光学薄膜技术第三章 薄膜制造技术
光学薄膜制备技术
光学薄膜制备技术简介光学薄膜是一种通过沉积多层材料制成的薄膜，在光学器件和光学元件中广泛应用。
光学薄膜的制备过程需要控制多种参数和技术，涉及多种物理和化学现象。
近年来，已经得到了很大的发展，使得现在可以制备几个纳米厚度、具有高度均匀性和光学特性的光学薄膜。
目前，主要包括磁控溅射、电子束蒸发、化学气相沉积和离子束沉积等技术。
磁控溅射磁控溅射技术是一种制备光学薄膜的重要方法。
该技术是通过将一种(或多种)源材料放于真空环境下，在靶材表面进行溅射过程。
原子或离子经过激发溅射，蒸发和再沉积形成目标薄膜。
这种方法的制备过程控制简单、设备体积小、温度低、制备效率高。
同时，该技术具有材料选用多样性，并且具有可重复性强，制备出来的薄膜具有致密性好、均匀性优、易于加工和修饰等优点。
但是，磁控溅射技术也存在一定的局限性，如成本较高，不能在大范围内均匀沉积薄膜。
电子束蒸发电子束蒸发技术是目前使用最广的一种。
该技术是在真空环境下，通过电子束轰击靶材表面，使得材料蒸发和再沉积形成目标薄膜。
该技术可以通过调节电子束能量及功率，可以获得不同的沉积速度和降温速度，能够得到不同质量的薄膜。
与此同时，该技术还具有能够沉积多种材料（涉及Magnetron）和表面平整度高等优点，使其得到广泛的应用。
化学气相沉积化学气相沉积是一种在固态表面上沉积薄膜的技术。
该技术是在高纯度惰性气体(如氩气)气氛中使用化学反应沉积薄膜。
该技术沉积薄膜质量轻，均匀度好，并且所需要的设备比磁控溅射和电子束蒸发都更为简单，但是这类技术需要较高的处理温度，并且只能沉积较小的薄膜。
离子束沉积法离子束沉积是薄膜制备领域中最高端的方法之一，是通过控制离子束垂直轰击靶材表面，使得材料蒸发施加各种物理或化学分析技术，形成目标薄膜。
这种技术能够制备高品质、高压缩力度的薄膜，并且同时非常适合制备相对薄且复杂的薄膜，可直接获得高性能装置。
总结已经经历了几个阶段和技术的发展，几十年来的发展和改进使得制备的光学薄膜质量和性能达到了极高的水平，最终使得光学薄膜应用范围极广，涉及到麻烦的光学部件、天文学、红外线侦查等领域。
光学薄膜技术第三章--薄膜制造技术
光学薄膜技术第三章——薄膜制造技术—-—-———-—--—--———————-—-——--——-—作者：—--—-————-——--—-————-———————-———日期：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。
光学实验技术中的薄膜制备与表征指南
光学实验技术中的薄膜制备与表征指南在现代光学实验中，薄膜是一种广泛应用的材料，它具有许多独特的光学性质。
为了实现特定的光学设计要求，科学家们需要制备和表征各种薄膜。
本文将为您介绍光学实验技术中的薄膜制备与表征指南，帮助您更好地理解和应用薄膜技术。
一、薄膜制备技术1. 真空蒸发法真空蒸发法是一种常见的薄膜制备技术，它通常用于金属或有机材料的蒸发。
蒸发源材料通过加热，使其蒸发并沉积在基底表面上，形成薄膜。
真空蒸发法具有简单、灵活的优点，但由于材料的有机蒸发率不同，容易导致薄膜的成分非均匀性。
2. 磁控溅射法磁控溅射法是一种通过离子碰撞使靶材溅射，并沉积在基底上的技术。
这种方法可以获得高质量和均匀性的薄膜。
磁控溅射法通常用于金属、氧化物和氮化物等无机薄膜的制备。
3. 原子层沉积法原子层沉积法（ALD）是一种逐层生长薄膜的方法，通过交替地注入不同的前驱体分子，使其在基底表面上化学反应并沉积。
这种方法可以实现非常精确的厚度控制和成分均一性。
4. 溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种基于溶胶和凝胶的化学反应制备薄膜的方法。
通过溶胶中的物质分子在凝胶中发生凝胶化反应，形成薄膜。
这种方法适用于复杂的薄膜材料。
二、薄膜表征技术1. 厚度测量薄膜的精确厚度对于光学性能至关重要。
常用的测量方法包括激光干涉法、原位椭圆偏振法和扫描电子显微镜等。
激光干涉法通过测量反射光的相位差来确定薄膜厚度，原位椭圆偏振法则通过测量反射光的椭圆偏振状态来推断厚度。
2. 光学性能表征光学性能包括反射率、透过率、吸收率等。
常用的表征方法有紫外可见近红外分光光度计和激光光谱仪。
通过测量样品在不同波长下的吸收或透过光强度，可以得到其光学性能。
3. 表面形貌观察表面形貌对薄膜的光学性能和功能具有重要影响。
扫描电子显微镜和原子力显微镜是常用的表面形貌观察工具。
扫描电子显微镜可以获得样品表面的高分辨率图像，原子力显微镜则可以实现纳米级表面形貌的观察。
4. 结构分析薄膜的结构分析是了解其晶体结构和晶格形貌的重要手段。
热氧化和薄膜制备技术
3.2 热生长二氧化硅薄膜
7.缓冲层/ 热氧化层
当氮化硅直接沉积在硅衬底上时，界面存在极大 应力和界面态密度，多采用Si3N4/SiO2/Si 结 构。场氧化时，SiO2会有软化现象，可消除氮 化硅与衬底之间的应力。通常采用热氧化生成 ，厚度很薄。
3.2 热生长二氧化硅薄膜
二氧化硅的制备 硅表面形成SiO2的方法很多：热氧化、热分解淀
和离子注入的掩模，防止掺杂杂质损失而覆盖在掺杂 膜上的覆盖膜或钝化膜； 外延薄膜— 器件工作区； 多晶硅薄膜— MOS 器件中的栅级材料，多层金属化的 导电材料以及浅结器件的接触材料； 金属膜和金属硅化物薄膜— 形成低电阻内连、欧姆接触 及用来调整金属与半导体之间的势垒。
3.1 概述
二、用于制备薄膜的材料种类繁多，例如：
湿氧氧化相当于干氧氧化和水汽氧化的综合， 其速率也介于两者之间。具体的氧化速率取决 于氧气的流量、水汽的含量。氧气流量越大， 水温越高，则水汽含量越大，氧化膜的生长速 率和质量越接近于水汽氧化的情况。反之，就 越接近于干氧氧化。
3.2 热生长二氧化硅薄膜
一般湿氧氧化是由携带气体通过水浴后，含有水 汽的氧气进入石英管对硅片进行氧化，而水汽 的多少由水浴的温度控制，同时水浴的质量也 将影响氧化层质量的好坏。
1800?C
SiO+3C ＝ 2CO SiC 空气较少
3.2 热生长二氧化硅薄膜
掩蔽性质：B、P、As等杂质在SiO2的扩散系数远小于在Si中的 扩散系数。DSi > DSiO2 SiO2 膜要有足够的厚度。杂质在一定 的扩散时间、扩散温度下，有一最小厚度。
绝缘性质：SiO2能带宽度约9 eV。 热击穿、电击穿、混合击穿：
SiO2 +4HF SiF4 2H2O SiF4 +2HF H2SiF6
光学薄膜课程
光学薄膜课程光学薄膜是一种应用广泛的薄膜材料，具有许多重要的应用领域，例如太阳能电池板、光学镜片、光学滤波器等。
本文将介绍光学薄膜的基本原理、制备方法和应用领域。
一、光学薄膜的基本原理光学薄膜是由多个不同折射率的材料层交替堆积而成的。
当光线照射到光学薄膜上时，会发生反射、透射和折射等现象。
这些现象是由光波在不同折射率的材料层之间的传播和相互作用引起的。
光学薄膜的反射和透射特性主要取决于薄膜的厚度、折射率和入射光的波长。
通过选择适当的薄膜结构和控制薄膜的厚度，可以实现对特定波长的光的反射或透射。
二、光学薄膜的制备方法光学薄膜的制备方法主要包括物理气相沉积、化学气相沉积和溅射等。
物理气相沉积是将物质加热至蒸发或溅射形成薄膜颗粒，然后沉积到基底上。
化学气相沉积则是通过化学反应使气体中的原子或分子沉积到基底上。
溅射是利用高能粒子轰击靶材，使其表面的原子或分子溅射到基底上形成薄膜。
三、光学薄膜的应用领域光学薄膜在许多领域中有着重要的应用，以下是其中几个典型的应用领域：1. 太阳能电池板：光学薄膜可以用于太阳能电池板的吸收层和反射层，提高电池板的光吸收效率和光电转换效率。
2. 光学镜片：光学薄膜可以应用在镜片表面，用于改善反射和透射特性，提高镜片的透明度和传输率。
3. 光学滤波器：光学薄膜可以用于制备各种滤波器，如带通滤波器、带阻滤波器等，用于对特定波长的光进行选择性透射或反射。
4. 显示器件：光学薄膜可以用于液晶显示器、有机发光二极管等显示器件中，用于改善光的传输和反射特性，提高显示效果和观看体验。
5. 光学传感器：光学薄膜可以用于制备光学传感器，用于测量和检测光的强度、波长等参数，广泛应用于光学仪器和传感器领域。
总结：光学薄膜是一种重要的薄膜材料，具有广泛的应用领域。
通过控制薄膜的厚度和折射率，可以实现对特定波长的光的反射和透射。
光学薄膜的制备方法主要包括物理气相沉积、化学气相沉积和溅射等。
光学薄膜在太阳能电池板、光学镜片、光学滤波器、显示器件和光学传感器等领域有着重要的应用。
薄膜制造技术
成膜过程
凝结是指沉积刚开始时的状况，是指吸附原子在基片表面上形成原子对及其以后 的逐渐成膜过程。根据成核理论和电子显微镜实验观察，薄膜形成的顺序如下： ①膜层材料的气相原子（或分子）在基片表面的吸附，即单体吸附； ②被吸附的原子形成大小不同的各种小原子团； ③小原子团形成临界核； ④临界核俘获其周围的单体，逐渐长大； ⑤在临界核长大的同时，非捕获区的单体逐渐形成临界核； ⑥由临界核形成的稳定核长大到互相接触时，彼此结合后形成小岛，由于结合 而成的新岛所占面积下于结合前的两岛，所以在基片上暴露出新的表面积； ⑦在新暴露的基片表面积上吸附单体，发生二次成核； ⑧小岛长大结合为大岛，大岛相互结合成更大的岛，在新暴露的表面积上发生 “二次”或“三次”成核； ⑨岛与岛相互结合，形成带有沟道和孔洞的薄膜； ⑩在沟道和空洞处发生“二次”或“三次”成核，逐渐形成连续的薄膜。 所谓“二次”或“三次”成核是指从单体吸附开始，直到稳定核长大而相互结构 的过程。下图是一组形象的成膜过程
CASIX 23
成膜过程
CASIX
24
薄膜的结构
薄膜的形成过程决定了薄膜结构及其缺陷是属于薄膜本性的 问题，关系到薄膜使用性能的提高、薄膜镀制方法的改进和 创新。薄膜的结构包括组织结构、晶体结构和表面结构三部 分。 1）.组织结构 ①无定型结构，它是在原子的迁移率低到原子凝结在本身的 入射点或入射点附近的情况下产生的。这种结构也称为玻璃 态，吸附原子或分子没有迁移能。高熔点金属、高熔点非金 属化合物薄膜和碳、硅、锗的某些化合物薄膜等。 ②多晶结构 它由无规则取向的微晶组成。其晶粒大小约为 10-100nm。属于这种结构的有低熔点金属。 还有纤维结构、单晶结构等
光学薄膜制备技术与应用探究
光学薄膜制备技术与应用探究随着科技的发展，光学在现代工业、生物医学、通信、信息处理等领域的应用越来越广泛，而光学薄膜作为光学器件生产制造的重要材料，对于提高器件的性能和降低成本十分关键。
本文将重点探究光学薄膜制备技术和应用。
一、光学薄膜制备技术1.溅射法溅射法是目前最为成熟的光学薄膜制备方法之一。
它利用离子束或电子束轰击靶材，靶材表面的原子或分子被抛出，形成高能离子和原子束，然后被沉积在基底表面成为薄膜。
溅射法具有较高的原子利用率和较均匀的沉积厚度分布，广泛应用于制备多种光学薄膜，如金属膜、氧化物薄膜、氮化物薄膜等。
2.化学气相沉积法化学气相沉积法是一种利用化学反应在气相中生成沉积物的方法。
它可以在特定条件下使气相中的化学物质分子分解，并在基底表面形成薄膜。
化学气相沉积法具有高沉积速率和广泛的沉积物种类，可制备不同性质、不同组成的光学薄膜。
3.离子束共沉积法离子束共沉积法是在离子束轰击靶材的同时，向靶材表面注入气体分子，通过化学反应在基底表面生成薄膜。
离子束共沉积法可以制备纯度高、致密度大的光学薄膜。
4.离子束抛光法离子束抛光法是通过利用离子束对物体表面进行抛光，去除表面缺陷，提高基底表面的光学质量，然后在抛光后的基底表面沉积光学薄膜。
离子束抛光法可制备高质量、高精度的光学器件。
二、光学薄膜应用案例光学薄膜在现代工业、生物医学、通信、信息处理等领域得到广泛应用，以下列举几个典型的应用案例。
1.光学薄膜在激光器中的应用激光器是一种利用光的放大效应产生一束高亮度、高密集度、高能量的光源，广泛用于医学、工业、军事等领域。
光学薄膜在激光器中起着关键作用，它可以用来增强激光器的输出功率、提高工作效率、保护光学元件表面。
2.光学薄膜在光电子器件中的应用光电子器件是一种能够将光信号转换为电信号或者将电信号转换为光信号的器件，广泛应用于通信、计算机、医疗等领域。
光学薄膜是光电子器件中的关键元件之一，如激光器、电视机中的观看窗口、摄像机中的多层反射镜片等。
第3章 薄膜制备技术
（4）常用蒸发源的形状 可以采用电阻加热蒸 发的膜料有金属、介质、 半导体，它们中有先熔化 成液体然后再汽化的蒸发 材料，也有直接从固态汽 化的升华材料，有块状、 丝状，也有粉状。 支撑材料的形状主要取决 于蒸发物
3.2.2 电子束加热源
电阻加热装臵的缺点之一是来自坩埚、加热元件以及各种支撑 部件的可能的污染。另外，电阻加热法的加热功率或加热温度 也有一定的限制。因此其不适用于高纯或难熔物质的蒸发。 电子束蒸发装臵的优点：1）能克服电阻加热方法可能受到坩 埚、加热元件以及各种支撑部件的污染的缺点。 在电子束加热装臵中，被加热的物质被放臵于水冷的坩埚中， 电子束只轰击到其中很少的一部分物质，而其余的大部分物质 在坩埚的冷却作用下一直处于很低的温度，即后者实际上变成 了被蒸发物质的坩埚。 2）能克服电阻加热方法受到加热功率或加热温度的限制。 3）电子束蒸发沉积装臵中可以安臵多个坩埚，这使得人们可 以同时分别蒸发和沉积多种不同的物质。 电子束蒸发法的缺点是，电子束的绝大部分能量要被坩埚的水 冷系统带走，因而其热效率较低。另外，过高的加热功率也会 对整个薄膜沉积系统形成较强的热辐射。
主要方法有： （1）化学气相沉积：CVD技术可按照沉积温度、反应器内的 压力、反应器壁的温度和沉积反应的激活方式进行分类。 （a）按沉积温度可分为： 低温（200~500℃）：主要用于基片或衬底温度不宜在高温 下进行沉积的某些场合，如沉积平面硅和MOS集成电路的纯 化膜。 中温（500~1000℃）和高温（1000~1300℃）CVD：广泛用 来沉积III-V族和II-VI族化合物半导体。 （b）按反应器内的压力可分为： 常压化学气相沉积（APCVD）（~1atm）； 低压化学气相沉积（LPCVD）（10~100Pa） LPCVD具有沉积膜均匀性好、台阶覆盖及一致性较好、针孔 较小、膜结构完整性优良、反应气体的利用率高等优点，不 仅用于制备硅外延层，还广泛用于制备各种无定形钝化膜， 如SiO2和Si3N4以及多晶硅薄膜 （c）按反应器壁的温度可分为热壁方式和冷壁方式CVD。 （d）按反应激活方式可分为热激活和等离子体激活CVD等。
第三章 薄膜光学基础理论1
S
D ds d
S
B ds 0
B ds L E dl t S D j ds L H dl t S
波动方程的解
麦克斯韦方程的微分形式：
(1) (2) (3) (4)
对4式两端对时间求导数，则
N 2 H =i E (13) 2 c
(15)
H z H y ( H ) x = y z 2 N 2 N = i s0 y H z i s0 z H y
2 N = i (S0 H ) x
2 N (S0 H ) y
N 2 将(13)式 H =i E 代入(16)式， 2 c
i t 2 nx
说明在导电介质（ 0，因而k 0）是一个衰减波， 消光系数k 是介质吸收电磁波能量的度量。 时，振幅衰减到原来的1 e 2 k 【介质内产生的电流将波的能量转换为热能】 当x =
光学导纳
对 E E0 e
2 kx
e
i t 2 nx
S EH
E E0e
H H 0e
i t x
= E eit x E eit
0 0
i t
:电振动的初相；实数部分 E E0 cos(t ) : 磁振动的初相；实数部分 H H 0 cos(t )
坡印廷矢量：
瞬时值忽大忽小 一个周期的平均值是定值 定义坡印廷矢量的平均值为光强度I
1 T I E0 H 0 cos(t ) cos(t ) d t T 0 1 = E0 H 0 cos( ) 2 ( EH * )的实数部分为 Re( EH * )= Re E0 eit H 0 e it E0 H 0 cos( ) I 1 Re( EH * ) 2
光学薄膜制备技术
光学薄膜制备技术是一种非常关键的工艺，目前广泛应用于光学器件、太阳能电池板和液晶显示器等领域。
在科学研究和实践应用中，已成为一种必不可少的手段。
本文将介绍的原理、分类和应用等方面的内容，希望能为读者提供一些有价值的信息。
一、的原理光学薄膜是由一层或多层光学性能不同的透明材料（比如氧化铝、氧化硅、氮化硅等）组成的，可以实现反射、透射和干涉等功能。
其制备的关键在于如何控制其物理特性，比如色散特性、透过率、反射率等。
这种制备工艺有一个重要的原理，就是光学薄膜的厚度应该是光波长的几分之一，这样就能达到比较好的反射或透过效果。
同时，不同材料的反射和透过特性都有所不同，因此，控制材料和厚度也是制备过程的关键。
此外，光学薄膜制备的一个重要问题是如何控制薄膜厚度的均匀性和表面平滑度，这直接影响到其性能。
在制备过程中，需要选择合适的材料和工艺，如热蒸发、磁控溅射和电子束蒸发等方法，以实现对薄膜厚度和性能的优化。
二、的分类主要分为化学气相沉积、物理气相沉积和溶液法制备等。
1.化学气相沉积：这种制备方法是通过热分解有机物或热还原金属气相的方法，在基片上生成原子层或分子层的薄膜。
其优点是可形成大面积均匀薄膜，面形良好、透明度高，因此在太阳能电池板和液晶显示器等领域应用较为广泛。
2.物理气相沉积：这种制备方法是在真空或惰性气氛中将材料化为蒸汽或离子，并在基片上沉积得到薄膜。
其优点是可以制备不同材料的多层膜以达到特定的光学性能，如高反射或高透过率效果。
此外，该制备工艺可以制备不同的薄膜厚度，从微米到纳米都可以轻松制作。
3.溶液法制备：这种制备方法是通过将化学溶液或胶体直接涂覆在基片上，来制备薄膜。
这种制备方法简单、成本低，适用于广泛的场合，如太阳能电池板、液晶显示器、LED等领域。
三、的应用在现代科学和制造领域中，已经成为一种重要的实践手段。
它被广泛应用于太阳能电池板、液晶显示器、LED、激光器和光学镜等器件，对人类社会的发展做出了突出的贡献。
光学薄膜的设计与制备技术
光学薄膜的设计与制备技术光学薄膜是一种特殊的薄膜材料，其制备和设计涉及到一系列的技术和工艺。
光学薄膜的设计和制备技术的发展，对于光学器件的性能和应用具有重要的影响。
本文将依次介绍光学薄膜的设计理论、制备工艺和相关应用。
1. 光学薄膜的设计理论光学薄膜的设计是指根据特定的光学参数和要求，通过计算和优化，确定薄膜的结构和材料组成。
其中涉及到的关键参数包括薄膜的透射率、反射率、频率选择性等。
在设计过程中，需要考虑光学薄膜所使用的波长范围、入射角度、基底材料等因素。
为了达到设计目标，常用的方法包括等效路程法、逆拟合法和光学薄膜层析理论等。
等效路程法主要通过调整不同材料层的厚度，使得反射光的光程差为整数倍波长，从而达到干涉增强或干涉消除的效果。
逆拟合法则是根据已知的光学参数，逆向推导出实现这些参数的层序列。
而光学薄膜层析理论则是通过数值模拟和优化算法，计算出满足特定要求的层厚度和材料组成。
2. 光学薄膜的制备工艺光学薄膜的制备工艺是指通过物理气相沉积、化学气相沉积或溅射等方法，在基底上制备出具有特定结构和性能的薄膜。
常用的制备方法包括真空蒸镀、离子束溅射和激光沉积等。
真空蒸镀是光学薄膜制备中最常见的方法之一。
它通过将材料加热至一定温度，使其蒸发并沉积在基底上形成薄膜。
离子束溅射则是通过用高能离子轰击材料，使其离解并沉积在基底上。
激光沉积则是利用激光的热效应和化学反应，将材料以原子团簇的形式沉积在基底上。
在制备过程中，需要严格控制沉积参数，如沉积速率、基底温度和气氛等。
同时，也需要考虑薄膜的致密性、平整度和附着性等性能指标。
此外，还需要对制备过程进行监测和控制，以确保薄膜的质量和性能。
3. 光学薄膜的相关应用光学薄膜广泛应用于激光器、光学滤波器、反射镜、透镜等光学器件中。
其中，激光器中的光学薄膜用于增强激光器的输出能量和光束质量；光学滤波器则通过设计合适的薄膜结构，实现对特定波长的光的选择性透过或反射；反射镜和透镜中的光学薄膜可改变入射光的反射或透射性能，实现对光学器件性能的优化。
光学薄膜技术概述学习PPT教案
主要膜系设计软件
1. Autofilm 2. TFC 3. Macleod 4. Optilayer
绪论
Introduction
★什么是光学薄膜
★光学薄膜的发展历史
★光学薄膜的应用
1. What is optical thin films
光学薄膜是指控制光束行为的薄膜。
光学薄膜技术是光学技术的一个重要分支， 它包括薄膜光学及薄膜制备技术，前者研究光 在分层媒质中的传播规律，后者研究光学薄膜 的各种制备技术。
光学薄膜技术
Optical thin films and Technology
主要内容：
研究范畴及内容：
绪论 第一章：薄膜光学特性计算基础 第二章：介质膜系及其应用 第三章: 光学薄膜制备技术 第四章：光学薄膜制备工艺 第五章: 薄膜材料及其性质 第六章：光学薄膜特性测试
主要论述层状媒介
的光学特性。薄膜是 一薄的层状媒介，是 构成现代各种光电器 件的基础。在薄的膜 层中，光波的传输与 电子效应都与其在块 状材料中的行为不同。 本课程主要讲述波在 层状媒介中的传播规 律、膜系设计以及薄 膜的制备于检测技术。
8. The columnar structure of thin film was discovered in 1970 by Pearson(皮尔逊).
9. Thin film filters used for optical communication was made significant progress in around 2000.
与镀膜技术密切相关的产业
➢镀膜眼镜 ➢幕墙玻璃 ➢滤光片 ➢车灯、冷光镜、舞台灯光滤光片 ➢光通信领域：DWDM、光纤薄膜器件 ➢红外膜 ➢投影显示 ➢太阳能 ➢ITO膜
薄膜光学技术-3-1第三章 薄膜制造技术
Q2：— 灯丝引线的热传导损失
Q2=C2·（T—T0）
Q3：— 气体碰撞的热传导损失
Q3=C3·（ T—T0）P
其中：C1，C2，C3是常数，T是灯丝的温度， T0是管壁的 温度。
工作时，灯丝加热功率一定： 加热与散热达到热平衡，
Q灯丝=Q1+Q2+Q3； 当气压变化时，灯丝温度随之变化，以保持平衡态。
109
105
10 1
10 2
10 4 10 5
真空泵入口 P压 a 强
3. 旋片式机械泵
1). 结构
抽、排气工作 由旋片完成；
油封的作用是 密封和润滑。
2)、工作过程
3). 工作原理
根据Boyle-Malotte定律：P·V=R·T
若 将原压强为P0的容器体积V扩展△V， 且温度T不变，
则 扩展容积后的压强P1 由 P1 ·（V+ △ V）=R ·T
2). 测量范围： 10-1 ~ 10 -6Pa
B A
F
FG
FG
Ip
mV
A
mA
G
F
3). 原理
——热阴极灯丝1发射热电子，在栅极2（加速极） 和板极3（离子收集极/反射阴极）作用下，在三个电极之 间来回振荡，其撞击中性气体粒子产生电子和离子，其间：
Ii=kIeP Ie——阴极发射的电子流；
Ii——板极收集的离子流； 显然，当热阴极灯丝的加热功率一定时，Ie一定，则， P与Ii成正比。
理论基础
根据气体分子运动论，气体分子碰撞到固体 表面，在表面上停留的时间很短。如果处于 气体中的固体表面以一定的方向运动，所有 飞到表面的分子，经过碰撞后都具有一定的 分速度，其大小与方向等于固体的速度。
光学薄膜的制备技术
光学薄膜的制备技术材料学院无机0701 3070703015 周劲竹摘要:光学薄膜泛指在光学器件或光电子元器件表面用物理化学等方法沉积的、利用光的干涉现象以改变其光学特性来产生增透、反射、分光、分色、带通或截止等光学现象的各类膜系。
它可分为增透膜、高反膜、滤光膜、分光膜、偏振与消偏振膜等。
光学薄膜的应用始于20世纪30年代。
现代，光学薄膜已广泛用于光学和光电子技术领域，制造各种光学仪器。
关键词:特点基本原理制备应用及市场前景正文:光学薄膜的特点是:表面光滑，膜层之间的界面呈几何分割;膜层的折射率在界面上可以发生跃变，但在膜层内是连续的;可以是透明介质，也可以是吸收介质;可以是法向均匀的，也可以是法向不均匀的。
光学薄膜的基本原理:1.利用光线的干涉效应，当光线入射於不同折射系数物质所镀成的薄膜，产生某种特殊光学特性。
分类:光学薄膜就其所镀材料之不同，大体可分为金属膜和非金属膜。
a.金属膜:主要是作为反射镜和半反射镜用。
在各种平面或曲面反射镜，或各式稜镜等，都可依所需镀上Al、Ag、Au、Cu等各种不同的材料。
不同的材料在光谱上有不同的特性。
AI的反射率在紫外光、可见光、近红外光有良好的反射率，是镀反射镜最常使用的材料之一。
Ag膜在可见光和近红外光部份的反射率比AI膜更高，但因其易氧化而失去光泽，只能短暂的维持高反射率，所以只能用在内层反射用，或另加保护膜。
b.非金属膜:用途非常广泛，例如抗反射镜片(单一波长滤光片、长或短波长通过滤光片、热光镜、冷光镜、各种雷射镜片等，都是利用多种不同的非金属材料，蒸镀在研磨好之镜杯上，层数由单层到数十、百层不等，视需要的不同，而有不同的设计和方法。
目前这些薄膜中被应用得最广泛，最商业化，也是一般人接触到最多的，就是抗反射膜。
例如眼镜、照相机镜头、显微镜等等都是在镜片上镀抗反射膜。
因为若是不加以抗反射无法得到清晰明亮的影像了，因此如何增加其透射光线就是一个非常重要的课题。
光学薄膜的制备和应用
光学薄膜的制备和应用一、介绍光学薄膜是一种通过在材料表面涂敷各种材料形成的微薄面的光学器件，可用于许多应用，如光计算、光通讯、太阳电池、摄像头、视觉显示等。
本文将讨论光学薄膜的制备方法和应用场景。
二、制备方法（一）物理气相沉积法（PVD）该方法以真空条件下蒸发材料，并对它们进行控制淀积来制备薄膜。
这种方法不易受到杂质的干扰，因为淀积得到高质量的膜。
PVD工艺包括其它技术，如电弧放电、蒸镀、分子束外延等。
（二）化学气相沉积法（CVD）CVD利用化学反应将气态前驱体附着于基材表面生成薄膜。
这种方法适用于不同复杂的组织结构的薄膜，如化合物或纯金属，也用于制备纳米结构的薄膜。
（三）离子束辅助沉积法（IBAD）这是一种用离子束照射材料来沉积薄膜的方法。
它与离子束抛光（IBP）一起被广泛应用于制备高性能薄膜，如超导体和磁性存储介质。
（四）自组装技术（SAT）在SAT中，材料会通过一个后续的化学处理将自我有序地排列在基材表面上，形成各种形态的纳米型薄膜。
三、应用场景（一）太阳能电池增加一个光学薄膜，可以提高太阳能电池的吸收率和效率。
这个薄膜会反射回来的那部分光可被吸收，从而增加吸收量。
光学薄膜还可以降低电池的光损失率（被散射或透射）。
（二）光学配件例如天文望远镜的镜片、棱镜、光学衍射组件、激光器、玻璃等，这些都要用到高质量的光学薄膜，以免损失大量光线和图像质量。
（三）近红外光学靠近红外线（NIR）激光器，如用于医疗或工业检测、通讯、测量、制造，都需要用到大量的光学薄膜。
一些光学薄膜的反射率和透射率与特定波长有关，NIR波长也是其中之一。
（四）液晶显示器液晶显示器可通过对各项异性液晶的电场施加来控制光的传播。
在液晶自由空间中添加光学薄膜，可以减小产品中的光学散射并提高全局亮度，减少折射率。
四、总结光学薄膜是嵌入各种现代技术的重要组成部分。
这些薄膜的多个应用跨越许多行业和领域，从化学反应器到人眼视网膜。
在科学家不断发现和开发新材料和技术的同时，光学薄膜的制备方法和应用场合也在不断扩展和改进。
光学薄膜制备技术
光学薄膜制备技术光学薄膜制备技术，这可是个相当有趣又神秘的领域呢。
就像魔法师在打造神奇的魔法道具一样，光学薄膜制备者们也在微观的世界里创造着奇妙的东西。
光学薄膜啊，它薄薄的一层却有着大大的作用。
你可以把它想象成是给光学元件穿上的一件特殊的衣服。
这件衣服不是为了好看，而是有着实实在在的功能。
比如说，在眼镜片上的光学薄膜，就像是一个小卫士，既能防止镜片被刮花，又能减少反射光，让你看东西更清楚。
这就好比一个人站在太阳下，有个好的遮阳伞既能挡住紫外线又能让自己凉快些。
那这光学薄膜是怎么制备出来的呢？这就有好多方法了。
其中一种叫物理气相沉积法。
这方法就像是给材料做一场超级精细的“雾化”。
把要制备薄膜的材料变成气态，然后让这些气态的原子或者分子乖乖地在基底上沉积下来，一层一层地形成薄膜。
就像盖房子，一块砖一块砖地垒起来，最后就成了坚固的房子，这里是一个原子一个分子地沉积，最后就成了光学薄膜。
你说神不神奇？难道这不像是大自然在微观世界里的一种艺术创作吗？还有化学气相沉积法呢。
这个就更像是一场化学的魔法秀了。
让气态的反应物在基底上发生化学反应，然后在基底上留下需要的物质，慢慢就形成了薄膜。
这就好比把不同的食材放在锅里煮，最后煮出一道美味的菜肴，只不过这里煮出来的是光学薄膜。
这两种方法都有各自的妙处，就像走路和坐车都能到达目的地，但是过程和感觉可是不太一样的。
在制备光学薄膜的时候啊，有好多因素得考虑。
基底的选择就像是给房子选地基一样重要。
如果基底选得不好，就像房子建在沙滩上，薄膜的质量肯定好不到哪里去。
而且沉积的温度、压力等条件也都像做菜时的火候和调料一样，多一点少一点都会影响最后的成果。
这时候制备者就像一个严格的厨师，得精确地把握每一个条件，才能做出完美的“菜肴”，也就是高质量的光学薄膜。
再说说薄膜的厚度控制吧。
这厚度啊，可不能马虎。
太薄了可能起不到应有的作用，太厚了又可能会出现其他问题。
这就好比给手机贴膜，膜贴得太薄容易破，太厚了可能影响触摸的灵敏度。
光学薄膜及制备详解
光学薄膜
光学薄膜按应用分为反射膜、增透膜、滤光 膜、光学保护膜、偏振膜、分光膜和位相膜。常 用的是前四种。
光学反射膜用以增加镜面反射率，常用来制 造反光、折光和共振腔器件。光学增透膜沉积在 光学元件表面，用以减少表面反射，增加光学系 统透射，又称减反射膜。光学滤光膜用来进行光 谱或其他光性分割，其种类多，结构复杂。光学 保护膜沉积在金属或其他软性易侵蚀材料或薄膜 表面，用以增加其强度或稳定性，改进光学性质。 最常见的是金属镜面的保护膜。
1.2 常见的减反膜的种类
1.单层减反膜 2.双层减反膜 3.多层减反膜
1.2.1单层减反膜
r1
r2e2i2
n0
n1
n2
假设在界面1和2上的振幅反射率系数为r1和r2
r1
n0 n0
n1 n1
r2
n1 n1
n2 n2
总反射系数
r r1 r2
合反射率
R r2
当膜层的光学厚度为中心波长的四分之一时，则两个
减反膜起不到降低反射的作用，所以双层反射膜只能在较窄的光谱 范围内有效的减少反射，适宜于工作波段较窄的系统中应用。有时 为了满足较宽光谱范围的低反射要求，需要用到三层或多层反射膜。
1.2.3 多层减反膜
常用的三层减反膜是“λ/4-λ/2-λ/4”膜系。对于中心 波长来说，λ0/2光学厚度的膜层为“虚设层”，对反射率没有 影响，与“λ/4-λ/4”的双层减反膜效果相同。但是λ/2膜层 对其他波长有影响，选择适当的折射率值，可以使反射特性曲 线变得平坦。
n22 / n 3 1.9
在限定两层膜的厚度都是λ/4的前提下，要令波长λ的反射光 减至零，它们的折射率应满足如下关系：
n1 (n22 / n3 )n0
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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。
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+低温冷阱低真空机械泵先将真空室抽到＜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——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——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——低压强；低真空度——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=7×10-3Pa，但此时的碰撞概率为63%。
规定：碰撞概率＜10%；计算：真空度p≈7×10-4 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＜1.3×10-3 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——罗茨泵——油扩散泵——分子泵——冷凝泵等。
3.3.1 真空泵1、真空与真空泵抽真空——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——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——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。
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，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。
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。
3.3.2 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H2O、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10-7 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l0-5Pa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：0.1～1×10-5Pa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。