空系统
现代的光学薄膜制备都是在真空下获得的。

普通所说的 真空镀膜，基本都是在高真空中进行的。

初真空
低真空
高曳空
超同 其空 极高
真空
貞空度 Pa
10
1O 2—10 1
Em "
<10 12
先进行（1）然后进行（2）。

因为所有的（超）高真空泵只有在真空室的压力降低到一定程度时才能进行工作, 而且在高真空泵（如油扩散泵）中，要把空气之类的分子排出，就必须使排气口的气体压力降低到一定程 度。

小型镀膜机的真空系统
低真空机械泵+高真空油扩散泵+低温冷阱
”加热炉
电耳
X
空
低真空机械泵先将真空室抽到v 5pa的低真空，为后续抽真空提供前提条件；机械泵与油扩散泵组成串联
机组，可将真空室抽到10-3 pa的高真空。

大型镀膜机
高真空油扩散泵+低真空机械泵+罗茨泵+低温冷阱
罗茨泵作为提高抽气速度、压缩抽真空时间、提高生产效率的辅助真空泵。

无油真空系统
高真空低温冷凝泵+低真空机械泵
低温冷凝泵的最大优点是无油，有效避免了油扩散泵的油污染问题。

膜层更牢固。

2、热蒸发系统
电阻热蒸发电极两对、电子束蒸发源一个或两个。

电阻热蒸发电极用于蒸发低熔点材料；电子束蒸发源用于蒸发高熔点材料。

3、膜层厚度控制系统
①石英晶体膜厚仪一一基于石英晶体振荡频率随膜层厚度的增加而衰减的原理进行测厚，测的是膜
层的几何厚度。

②光电膜厚仪一一以被镀零件的光透射或反射信号随膜层厚度的变化值作为测量厚度的依据，测的是膜层的光学厚度。

灵敏度较低。

3.2真空与物理汽相沉积
用物理方法制作薄膜，概括起来就是给薄膜材料加上热能或动量，使它们蒸发，并在其他位置重新结合或凝聚。

PVD设备被称做真空镀膜机。

这些设备的共同突出的特点就是需要高真空。

3.2.1 PVD与真空
1、热蒸发工艺过程
光学薄膜的淀积中用得最多的是热蒸发法。

它的基本原理是把被蒸发材料加
热到蒸发温度，使之挥发淀积到放置在工件架上的零件表面，形成所需要的膜层。

见右图1
200A/9V 一般运用的加热方式主要有电流加热、高频加热和电子束加热。

2、大气PVD存在的问题
常压时，气体分子密度太高，进入膜层成为杂质。

蒸发膜料大多因碰撞而无法直线到达被镀件。

3、真空PVD的优点
气体分子的平均自由行程大于蒸发源到被镀件之间的距离。

被镀膜层材料在高真空条件下容易蒸发，容易获得高纯膜，膜层坚硬，成膜速度快。

3.2.2 真空与压强
所谓“真空”，是指在给定的空间内，压强低于101325帕斯卡（也即一个标准大气压强约101KPa）的
气体状态，并非一无所有。

处于真空状态下的气体稀簿程度，通常用“真空度”来表示。

“真空度”顾名思义就是真空的程度。

是真空泵等抽真空设备的一个主要参数。

真空度的计量采用与压强相同的方法和单位。

高真空度一一低压强；低真空度一一高压强
压强单位：Pa （帕斯卡Pascall），简称“帕”
1（atm）标准大气压=760mmHg=101325Pa 真空在薄膜制备中的作用主要有二个方面：
一是减少蒸发材料的分子与残余气体分子的碰撞，这样才能将分子在蒸发过程中所得到的动能，全部转换
成与基板的结合能，以得到牢固的光学薄膜。

二是抑制蒸发材料的分子与真空室中残余气体之间的反应。

3.2.3 PVD所需真空度
基本确定原则：气体分子的平均自由程大于蒸发源到被镀件之间的距离d。

即膜料蒸汽的每一个分子都
无碰撞地喷镀到零件表面。

经计算，当d=1m时，真空度p=7 x 10-3Pa,但此时的碰撞概率为63%。

规定：碰撞概率v 10% ;计算：真空度p独7 x IO-4 Pa
大多数镀膜机的d=0.5m，所以光学镀膜机的真空度指标设定为p v 1.3 x 10-3 Pa
这时才能有效地减少碰撞现象的产生。

3.3真空的获得与检验
真空泵是获得真空的关键设备，现代光学薄膜技术中获得真空的设备主要有以下几种：
机械泵一一罗茨泵一一油扩散泵一一分子泵一一冷凝泵等。

3.3.1 真空泵
1、真空与真空泵
抽真空一一抽出容器内的气体，获得真空状态的过程或动作。

真空泵——用于抽出容器内气体的机器。

2、常见真空泵类型
⑴分类气体传输泵一一能使气体不断吸入和排出而达到抽气的目的。

如油封旋片式机械泵、罗茨泵。

气体捕集泵一一利用泵体、工作物质对气体分子的吸附和凝结作用抽出容器内的气体。

如低温泵、吸附泵。

⑵各种真空泵的工作范围
实际上能够直接用于抽大气并向大气中排气的真空泵只有机械泵。

而单独使用机
械泵只能获得低真空。

因此，镀膜机的真空机组最少需要两个真空泵形成接力式真空机
组，才能获得所需要的高真空度。

3、旋片式机械泵
机械泵是采用旋片式的转子和定子组成，随着转子的旋转，不断地进行
吸气、压缩和排气的循环过程，使连到机械泵的真空室获得真空。

油的作用：
它有润滑和密封的作用，排气阀及其下部的泵体空腔用密封油密封，机械泵的密
封油即机械泵油，它是一种矿物油。

4、油扩散泵典型的高真空泵
在圆柱状的筒内安装着三级喷嘴，圆筒下部的油用装在下面的电炉加热蒸发，使气压达
到1托左右，然后从三个喷嘴向出气口的方向喷射。

从进气口扩散来的空气分子被卷进
喷射的油蒸气中而向着出气口方向加速前进。

被与排气口连接的机械泵抽走。

虽然油蒸气流的大部分冲向出气口，但还是有一部分冲向进气口，因此,
在扩散泵的进气口一般要安装水
冷挡板或者液态氮捕集器，使油蒸气冷凝，以减少油蒸气向真空室中扩散。

也会因吸收空气中的水分等而使泵的性能下降。

因此，在油扩散泵不工作时，一定要关闭进气口和出气口的阀门，以尽量使内部保持良好的真空状态。

用于喷射的油，在高温时一接触大量的空气就容易变质。

即使在常温下，如果长时间接触一个气压的空气,
5、罗茨泵
提高由机械泵和油扩散泵组成的真空机组的抽气速度。

①在较宽的压强范围内有较快的抽速；②启动快，能立即
工作；③对被抽气体中含有的灰尘和水蒸气不敏感④转子
不必润滑，泵腔内无油；⑤振动小，转子动平衡条件好，没有排气阀；⑥驱动功率小，机械摩擦损失小⑦
结构紧凑。

罗茨泵在泵腔内，有二个8”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为1的一对齿轮带动
作彼此反向的同步旋转运动。

由于转子的不断旋转，被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间v 内，再经排气口排出。

在转子之间，转子与泵壳内壁之间，保持有一定的间隙，可以实现高转速运行。

在一根轴上安有3〜5级的罗茨型转子，它为三级罗茨泵的构造，各级转子由中间壁来隔离，形成各级的泵腔，上一级的排气口连到下一级的进气口，各级串联应用，各级转子的直径和形状是相同的，而各级转子的宽度有时是不同的。

332低温冷凝泵
低温冷凝泵是一种利用低温冷凝和低温吸附原理抽气的真空泵
抽气原理：
在低温泵内设有由液氦或制冷机冷却到极低温度的冷板。

它使气体凝结，从而达到抽气作用。

低温抽气的主要作用是低温冷凝、低温吸附和低温捕集。

①低温冷凝：气体分子冷凝在冷板表面上或冷凝在已冷凝的气体层上；抽氢时，冷板温度比抽空气时
更低。

低温冷凝抽气冷凝层厚度可达10毫米左右。

②低温吸附：气体分子以一个单分子层厚被吸附到涂在冷板上的吸附剂表面上。

吸附的平衡压力比相同温
度下的蒸气压力低得多。

③低温捕集：在抽气温度下不能冷凝的气体分子，被不断增长的可冷凝气体层埋葬和吸附。

由于泵的冷表面可以直接放入需抽真空的空间，甚至是真空空间的一个组成部分，所以它不需用管道连接，
冷凝板的面积可做得很大，具有很大的抽气速率，是一般的扩散泵难以达到的。

低温冷凝泵的特点：
①真正的无油真空泵：低温冷凝，保持真空，无污染；
②抽速大：特别对H20、H2等气体抽速很大；
③运行费用低：只需电和冷却水，不需液氮等低温液体
④适应性强：无运动部件，不受外界干扰；
⑤可以安装在任何方位；
⑥运动部件少且低速运行，寿命长；
⑦达到IO-7 Pa的极限真空度，部分可达到10-9 Pa的极限真空度。

3.3.3 PVD使用的高真空系统
3.3.4真空度的检测
真空度以残余气体的压力表示。

真空度是用真空计进行测量的，但是，被测量的真空度不同，必须采用不同的真空计。

在一般的真空设备
中，通常附有2-3个真空计。

1、热电偶真空计
原理：通过热电偶中热丝的温度与压强的关系确定真空度。

热丝3的温度随着规管内真空度的提高而升高。

测量范围：0.13〜13pa
优点：
①测量的压强是被测容器的真实压强；
②能连续测量，并能远距离读数；
③结构简单，容易制造；
④即使突然遇到气压急剧升高，也不会烧毁。

缺点：
①标准曲线因气体种类而异；
②读数滞后；
③受外界影响大；
④老化现象严重，必须经常校准。

2、热阴极电离真空计(高真空测量)
热阴极电离真空计，在一般的真空设备中可以说是几乎不可缺少的真空计，从10-1Pa到IO-5Pa的真空，它
都能比较精确地测量。

★工作原理——电子在电场中飞行时从电场获得能量，若与气体分子碰撞，将使气体分子以一定几率发生电离，产生正离子和次级电子。

其电离几率与电子能量有关。

电子在飞行路途中产生的正离子数，正比于气体密度n,在一定温度下正比于气体的压力p。

可根据离子电流的大小指示真空度。

测量范围：0.1〜1 x io-5pa 关于这种真空计应该注意的是：由于真空计工作时灯丝处于加热状态，所以，如果它在加热状态下使用于差的真空状态或者误入空气，灯丝就会因氧化而烧断。

蒸发系统：
热蒸发;溅射;离子镀;离子辅助蒸发
3.4 热蒸发
真空蒸镀法是法拉第在1857 年首创的，这是最简便的薄膜制作方法，也是实验室中最普及的方法，真空蒸镀法原理简单，只要在真空中把制造薄膜的物质加热蒸发并使其蒸气附着在基底或工件的表面上就行了。

蒸发的过程就是热交换过程，用这种方法制作的薄膜称为真空蒸镀薄膜。

真空蒸镀法的优点是：
(1) 整个设备的结构比较简单；
(2) 许多物质都可以容易地用真空蒸镀法蒸镀；
(3) 薄膜的形成机理比较简单，可容易地用晶核的形成和生长理论来解释；
(4) 由于制作薄膜时热和电的干扰小，所以适用于薄膜形成时薄膜物理性质的研究；
(5) 能制作具有与主体材料不同成分比的化合物，也能制作具有与主体材料不同晶体结构的物质。

真空蒸镀法的缺点：
(1) 薄膜与基片表面之间的结合力一般是比较弱的；
(2) 对薄膜结构敏感的一些性质，再现性差，可靠性差，无论用什么方法来制作薄膜这一问题都存在，然而真空蒸镀的薄膜却特别突出；
(3) 高熔点物质和低蒸气压物质的真空蒸镀膜是很难制作的，特别是经常使用的铂和钽等物质很难用真空蒸
镀法来制作薄膜；
(4) 蒸发物质的坩埚材料也或多或少地一起蒸发，从而混入薄膜中成为杂质。

此外，真空设备中的残余气体
分子也会进入薄膜成为杂质。

蒸发材料的基本加热装置——蒸发源所谓真空镀膜就是在真空中把制造薄膜的物质加热，使其蒸发，让蒸发物在基底或工件表面上附着的过程，因此，它所需要的基本装置就是真空装置、加热装置(蒸发源)及附着面(基片表面) 。

真空蒸镀法的特
点就是需要蒸镀材料的加热装置。

在真空中加热物质的方法，有电阻加热法、电子轰击法等等，此外还有高频感应加热法，但由于高频感应加热法所需的设备庞大，很少采用。

1 、电阻加热源
由于电阻加热法很简单，所以是很普及的方法。

把薄片状或线状的高熔点金属 (经常使用的是钨、钼、钛) 做成舟箔或丝状的蒸发源，装上蒸镀材料，或用坩埚装上蒸镀材料，让电流通过蒸发源加热蒸镀材料使其蒸发，这就是电阻加热法。

电阻加热源主要用于蒸发Cd、Pb、Ag、Al、Cu、Cr 、Au、Ni 等材料。

⑵优点：简单、经济、操作方便。

⑶缺点：
①不能蒸发高熔点材料；
②膜料容易热分解；
③膜料粒子初始动能低，膜层填充密度低，机械强度差。

蒸发源做成什么形状？蒸发源的形态一般有螺线形、舟形、盒形、坩埚形等等。

螺线形蒸发源:
螺线形是线状蒸发源所采用的形状。

把直径为0.3〜0.5毫米的金属线或多股金属线（钨是最硬的材料，容
易整形但质脆；钽是非常容易加工的材料）卷在木螺丝之类的模子上，做成螺线状的笼形线圈。

这种蒸发源也有市售商品，但自己制作是很容易的。

加热电流用20 安，采用这样的电流就是高熔点金属线也很容
易蒸镀，当薄膜材料做成粒状或线状时，通常就使用这种方法蒸镀。

舟形蒸发源:
因为在螺线形蒸发源中薄膜材料是在整个空间蒸发的，所以薄膜材料的损耗大，而且粉末状的薄膜材料也
不能装在螺线中。

与此相反，舟形蒸发源的蒸发方向被限制在半个空间中，而且，不论何种形态的薄膜材料都可以装入舟形蒸发源中，因为舟形蒸发源是通过使金属片变形而做成的，所以可制成各种各样形状。

这种形式的蒸发源，薄膜材料只能从下向上蒸发。

此外，由于加热所需的电流也有超过100 安的，所以需
要特殊的变压器。

盒形蒸发源: 当薄膜材料是很细的粉末时，因粉末中含有空气，所以在真空抽气和加热时，粉末会向上飞溅或者成颗粒状飞出。

为了使这种粉末状材料均匀地以分子状态蒸发，可采用盒形蒸发源。

这种蒸发源的加热器是一个网格状的圆筒，为减少热损失，在圆筒外侧设有两个隔热圆筒，在加热器和第一隔热圆筒之间装人薄膜材料，这样就可以避免材料迸起而飞出蒸发源。

假如是金属之类的薄膜材料，也可以放在加热器圆筒的内侧，但重要的是不能破坏温度的均匀性。

2、电子束加热源在电阻加热法中薄膜材料与蒸发源材料是直接接触的，因此该方法存在如下问题：因蒸发源材料的温度高于薄膜材料而成为杂质混入薄膜材料，薄膜材料与蒸发源材料发生反应以及薄膜材料的蒸镀受蒸发源材料熔点的限制（高熔点的氧化物材料，蒸发温度在2000 C以上）等等。

用电子枪来加热蒸发可以避免这些
问题。

将电子集中轰击薄膜材料的一部分而进行加热的方法。

现在一般采用 e 型电子枪。

电子束加热法的基本原理是：当电子枪灯丝经高温加热后，产生热电子发射，这些热发射电子经阴极（灯丝）和阳极之间的高压电场加速，并聚焦成束，在线圈磁场的作用下，电子束产生270°角的偏转到达坩
埚蒸发源材料的表面，使电子束所带有的巨大的动能转化为热能，对材料进行迅速加热，造成局部高温而汽化蒸发，这种电子枪因电子束轨迹成e型，因而得名为e型电子枪。

e 型电子枪的电子束对材料加热蒸发时，其能量密度很大，蒸汽分子动能迅速增加，所以它能得到比电阻
加热法更牢固，更致蜜的膜层。

另外，可以在X 轴方向和Y 轴方向附加二个交变的磁场，则可使电子束在材料表面一定的范围内进行扫描。

可避免材料“挖坑”现象的产生，使蒸发速率处于平稳状态。

特点：
①可蒸发高熔点材料；
②膜料容易热分解；
③膜料粒子初始动能高，膜层填充密度高，机械强度好。

优点：设备简单，大多数材料都可以作为膜层材料蒸发。

蒸发镀膜与其他真空镀膜方法相比，具有较高的沉积速率，可镀制单质和不易热分解的化合物膜。

3.5 溅射
什么是溅射？
用高速正离子轰击膜料（靶）表面，通过动量传递，使其分子或原子获得足够的动能而从靶表面逸出（溅射），在被镀零件表面凝聚成膜。

通常将欲沉积的材料制成板材一一靶，固定在阴极上。

基片置于正对靶面的阳极上，距靶几厘米。

系统抽至
高真空后充入氩气，在阴极和阳极间加几千伏电压，两极间即产生辉光放电。

放电产生的正离子在电场作用下飞向阴极，与靶表面原子碰撞，受碰撞从靶面逸出的靶原子称为溅射原子。

溅射原子在基片表面沉积成膜。

与蒸发镀膜不同，溅射镀膜不受膜材熔点的限制，可溅射一些难熔物质。

3.5.1 辉光放电溅射
1、辉光放电：
辉光放电是在真空度约为10-3〜10-4Pa的真空中，在两个电极之间加上高电压时产生的放电现象。

禾U 用电极间的辉光放电进行溅射。

气体放电的典型应用：
①正常辉光放电用于离子源。

增大电流时，离子浓度增加，而电压不变，离子能量不变。

②反常辉光放电用于溅射。

电流电压可调，方便成膜速率和轰击能量的控制。

③弧光放电用于弧源离子镀。

一源同时完成快速成膜和离子轰击双重功能。

⑵低频交流辉光放电
两靶交替成为阴阳极，用于零件双面同时镀膜。

2、射频辉光放电
极间电压变化频率超过10MHz 时，电场能够通过任何一种类型的阻抗耦合进去，电极不再要求一定是导体。

因此，可用于溅射任意一种材料。

即可以溅射非金属靶，又可以在绝缘体上镀膜。

3、溅射方式：
（1）直流溅射
又叫二极溅射或阴极溅射。

把溅射室抽真空至10-3〜10-4 Pa后，充入惰性工作气体（如Ar）至1〜10-1 Pa,
并在阴极上加数千伏的高压，这时便出现辉光放电。

离子向靶加速，通过动量传递，靶材原子被溅出而淀积在基板上。

直流溅射结构简单，可以长时间进行溅射。

缺点是：不能溅射介质材料，溅射速率低，而且基板表面因受到电子轰击而有较高的温度，对不能承受高温的基板应用受到限制。

（2）三极／四极溅射
三极和四极溅射是为了克服二极直流溅射基片温度升高的缺点而设计的。

在这种系统中，等离子区由
热阴极和一个与靶无关的阳极来维持，而靶偏压是独立的，这样便可大大降低靶电压，并在较低的气压下
（如10-1 Pa）进行放电。

如果引入一个定向磁场，把等离子体聚成一定的形状，则电离效率将显著提高，因此有时称三极或四极溅射为等离子体溅射，从而使溅射速率从阴极溅射的80 nm/min 提高到2000nm/min 。

此外，由于引起基板发热的二次电子被磁场捕获，避免了基板温升。

特点：
①热阴极与阳极间的低压大电流弧光放电形成等离子体，靶和基片虽置于等离子体边缘，但不参与放电；
②靶上施加负偏压，将离子从等离子体引向靶，形成溅射镀。

四极溅射相对三极溅射在热阴极前增设了一个辅助阳极（图中的栅极），有稳定放电的作用。

优点：离子密度高，工作气压低，成膜速率快，基片温升低。

缺点：仍不能溅射介质靶。

（3）射频溅射（又称高频溅射）
射频溅射是为了克服直流溅射不能溅射介质靶材的缺点而设计的，靶材作为一个电极，其上施加高频
电压，穿过靶的是位移电流。

前面的方法之所以不能用来溅射介质绝缘材料，是因为正离子打到靶材料上产生正电荷积累而使表面电位
升高，致使正离子不能继续轰击靶材料而终止溅射。

若在绝缘靶背面装上一金属电极，并施加频率为30MHz 的高频电
5〜场，则溅射便可持续。

高频交流电场使靶交替地由离子和电子进行轰击，初看起来这似乎会使溅射速率减小一半，其
实，它的溅射速率却高于阴极溅射。

为了说明这一点，假设等离子体电位为零，靶材料的电压为VT ，金属电极的交流电压为VM 。

电极在正半周时，因为电子很容易运动，VT 和VM 电极很快被充电；存负半周时，离子运动相对于电子要慢得多，故被电子充电的电容开始慢慢放电。

若使基板为正电位时到达基板的电子数等于基板为负电位时到达基板的离子数，则靶材料有好长一段时间呈负性，或者说。