镀膜技术介绍

SiO2
材料特性：SiO2薄膜是一种重要的低折射率薄膜材料 （n=1.46），具有宽透明区(0．15～8 μm)、低折射率、 高硬度、低热膨胀系数、好的电绝缘性，以及耐摩擦、耐 酸碱、抗腐蚀等优点，并在光学领域如减反膜、高反膜、 分光膜和滤光膜等各类光学元件的多层膜中有着广泛的应 用。 镀膜方式：SiO2薄膜的制备有热蒸镀、电子束蒸镀[1]、离 子辅助、离子束溅射[2]、磁控溅射、溶胶一凝胶[3]等方式。 材料用途：SiO2为低折射率材料，可许多高介质材料搭配 构成膜堆。如：TiO2/SiO2[1],Ta2O5/SiO2。其次， SiO2也用 作许多光学元件的保护层。
真空离子镀特点
优点
(1)膜层附着力强。 (2)膜层组织致密，耐蚀性好。 (3)具有绕镀性能，能够在形状复杂的零件表面镀膜。 (4) 成膜速率高，可与蒸发镀膜的速率相当；且可镀厚膜 （达30m）。
真空离子镀特点
缺点
(1)离子镀的应用有一定限制。由于高能离子和中性粒子的轰击，沉 积的薄膜中缺陷密度大大增加，且在膜与基体之间存在较宽的过 渡界面层，在有些情况下，特别是在一些电子器件和集成电路的 生产中，都是不允许的。 (2)由于高能粒子的轰击，基片温度较高，在需要低温成膜的场合， 须另加基片的冷却装置。 (3)淀积的薄膜中含气较高。由于到达基片的不仅有中性气体分子， 还有气体正离子。气体分子会吸附在膜的表面，而正离子还能渗入 薄膜中一定的深度(如能量为1keV的Ar+能够在固体铜中渗入1nm)。
HfO2
材料特性：HfO2薄膜因为具有较高的硬度，高的化学稳定 性和优良介电性能而备受关注。特别是用作光学薄膜，它 具有硬度高、折射率高、高的强激光损伤阈值且在近紫外 到中红外波段的良好透过性能等特点。 镀膜方式：电子束蒸发镀膜 材料用途：同济大学[1]、成都光机[2]所采用HfO2/SiO2膜堆 制作高反膜、增透膜，用于提高激光系统（1064nm）的 损伤阈值。
真空溅射镀膜
所谓“溅射”就是用荷能离子（通常是气体正离 子）轰击物体，从而引起物体表面原子从母体中 逸出的现象。射出的粒子大多呈原子状态，常称 为溅射原子。 用于轰击靶的荷能粒子可以是电子、离子或中性 粒子，由于离子在电场下易于加速并获得所需动 能，因此大多采用离子作为轰击粒子。
真空溅射镀膜
与真空蒸发镀膜相比，溅射镀膜有如下的优点： （1）溅射膜与基板之间的附着性好(10~100ev)。 （2）溅射镀膜膜层致密，针孔少，且膜层的纯度较高。 （3）相比于电子束蒸镀，溅射镀膜层更加光滑。 缺点： （1）溅射设备复杂、需要高压装置； （2）溅射淀积的成膜速度低，真空蒸镀淀积速率为1～ 2nm/s，而溅射速率为0.01～0.04nm/s；
薄膜制备方法
真空蒸发镀膜
真空蒸发镀膜法是在
真空室中，加热蒸发
容器中待形成薄膜的 原材料，使其原子或 分子从表面气化逸出， 形成蒸气流，入射到
基片表面，凝结形成
固态薄膜的方法。
电阻式蒸发镀膜
蒸发源
• 蒸发源是真空蒸发镀膜机的关键部件，根据蒸发源 的不同可将真空蒸发镀膜分为以下几种：
电子束加 热式 蒸发源
真空蒸发镀膜
真空蒸发镀膜最大的特点是成膜速度快、蒸镀面 积大。但是，由于热蒸发的粒子能量低（0.1~1ev ），膜层附着力差、容易脱膜，薄膜堆栈密度不 高、致密性差，膜层表面粗糙，折射率降低[1]。
[1]王英剑, 李庆国, 范正修. 电子束, 离子辅助和离子束溅射三种工艺对光学薄膜性能的影响[J]. 强激光与粒子束, 2003, 15(9): 841-844.
[1]谭宇, 梁宏军, 刘永强, 等. 用二氧化钛, 二氧化硅和氟化镁膜料镀制 0.4 μm-1.1 μm 超宽带增 透膜[J]. 应用光学, 2007, 28(5): 623-626. [2]付秀华, 董连和, 付新华, 等. 红外增透与保护膜技术的研究[J]. 激光与红外, 2007, 36(12): 1162-1164. [3]王永强, 胡晓云, 苗仲海, 等. 溶胶-凝胶法制备 TiO2-SiO2 多层增透膜[J]. 光子学报, 2008, 37(6): 1165-1168.
MgF2
材料特性：分子量62.31，密度2.9~3.2，熔点1359 ℃ ， 在10-4Torr真空下的蒸发温度为1540℃。MgF2薄膜的透明区 为O．21um～lOum。氟化镁薄膜是所有低折射率材料中最为 牢固的薄膜，特别是当基底温度为大约250 ℃左右时，其 膜层牢固度可以得到非常令人满意的结果。 镀膜方式：热电阻蒸镀，电子束蒸镀[1]。
ZnS
材料特性：ZnS是常见的红外光学材料，经过热等静压处理的 多光谱ZnS晶体的透明区为0.38~14um，具有良好的机械性能和 光学性能，透射率可在72%以上且吸收小，优良的性能使其在红 外与激光系统中得到广泛使用。 镀膜方式：电子束蒸镀+离子辅助沉积 材料用途：ZnS作为高折射率材料，可与低折射率的YbF3、YF3 搭配，制造不同波段的激光滤光膜及增透膜[1][2][3]。同时，也 可配合MgF2用于双 等. 真空蒸镀氟化镁增透膜的厚度与均匀性控制[J]. 材料导报, 2013, 26(22): 5-9.
TiO2
材料特性：分子量79．88，密度4．29，熔点1850 ℃ ，折 射率2.05（550nm），在10-4Torr真空下的蒸发温度为 2200 ℃ 。可用钨舟、钼舟加热蒸发，此时产生分解的吸 收膜。也可由电阻加热蒸发Ti，然后在空气中加热氧化二 制备Ti02薄膜。用电子束加热蒸发效果很好。但是，由于 TiO2在真空中加热蒸发时会分解失氧，形成高吸收的钛的 亚氧化物薄膜。因此，在镀制过程中需要给其充加氧气。 镀膜方式：电子束蒸镀[1]，离子源辅助沉积[2]，溶胶-凝 胶法[3]
王英剑, 李庆国, 范正修. 电子束, 离子辅助和离子束溅射三种工艺对光学薄膜性能的影响[J]. 强激光与粒子束, 2003, 15(9): 841-844.
考夫曼离子源
1.阴极灯丝加热发射热电子。 2.电子与气体原子或分子碰撞。 3.气体电离，在放电室形成等 离子体。 4.多孔栅极产生加速电场。 5.离子被加速电场引出、加速、 获得能量。 6.磁场对电子运动进行约束， 增加离化率。 7.中和钨丝产生电子。 8.中和电子对引出离子中和形 成等离子体。
电子枪
电阻加热 式
加热电阻
感应加热 热
高频螺旋线圈
激光加热式
大功率激光器
优点
可蒸镀高熔点 结构简单、造 蒸发速率大（ 可蒸发高熔点面膜材 膜材，蒸发速 价便宜、适合 电阻式10倍） ，激光器只能装在真 率快，膜材不 大批量生产。 ，温度均匀。 空室外，对薄膜污染 受容器污染， 少。 可蒸镀高纯度 薄膜。 电子枪造价较 所镀膜材熔点 蒸发装置必须 打功率激光器价格昂 高. 不高，膜层质 屏蔽，需要高 贵。 量不高，电阻 频发射器。 丝寿命有限。
辐射区较小 均匀性差
霍尔离子源
发散
20~200
低能大束流 辐射区大 均匀性较好
能量低 能量范围小
离子束辅助沉积（IAD）
由于直接用离子源进行镀膜，成膜速度太慢。目前， 对于离子源的使用，多将其作为辅源用于离子束辅助 沉积（IAD），配合电子束进行快速蒸镀。 IAD可以在镀膜前对基片进行清洗，清除表面污渍。 也可以在电子束蒸镀的同时，使用离子源辅助沉积。 这可以清除结合力较弱的粒子，增加密度、降低内应 力，改善薄膜生长。
霍尔离子源
1.阴极钨丝发射热电子向阳极迁移。 2.电子与气体原子碰撞使其离化。 3.磁场中电子形成霍耳电流产生电场。 4.离子被霍耳电场加速引出、加速。 5.阴极热电子对引出离子中和形成等离子体。
离子源对比
离子源
电子束
能量
优点
缺点
考夫曼离子 源
聚焦
200~3000
高能小束流 能量调节宽
面蒸发源
m cos cos t r2
但是，在实际过程中蒸发源 并不是理想的点源或面源， n 用cos [1]来描述实际的蒸 发源更加准确。
m cosn cos t 2 r
[1]温才, 令勇洲, 李文俊, 等. 真空蒸镀氟化镁增透膜的厚度与均匀性控制[J]. 材料导报, 2013, 26(22): 5-9.
膜厚理论
通常将能够从各个方向蒸 发等量材料的微小球状蒸 发源称为点蒸发源（简称 点源）。 假设膜材以每秒m克的蒸 发速率想各个方向蒸发， 在单位时间内凝结到面 dS2上的膜厚t：
点蒸发源
m cos t 4 r2
：蒸发材料的密度
t：单位时间膜厚
膜厚理论
如果蒸发源是小平面， 按照余弦定律，膜材 在单位时间膜厚t为：
Ta2O5
材料特性：分子量441．89，密度8．74，熔点1800 ℃ ， 在10-4Torr真空下的蒸发温度为2500℃。可用钽、钨舟、线 圈加热蒸发，也可由钨坩埚加热蒸发，用电子束加热蒸发 效果良好。Ta2O5薄膜的透明区为0．3~10um，其折射 n=2.1(550nm)。可用于干涉涂层中作为高折射率薄膜材料， 其机械性能极为牢固，强碱也不能将它腐蚀，所以还可作 为保护涂层，特别是在高温环境中的应用。 镀膜方式：电子束蒸镀[1]，离子束溅射[2]
真空镀膜调研
真空镀膜
• 真空镀膜：在真空中把金属、合金或化合物进行 蒸发（或溅射），使其沉积在被涂覆的物体（称 基片、基板或基体）上的方法。 • 真空镀膜亦称干式镀膜，与传统的湿法镀膜相比 具有如下特点：
– 真空制备、环境清洁，膜层不易受污染，致密性好、 纯度高、膜厚均匀。 – 膜与基体附着力好，膜层牢固。 – 不产生废液，避免环境污染。
[1]程鑫彬, 沈正祥, 焦宏飞, 等. SiO2/HfO2 高反射膜的研制[J]. 强激光与粒子束, 2012, 24(6): 1276-1280. [2]卫耀伟, 张哲, 刘浩, 等. HfO2/SiO2 薄膜的激光预处理作用研究[J]. 强激光与粒子束, 2013, 25(12): 3273-3277.
真空离子镀
1.当真空室抽至10-4Pa 的高真空后，通入 惰性气体(如氩)，使真空度达到1-10-1 Pa 。 2.接通高压电源，则在蒸发源与基片之间 建立起一个低压气体放电的等离子区。 3.加热膜材，蒸汽离子受到等离子体中电 子和正离子的碰撞，一部分被电离成正离 子，在电场作用下吸附到基片上成膜。 4.成膜过程始终伴随着正离子（气体或膜 材）对基片的溅射，因此，只有当沉积作 用大于溅射剥离时才能制备薄膜。
[1]付秀华, 董连和, 付新华, 等. 红外增透与保护膜技术的研究[J]. 激光与红外, 2007, 36(12): 1162-1164. [2]刘华松, 王利栓, 姜玉刚, 等. 离子束溅射制备 Si02 薄膜的折射率与应力调整[J]. 光学精密工程, 2013, 21(9): 2238-2243. [3]马健, 刘秉琦, 华文深, 等. SiO2/TiO2 复合薄膜的制备及其可见光透过率[J]. 光学技术, 2009 (4): 513-516.
[1]贺才美, 付秀华, 张家斌, 等. 可见与红外双波段宽带增透膜的研制[J]. 光学学报, 2009 (10): 2929-2933. [2]贺才美, 付秀华, 孙钰林, 等. 多波段激光滤光膜的研制[J]. 中国激光, 2009 (6): 1550-1554. [3]宫大为, 付秀华, 耿似玉, 等. 红外双波段激光滤光膜的研制[J]. 中国光学, 2011, 4(3): 293-298.
缺点
电阻式蒸发镀膜
采用钽、钼、钨等高熔 点金属，做成适当形状 的蒸发源，其上装入待 蒸发材料，让电流通过， 对蒸发材料进行直接加 热蒸发，或者把待蒸发 材料放入Al2O3、BeO 等坩埚中进行间接加热 蒸发 。
电阻式蒸发镀膜
电子束蒸发镀膜
1.电子枪灯丝是损耗零件， 需定期更换。 2. e型电子枪工作需要一定 的真空条件，工作真空度 ≤6×10-2~2×10-2。 3. e型电子枪真个枪头均放 置在散热较差的真空室中， 特别是电子枪常常用来加热 一些高熔点的金属，因此电 子枪的散热问题尤为重要。 电子枪水冷主要是冷却坩埚、 散射电子吸收极及磁极等部 分。