薄膜光学第四章

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1、教学内容教学目的和要求光学薄膜器件的质量要素（光学性能、机械、环境等）；影响膜层质量的工艺要素；获得精确膜层厚度的方法；获得均匀膜层的方法。了解和掌握影响光学薄膜质量的主要因素以及控制方法。光学镀膜技术光学镀膜工艺光学镀膜理论和设计4.1光学薄膜器件的质量要素光学镀膜器件的光学性能光学薄膜的光学常数：折射率和厚度。膜层折射率误差来源、膜层厚度误差来源膜层折射率误差来源1）膜层的填充密度，也叫聚集密度。它是膜层的实材体积和膜层的几何轮廓之比。2）膜层的微观组织物理结构。即使用同样的膜层材料，采用不同的物理气态

2、沉积技术（PVD），得到的膜层具有不同的晶体结构状态，具有不同的介电常数和折射率。3）膜层的化学成分。采用PVD的热蒸发技术制造光学薄膜几乎每一种化合物的膜层材料蒸发时都会有一定程度的热分解。沉积在基板表面的膜层是蒸发源材料热分解后又在零件表面再次化合反应的化合物膜层、分解物以及未分解材料的混合物，而且分解、化合反应进行的程度也受不同工艺的影响。最后所得到的是混合物的平均折射率。控制膜层折射率就是要控制这三个因素的影响！光学镀膜器件的机械性能:硬度和牢固度硬度：是由膜层材料本征性能和膜层内部结构的紧密程度共

3、同决定的宏观性能。1）高硬度的膜层材料，即先天条件要好；2）选用适当的镀膜技术提高膜层的紧密程度。牢固度：膜层对于基片的附着或黏结程度。由膜层和基片之间的结合力的性质决定。化学键的结合比物理性质的范德华力牢固得多；基片表面的清洁程度；成膜粒子的迁移能，尤其是与注入效应有关的迁移能。带电离子沉积技术（溅射、离子镀和离子辅助度）比单纯的热蒸发技术能得到更牢固的膜层。光学镀膜器件环境稳定性环境因素：盐水雾水、高温高湿、温度剧变、酸碱腐蚀等。选用化学稳定性好的材料作为膜料；提高膜层的聚集密度。对于致密膜层，酸、碱、

4、盐、水等对膜层的腐蚀是面腐蚀，腐蚀速度慢，耐久性强；相反对于结构疏松的膜层，酸、碱、盐、水等对膜层的腐蚀会渗透到内部，属于体腐蚀，腐蚀速度快，耐久性差。选材受到的制约往往比较多，所以提高光学镀膜器件耐久性关键是提高膜层的填充密度。膜层填充密度对膜层质量的影响膜层填充密度的定义：膜层材料的折射率为nf，实心材料的折射率为ns，膜层内空隙介质的折射率nv。则有加权平均折射率膜层填充密度可以影响到折射率、膜层的机械强度和稳定性、膜层应力和散射等。膜层填充密度：膜层颗粒大小、膜层密度。大颗粒膜层带来1）膜层表面粗糙

5、，于是光线散射损耗大，表面摩擦系数大，抗摩擦损伤能力差。2）结构疏松，不结实。提高膜层填充密度需考虑的工艺因素有：基片温度、沉积速率、真空度、蒸汽入射角以及离子轰击等。膜层填充密度低，膜层内空隙分量加大。1）膜层与基底间的吸附能力小，膜层结构疏松、牢固度差；2）膜层结构不规则，均匀性差；3）空隙吸收环境气体导致膜层有效光学厚度对环境温度变化比较敏感，导致光学特性不稳定；4）增加光学损耗，降低光束质量；5）表面粗糙，抗摩擦能力差；6）不结实；7）抗腐蚀性能差。4.2光学薄膜器件质量的工艺要素真空镀制光学薄膜的

6、工艺过程为清洁光学零件清洁真空室固体光学零件抽真空、零件加温膜层控制仪器调整膜料蒸发或升华镀膜膜后处理检测真空度的影响：1）高真空度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，使膜层材料蒸汽分子动能变小。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。沉积速率的影响：沉积速率：单位时间内在被镀表面上形成的膜层厚度来表示。是描述薄膜沉积快慢的工艺参数（nm.s-1）。沉积速率低，凝结只能在大的聚集体上进行，膜层结构疏松。提高沉积速率，膜层颗粒细而致密，膜层均匀，散射小，牢固度好

7、。沉积速率影响主要的薄膜参数：折射率、牢固度、机械强度、附着力等。提高沉积速率的方法：提高蒸发源的温度和增大蒸发源的面积。受真空度影响主要的薄膜参数：折射率、散射、机械强度和不溶性等。基片温度的影响：基片温度对膜层原子和分子提供额外的能量补充。主要影响膜层结构、凝集系数、膨胀系数、聚集密度等。宏观上反映在折射率、散射、应力、附着力、硬度和不容性等方面的差异上。1）冷基片：一般用于蒸镀金属膜；2）升温优点：将吸附基片表面的剩余气体排除，增加基片与沉积分子之间的结合力；促使膜层的物理吸附向化学吸附转化，使膜层更

8、加紧密，附着力增加，提高了机械强度；减少蒸汽分子再结晶温度与基片温度之间的差异，提高膜层的密集度，增加膜层的硬度，消除内应力。过高温度可导致膜层结构变化或膜料分解。离子轰击的影响：镀前轰击：使基片表面因离子溅射剥离而再清洁和电活化，提高膜层在基片表面的凝集系数和附着力。镀后轰击：提高膜层的聚集密度，增进化学反应提高机械强度、均匀性和抗激光损伤阈值。基片材料的影响：1）基片材料的膨胀系数不同将导致膜层的热应力不同；