鍍膜基礎(chǔ)知識
鍍膜基礎(chǔ)知識
光學(xué)薄膜技術(shù)的分類:物理氣相沉積俗稱真空鍍膜,設(shè)計物理特性間的能量轉(zhuǎn)換等等?;瘜W(xué)氣相沉積主要是通過相關(guān)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)而形成滿足功能需求的致密層。
一、真空度
真空度:真空狀態(tài)氣體稀薄程度的物理量,采用與壓強(qiáng)相同的計量法。真空度的單位:pa、toor、mba。
真空區(qū)間的劃分:
粗真空:10-5—102pa; 低真空:102—10-1pa
高真空:10-1—10-6pa; 超高真空:<10-5pa
真空鍍膜技術(shù):真空蒸發(fā)鍍膜法是物理氣相沉積的基本方法之一,是指在真空條件下,加熱蒸發(fā)容器中的鍍膜材料,使其原子或分子從表面蒸發(fā)或氣化逸出,形成蒸氣流,入射到基本表面,凝結(jié)生成固態(tài)薄膜。薄膜形成的過程是由氣相到吸附相、再到固相的相變過程,其成膜過程可以分為三步驟:
(1)將鍍膜材料從固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài);
(2)鍍膜材料的氣態(tài)原子或分子或離子運(yùn)動到達(dá)基片表面;
(3)鍍膜材料的氣態(tài)原子或分子或離子沉積在基片上并逐漸形成薄膜。
二、真空系統(tǒng)
主要是有幾種常見真空泵來實(shí)現(xiàn),一般來說,小型的真空鍍膜機(jī)采用“高真空油擴(kuò)散泵+低真空機(jī)械泵+低溫冷阱”。大型的真空鍍膜機(jī)采用的是“高真空油擴(kuò)散泵+低真空機(jī)械泵+羅茨泵+低溫冷阱”。
(1)機(jī)械泵
作用:機(jī)械泵是利用機(jī)械物理的對被抽容器進(jìn)行抽氣而獲得真空的設(shè)備;屬于前期抽氣。
原理:建立在玻意耳—馬涅特定律的基礎(chǔ)上的。即:一定質(zhì)量的空氣,在溫度保持不變時,它的壓強(qiáng)和體積成反比。
泵的核心部分是固定在定子內(nèi)轉(zhuǎn)動的偏心轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子內(nèi)有一對旋片,通過旋片內(nèi)的彈簧張力使旋片的端點(diǎn)始終與(定子)內(nèi)壁內(nèi)合,在(定子)的上方有一個氣體入口和配有排氣瓣閥,當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,入口處有氣體被抽入泵體,繼續(xù)轉(zhuǎn)動將氣體通過排氣瓣閥排出,從而實(shí)現(xiàn)抽氣過程,當(dāng)轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)動時排氣瓣閥就會立刻關(guān)閉,避免油進(jìn)入定子,出現(xiàn)油倒流的現(xiàn)象發(fā)生。
(2)羅茨泵
羅茨泵是利用一對8字型轉(zhuǎn)子在泵殼中保持一定的間隙,作等速反向旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生吸氣和排氣作用的。
羅茨泵主要特點(diǎn):
1、在1—100pa入口壓力范圍內(nèi)具有大抽速。
2、泵腔無油,避免油蒸汽污染真空系統(tǒng)。
3、機(jī)械摩擦損失小,故驅(qū)動功率小。
4、易于維護(hù)和維修,費(fèi)用低,壽命高。
5、不可單獨(dú)使用,必須配置前級泵。不允許在大氣壓力下啟動,待前級泵將羅茨泵入口壓力抽到允許入口壓力時方可啟動。
6、羅茨泵不允許高壓差時工作,否則將會過載和過熱而損壞,因此使用羅茨泵真空泵時必須合理地選用前級真空泵,安裝必要的保護(hù)設(shè)備。
(3)擴(kuò)散泵
擴(kuò)散泵油通過底部電爐加熱之后變成油分子蒸汽,大量油蒸汽向上蒸發(fā),然后通過泵體內(nèi)各級噴嘴噴出,將真空室空氣分子往下壓由羅茨泵或機(jī)械泵抽出,因?yàn)閿U(kuò)散泵體周圍有冷卻水冷卻,而油蒸汽噴到泵體上遇冷之后,大部分變成液體順著泵體流到底部,然后再加熱、蒸發(fā)、噴射、冷卻循環(huán)整個過程實(shí)現(xiàn)抽真空的過程。
三、真空計
真空計用以探測低壓空間稀薄氣體壓力所用的儀器稱為真空計。真空計種類繁多,工作原理各異,除極少數(shù)幾種是直接測量壓力外,其它幾乎都是間接測量壓力的。
間接測量真空計壓力為10-1pa時,作用在每平方厘米表面上的力只有10-5N,顯然測量這樣小的力是困難的。但可根據(jù)低壓下與氣體壓力有關(guān)的物理量的變化來間接測量壓力的變化。
真空計一般分為壓縮式真空計、熱傳導(dǎo)真空計、熱輻射真空計、電離真空計、放電管指示器、粘滯真空計、場致顯微儀、分壓力真空計。
(1)電阻真空計
電阻式真空規(guī)是利用電熱絲的電阻溫度特性和溫度隨著壓強(qiáng)變化關(guān)系,將壓強(qiáng)變換為電阻測量。工作原理是:真空度不同,單位體積內(nèi)的空氣分子數(shù)就不同,對于正在發(fā)熱的電阻絲帶走熱量的能力就不同,電阻絲溫度就不同,因?yàn)殡娮杞z的電阻率是溫度的函數(shù),所以不同的真空度就引起電阻率的不同,則電阻就不同,電流在電阻絲上的壓降就不同,根據(jù)電壓的變化就能換算出空氣壓強(qiáng)。
(2)電阻真空計
電阻式真空規(guī)是利用電熱絲的電阻溫度特性和溫度隨壓強(qiáng)變化關(guān)系,將壓強(qiáng)變換為電阻測量。工作原理是:真空度不同,單位體積內(nèi)的空氣分子數(shù)就不同,對于正在發(fā)熱的電阻絲帶走熱量的能力(散熱能力)就不同,電阻絲溫度就不同,因?yàn)殡娮杞z的電阻率是溫度的函數(shù),所以不同的真空度就引起電阻率的不同,則電阻就不同,電流在電阻絲上的壓降就不同,根據(jù)電壓的變化就能換算出空氣壓強(qiáng)。
(3)電離真空計
電離真空計分為:熱陰極電離真空計和冷陰極電離真空計兩種。
由燈絲加熱提供電子源的電離真空計稱為熱陰極電離真空計。
熱陰極電離真空計由測量規(guī)管和電氣測量電路組成。規(guī)管功能是把非電量的氣體壓力轉(zhuǎn)換成電量—離子電源。
冷陰極電離真空計與熱陰極電離真空計一樣,是利用低壓力下氣體分子的電離電流與壓力有關(guān)的特性,用放電電流作為真空度的測量,由電流表指示出來。
熱陰極電離真空計是由熱陰極發(fā)射電子,而冷陰極電離真空計是靠冷發(fā)射(場致發(fā)熱、光電發(fā)射、氣體被宇宙射線電離等)所產(chǎn)生的少量初始自由電子。
冷陰極電離真空規(guī),沒有熱陰極,不怕大氣沖擊,但其測量誤差較大
(4)復(fù)合真空計
復(fù)合真空計是由二路皮拉尼電阻真空計和一路熱陰極電離真空計組合而成。
四、熱蒸發(fā)系統(tǒng)
A 電阻蒸發(fā)(俗稱阻蒸):低壓大電流使高熔點(diǎn)金屬制成的蒸發(fā)源產(chǎn)生焦耳熱,使蒸發(fā)源中承載的膜材料汽化或升華。常用蒸發(fā)源的有鎢、鉬等。
電阻加熱蒸發(fā)鍍膜:是將鎢、鉬、鉭等高熔點(diǎn)金屬做成適當(dāng)形狀的蒸發(fā)源,利用蒸發(fā)源通電后產(chǎn)生電阻熱而獲得高溫以此來熔融膜料使其達(dá)到蒸發(fā)的目的。
蒸發(fā)源的形狀可根據(jù)蒸發(fā)材料的性質(zhì),結(jié)合考慮與蒸發(fā)源材料的濕潤性,制作成不同的形狀。
缺點(diǎn):1、被蒸發(fā)的膜料的熔點(diǎn)不能太高
2、膜料容易分解
3、膜料獲取的初始動能低,填充的膜層致密性不好,機(jī)械強(qiáng)度差
4、蒸發(fā)源和被蒸發(fā)的膜材料不能有活躍的化學(xué)特性
B 電子束加熱蒸發(fā):燈絲通過大電流被激發(fā)形成電子流,電子流被加速的同時,有電磁場使其聚成細(xì)束,并在偏轉(zhuǎn)線圈的作用下對準(zhǔn)坩堝內(nèi)的膜料,造成局部高溫而汽蒸發(fā),化簡單說就是能量轉(zhuǎn)換,電能轉(zhuǎn)化為動能,再轉(zhuǎn)化為勢能,然后形成膜層產(chǎn)生內(nèi)能。
缺點(diǎn):不能實(shí)現(xiàn)塊狀材料的重復(fù)使用。
五、國產(chǎn)機(jī)鍍膜溫飄
國產(chǎn)機(jī)由于離子源能力弱,膜層致密性較差,鍍后光譜中心波長會往厚漂移1.5%左右(AR-1500約20—25nm)。
Leybold APS1104 溫飄2-5nm左右
光馳 離子源能量大,溫飄微小0.5nm;
Veeco 能量較強(qiáng),無溫飄。
鍍制成膜的機(jī)制是由島狀結(jié)構(gòu)開始,除了橫向,同時每一點(diǎn)上也有縱向生長,由于動能不足形成自我掩影現(xiàn)象,因而堆積成柱狀結(jié)構(gòu)。
由于毛細(xì)管現(xiàn)象,這些柱狀結(jié)構(gòu)的孔會吸滿水,造成薄膜光學(xué)屬性額改變。
薄膜的為光結(jié)構(gòu)與大塊材料不同呈多孔的柱狀結(jié)構(gòu),牢固度和硬度,耐潮濕本領(lǐng)下降、光的散射和吸收損失加大導(dǎo)致耐激光損失能力下降,折射率隨外界環(huán)境發(fā)生變化。
薄膜的聚集密度就很重要,影響因素:離子源能量,烘烤溫度....