第十二篇真空镀膜的标准

第十章真空镀膜工艺

为使光学零件能满足在光电仪器及元器件中所需的光学，电学，物理性能，而可以在其表面上镀一层，多层乃至上百层的薄膜。例如增透膜、反射膜、分光膜、滤光膜、电热膜、保护膜、偏振膜等。光学零件的镀膜主要分物理和化学镀膜两类。由于真空技术和膜系监控技术的发展，较易获得性能稳定，结构复杂的膜层。故在生产中多以真空镀膜法为主。

按照薄膜的使用性能分类，常见的膜层有：增透膜，反射膜，分光膜，滤光膜，电热膜，导电膜及保护膜等。

按照薄膜的结构可以分为单层膜，双层膜及多层膜等。

下面我们将就真空镀膜的基本知识作一些介绍。

一、真空的获得

1．真空的基本知识

“真空”是指压力低于一个大气压的任何气态的空间。在这种空间中气体是比较稀薄的，至少比大气要稀薄，但是绝对的“真空”，即没有任何气态微粒的空间是找不到的，就是在远离地球一万公里处、每立方厘米也有3～4千个空气的分子。

由于真空度大小仍然是气体压力大小的问题，所以计量压强的单位也就是计量真空度的单位。国际标准单位为帕斯卡（Pa），也可用“托”(Torr)、“巴”(bar)和“毫巴”(mbar)来计量，他们之间的关系如下式：

1标准大气压=1.01×105帕斯卡（Pa）=760托(Torr)=1.01×103毫巴

2．为什么需在真空中镀膜

在常压下蒸镀膜料无法形成理想的薄膜，事实上，如在压力不够低(或者说真空度不够高)的情况下同样得不到好的结果，比如在102 托数量级下蒸镀铝，得到的膜层不但不光亮，甚至发灰、发黑，而且机械强度极差，用松鼠毛刷轻轻一刷即可将铝层破坏。蒸镀必须在一定的真空条件下进行，这是因为：

（1）．较高的真空度可以保证汽化分子的平均自由程大于蒸发源到基底的距离。

由于气体分子的热运动，分子之间的碰撞也是极其频繁的，所以尽管气体分子运动的速度相当的高(可达每秒几百米)，但是由于它在前进的过程中要与其它分子多次碰撞，一个分子在两次连续碰撞之间所走的距离被称为它的自由程，而大量分子自由程的统计平均值就被称为分子的平均自由程。

由于气体压强与单位体积的分子数成正比，因此平均自由程与气体的压强亦成正比。

在真空淀积薄膜过程中，当淀积距离大于分子的平均自由程时被称为低真空淀积，而当淀积距离小于分子的平均自由程时被称为高真空淀积。在高真空淀积时，蒸发原子(或分子)与残余气体分子间的碰撞可以忽略不计，因此汽化原子是沿直线飞向基片的，这样保持较大动能到达基片的汽化原子即可以在基片上凝结成较牢固

的膜层。在低真空淀积时，由于碰撞的结果会使汽化原子的速度和方向都发生变化，甚至可能在空间生成蒸汽原子集合体—其道理与水蒸汽在大气中生成雾相似。

（2）．在较高的真空度下可以减少残余气体的污染

在真空度不太高的情况下，真空室内含有众多的残余气体分子(氧、氮、水及碳氢化合物等)，它们能给薄膜的镀制带来极大的危害。它们与汽化的膜料分子碰撞使平均自由程变短；它们与正在成膜的表面碰撞并与之反应；它们隐藏在已形成的薄膜中逐渐侵蚀薄膜；它们与蒸发源高温化合减少其使用寿命；它们在已蒸发的膜料表面上形成氧化层使蒸镀过程不能顺利进行……。

二、真空测量

现代真空技术的发展使人们已经可以测量从大气压一直到

10-12Pa的真空压强，当然只使用一种真空计完成在这么广泛的区间内的测量工作是不可能的，因此人们常常使用几种真空计分别完成各自范围的真空测量。

下面分别介绍一下我司真空镀膜机上常用的几种真空计：

a. 热偶真空计和皮拉尼真空计

在一定范围内，气体的热传导率是压力的函数，这就是热偶真空计和皮拉尼真空计的测量原理。

热偶真空计采用直接测量温度变化的方法来进行工作。在加热电流维持恒定时，如果气体压强降低，则气体热传导系数减少，热偶工作端的温度升高，相应的热电动势即要增加，通过压强和电动势的关系即可确定出系统的压强。

皮拉尼真空计和热偶真空计一样也常用做中等真空范围的测量。皮拉尼真空计有一个玻璃或金属外壳，壳内装有高温电阻系数的金属丝(如铂、钨等)，随着压强的降低，灯丝的温度及其电阻值就会升高，根据测得的电阻值即可间接得到压强的值了。

b. 冷阴极电离真空计

冷阴极电离真空计亦称潘宁真空计。当放电管在低于102 毫巴的压强下工作时，由于气体分子稀少电子从阴极飞向阳极的过程中很少与气体分子碰撞，因而电流与气体的压强不发生关系。但如果在电子运动的垂直方向加一强磁场，则电子运动的轨迹即变成螺旋形，这样电子电离气体分子的机会就大大增加了，甚至在非常低的气体密度下，也能有大量的气体被电离。当阳极电压和磁场强度皆为恒定时，对于一定的气体成分来说，离子电流与压强直接相关，这就是冷阴极离真空计工作的原理。

三、薄膜的形成

A、凝聚是基体分子和蒸发原子互相吸附的结果

真空中，具有一定能量的蒸发原子冲击到基底的表面时，受基底表面力场的作用与基底分子进行了能量交换，这时在蒸发原子与基底分子之间则产生了吸附一物理吸附和化学吸附。物理吸附为任何两个彼此接近分子间的范德瓦尔斯力，化学吸附为原子间的化学键力。当然不是所有的蒸发原子都能与基底分子吸附的，有一部分原子保持了自己的大部分能量，碰撞后发生了反射，而即使是那些被吸附的蒸发原子他仍然可以在基底表面进行迁移，或者被解吸而离开基底表面。另外，在基底表面还存在另一种类型的作用，即蒸发原子和已经被吸附在基底表面上的同类原子的缔合作用。象这样，蒸发原子被基底所吸附的过程即为凝聚。

人们把凝聚原子与入射原子之比称为蒸发原子的凝聚系数。一般来说，凝聚系数总是要小于l的。由于原子间的吸引力不同，所以同种蒸发原子对不同的基底来说其凝聚系数是不相同的。

每一种蒸发原子对于不同的基底都有不同的成膜临界温度，只

有当基底温度低于成膜临界温度时才可能凝聚。这种现象可解释为：当基底温度过高时，撞击在基底表面上的蒸发原子不是被反射就是被解吸。还应说明的是，在成膜过程中(已有成膜基础)，基底温度虽然超过临界温度，但薄膜仍可以继续生长，然而其结晶态将被改变。在成膜初期，薄膜是以无定形或玻璃体状态出现的，随着温度的升高，薄膜逐渐向亚稳态过渡，如果这个趋势继续发展下去，则将向稳态转化，最后开成结晶薄膜。

B. 薄膜的形成过程

在开始蒸镀后，基底表面较为均匀地吸附了一些蒸发的原子，蒸发原子之间的相互作用使其聚集成一些晶核，这些晶核不断地生长、迁移、合并，形成了一些小岛(大的晶核聚集而成)，基底表面的这些小岛进一步生长，彼此相近的岛互相接合形成大岛。随着淀积的进行，这些大岛和小岛的高度也在不断地增加，最后在整个基底表面上形成一种带沟渠的网络结构。不断蒸镀的结果使蒸发原子在沟渠内也不断地成核、成岛，最后逐渐填充完整个沟渠。当基底表面上的沟渠和孔洞被填满后，蒸发原子就继续堆砌在这些结构上形成了各种各样的薄膜。

在电子显微镜下可以看出，常规热蒸发的薄膜无例外地都是一种柱状结构，柱体的方向与薄膜的生长方向相同而垂直于薄膜界面，而这一个个柱体之间则存在着许多问隙。人们用填充密度来度量薄膜中总的间隙

气孔）

膜层总体积（柱体柱体）膜层实体部分的体积（+=填充密度P 填充密度是衬底温度函数，在大多数情况下，基底温度升高填充密