常用光学薄膜的基本设备、原理和方法

最大前级压强（反压强）：超过了就会使泵损坏或不能
正常工作的前级压强。
真空泵分类
1）气体传输泵：通过不断吸入和排出气体达到抽气的目的。
变容式泵腔容积周期性变化完成吸气和排气。如油封旋片 式机械泵、罗茨泵等。
能量传动式用高速旋转的叶片或高速射流把能量传递给气
体分子，使气体分子连续地从入口向出口运动。如分子泵、油 扩散泵等。 2）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。如吸附泵、吸气剂泵和低温泵等。 真空泵工作范围
阻加热（蒸发或升华）的膜料有金属、介质或半导体。
电子束加热
灯丝通过大电流，其内部的一部分电子因获得足够的能量而
逸出表面，发射出热电子。这样高速运动的电子流在外加磁 场的作用下聚焦成细束轰击膜料表面，使电子的动能转化为
膜料的热能（电子枪）。
发射电流密度和 金属温度的关系
J e A0T 2e / kT , A0与金属则：
l 0.667 P 0.667 / 0.0067 100cm
于是
f 1 ed l 1 e30/100 26%
蒸发分子和残余气体间的反应
需考虑残余气体分子到达基板的速率和蒸发分子到达基板的 速率。为保证膜层质量，被碰撞的几率f10％，则有
主要方法：真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子
镀膜及分子束外延等。 特点：须在真空下进行，成本高，但膜厚可以精确控制，
膜层强度好。
化学液相沉积（CLD）：工艺简单，成本低，但膜层厚度不
能控制，膜层强度差，较难获得多层膜且存在水污染问题。
光学真空镀膜机的组成：真空系统、热蒸发系统和膜层厚 度控制系统。 什么是真空？ 压强低于一个大气压的任何气态空间。 真空度：表征真空的物理量。实际上是用气体压强来表示 的。压强越小，真空度越高。 量度单位：帕斯卡（Pa）
打开进气口增大体积吸气关上进气口，缩小体积打开 出气口排气。
低温冷凝泵原理简介
利用低温冷凝和低温吸附原理抽气的容积式真空泵。是获得 无油高真空环境的设备。其最大特点就是无油污染。 低温冷凝：用液He冷却气体表面（可达4.2K）。它可用来冷 凝空气中除H2、He以外的大部分气体。 低温吸附：在低温表面粘贴一些固体吸附剂，气体分子到达
扩散泵性能指标
极限真空: 10-7Pa ；
启动压强: 10-5Pa ； 前级压强: 1Pa；
工作压强: 1.010-1Pa ~ 1.010-6Pa。
罗茨泵原理简介
两个“ 8” 字型的转子安
装在一对平行轴上，由
传动比为1的一对齿轮 带动做同步反向转动。
转子之间、转子和泵壳
内壁保持少量间隙。 辅助提高机械泵和油 扩散泵串联机组的抽 气速度。
逸出电子在外加场作用
下加速轰击靶材料表面 ，
动能变成热能。 e型电子枪
电子束加热优点：
1）电子束的焦斑大小位置均可调，既方便利用小坩锅，也 可以利用大坩锅； 2）可以一枪多锅，易于蒸发工艺的重复稳定；蒸发速度易 控，方便使用多种膜料和一源多用； 3）灯丝易屏蔽保护，不受污染，寿命长； 4）使用维修方便； 5）可蒸发高熔点的材料（W, Ta, Mo, 氧化物和陶瓷等）；
6）可快速升温至蒸发温度，化合物分解少；
7）膜料粒子初始动能高，膜层填充密度高，机械强度高。
溅射
用高速正离子轰击膜料表面，通过动量传递，使其分子或原
子获得足够的动能从靶表面逸出，在被镀表面凝结成膜。 其理论基础是气体的辉光放电：气压在 1～10Pa时，高压电极
间气体电离形成的低压大电流导体，并伴有辉光的气体放电
机械泵: 1~105Pa；罗茨泵: 10~104Pa；油扩散泵: 1~10-6Pa； 窝轮分子泵: 1~10-8Pa；溅射离子泵: 1~10-8Pa；低温泵: 10-1~10-8Pa。
注意：直接用于抽大气并向大气中排气的只有机械泵。
常用的真空泵：机械泵、分子泵和罗茨泵、扩散泵和低温冷
凝泵等。
机械泵原理简介 机械泵性能指标 抽气速率（体积流率）：叶片个数转速泵腔的容积； 极限真空: 5.010-2Pa ； 启动压强: 1.013105Pa ； 前级压强: 1.013105Pa；
2）大型机:高真空油扩散泵+低真空机械泵+罗茨泵+低温冷阱
或高真空低温冷凝泵（无油，近来）。
抽真空设备
高真空油扩散泵+低真空机械泵+低温冷凝泵 抽真空步骤： 1）用低真空机械泵先将真空室抽到低于5Pa的低真空状态，为 油扩散泵后续抽真空作准备； 2 ）由机械泵和油扩散泵串联机组将真空室抽到高真空状态 （10-3Pa）。此时机械泵的作用是帮助油扩散泵将气体排到大
能直接抽大气或向大气排气。用于低真空场合，抽速较慢。 扩散泵的性能特点：
不能直接抽大气或向大气排气。必须在有水冷的条件下工作。
极限真空接近10-7Pa。 罗茨泵的性能特点： 抽速较快，用于低真空场合，不能直接抽大气或向大气排气。 分子泵的性能特点： 不需任何工作液体，属于纯机械运动，极限真空 ~10-8Pa 。不 能直接抽大气或向大气排气。 低温冷凝泵的性能特点：
低温冷凝和低温吸附原理。无油，高真空。不能直接抽大气或
向大气排气。极限真空~10-8Pa。
真空度的检测 热电偶真空计、热阴极电离真空计和冷阴极电离真空计三种。 热电偶真空计
原理：低压强下的气体的热传导与气压有
关，在低真空情况下与气压成正比。 测量范围为0.13~13Pa。 热电偶真空计特点： 能测容器内的真实压强，且能连续测量 和能远距离读数；结构简单容易制造；即 使气压突然升高也不会烧毁。 标准测量曲线因气体种类而异；由于热
真空系统:真空室、抽真空设备、真空检测设备
真空在薄膜制备中的作用： 1） 减少蒸发分子和残余气体的碰撞；
碰撞引起蒸发气体运动散乱。
2） 抑制它们之间的反应。 蒸发分子和残余气体间的反应影响光学膜的纯度。
蒸发分子和残余气体的碰撞
N0个蒸发分子行进距离d后未受残余气体分子碰撞的数目为
N d N0e d l , l为平均自由程(气体分子间相邻两次碰撞的距离) kT l＝ , k、T、 和P为波耳茨曼常数、温度、分子直径 2 2 P 和压强。
温度和气体种类一定时有：l· P=常数 对于25°C的空气， l· P0.667（cm· Pa）
被碰撞的百分比
f 1 Nd N0 1 ed l
d l , f 63%; d l 10, f 9%;
为提高平均自由程，需提高真空度。
例题： 设蒸发源到基板的距离为 30cm, 在 25C时 , 如要求 80% 以 上的蒸汽分子在行进的过程中不碰撞 , 则要求真空度至
教学内容
光学镀膜系统的组成及其作用；
真空的获得和检测方法； 用热蒸发方法制造光学薄膜； 用溅射方法制造光学薄膜； 离子镀原理和方法。
教学目的和要求
了解常用光学薄膜的基本设备、原理和方法。
3.1 常用光学真空镀膜系统
获得光学薄膜两种工艺：物理气相沉积和化学液相沉积 （CLD） 物理气相沉积（PVD）：在真空条件下，采用物理方法， 将材料源 ——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部 分电离成离子，并通过低压气体 ( 或等离子体 ) 过程，在基 体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。
缺点：1）不能蒸发高熔点的材料；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。
选用蒸发源应考虑的因素：
1）熔点高，热稳定性好； 2）蒸发源在工作温度有足够低的蒸气压；
3）不与膜料反应；
4）高温下与膜料不相湿（相渗）或虽然相湿，但不相溶。 5）经济实惠。
蒸发源的形状随不同的膜层材料的不同而不同。可以采用电
一气体之间的碰撞为主，压力在103Pa左右气体开始出现导
电现象。 10－1 Pa是一般机械泵能达到的极限真空。 10－6 Pa为扩散泵能达到的极限真空。在10－1～ 10－6 Pa区真空特
性以气体分子与容器壁碰撞为主。在超高真空区，气体分
子在固体上以吸附停留为主，此时测量和获得的工具与高 真空区也不一样。
热阴极电离真空计优点： 1）响应快，可连续读数，也可远距离控制；
热电离真空规管
2）可测高真空度；
3）规管小，易于连接到被测量处；
4）一般电离真空计的校准曲线范围较宽，约0.1~10－5 Pa； 5）对机械振动不敏感。 热阴极电离真空计缺点： 1）灵敏度与气体种类有关； 2 ）压强大于 0.1Pa 时，灯丝易烧毁。如没保护装置，一旦漏
P 0.1 d 2 M G RT 和温度。
Mt , 、d 和M为膜层密度、厚度和膜层
材料的分子量，P为气压，t、R和T为蒸发时间、气体普适常数
为保证膜层质量，f 需10％ 光学镀膜系统的真空度指标。 光学真空镀膜机的真空系统： 1）小型机:高真空油扩散泵+低真空机械泵+低温冷阱；
这些多孔的吸附表面就被收集。
特点：1.无油污染；2.抽速大；3.运行费低，操作简单；4.适 应性强（真空腔内无运动部件，抗外界干扰和真空系统微粒
影响能力强）； 5. 可安装在任何部位； 6. 运动部件少且低速
运行，寿命长； 7. 极限真空都可达 10-7Pa ，有的型号可达 109Pa。
机械泵的性能特点：
气，规管立即烧毁；
3）工作时产生化学清除作用或电清除作用，造成压强改变， 影响测量精度；
4）玻璃壳、电极放电作用会影响测量精度。
热蒸发 通过加热使膜层材料蒸发。主要的光学镀膜方法。 电阻加热：低压大电流使高熔点金属制成的蒸发源产生热， 从而导致所承载的膜料气化或升华。
优点：结构简单、经济而且操作方便。
少为多少? 若真空度为6.710-3Pa, 则碰撞的气体分子大
约占百分之几?
解：由