薄膜光學(xué)技術(shù)-.ppt

1、課堂論題十一,1、薄膜光學(xué)原理解決的問題 有膜光學(xué)零件表面光譜反射率、透射率的計(jì)算方法 常見光學(xué)薄膜慣用膜系結(jié)構(gòu) 規(guī)則膜系光譜反射、透射特性及其計(jì)算方法 2、必須掌握的概念和方法 單層薄膜光譜反射、透射特性及其計(jì)算方法 規(guī)則膜系(LH)m光譜反射、透射特性及其計(jì)算方法 減反射膜系設(shè)計(jì)的基本思想方法 光學(xué)薄膜的偏振效應(yīng)特性計(jì)算方法 薄膜光譜反射、透射特性與膜系結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系 所有標(biāo)注以“說明”、“注意”、“顯然”的問題,第三章 薄膜制造技術(shù),薄膜的制備方法,鍍膜方法,濕法,干法,CVD,PVD,電鍍,化學(xué)鍍,常壓CVD,低壓CVD,光CVD,金屬有機(jī)物熱分解CVD,PECVD,熱蒸發(fā),離子束

2、輔助蒸發(fā),濺射,離子鍍,射頻、直流、射頻直流、直流脈沖、微波,高溫、中溫,濕法制備薄膜工藝簡單，制造成本低，但膜層厚度不能精確控制，膜層強(qiáng)度差，較難獲得多層膜，有污染。 干法制備薄膜需要使用真空鍍膜機(jī)，制造成本高，但膜層厚度可以精確控制，膜層強(qiáng)度好，無污染，已廣泛采用。,PVD技術(shù),1. 熱蒸發(fā)技術(shù) 2. 濺射技術(shù) 3. 離子鍍技術(shù) 4. 離子輔助鍍技術(shù),3.1 真空及真空鍍膜機(jī),“真空”是干法鍍膜的基礎(chǔ)，是光學(xué)鍍膜機(jī)的基礎(chǔ)。 本節(jié)將解答下列問題： PVD為什么要在真空中進(jìn)行？ 真空用哪些參數(shù)計(jì)量？ PVD所需要的真空條件是如何確定的？ 真空如何獲得？,1）. 熱蒸發(fā)工藝過程：,（1）PVD與

3、真空,1、真空基礎(chǔ),2）. 大氣PVD存在的問題,常溫常壓下， 空氣分子質(zhì)量密度：1.2810-6 g /mm3 每克氣體分子含分子個數(shù)：2.08 1022個/g 氣體分子距離：3.3410-6mm 氣體分子的空間密度：2.681016個/mm3 因此, A. 空氣中活性氣體分子與膜層、膜料、蒸發(fā)器反應(yīng)； B. 空氣分子進(jìn)入膜層成為雜質(zhì)； C. 蒸發(fā)膜料大多因碰撞而無法直線到達(dá)被鍍件。,3). 真空PVD的優(yōu)點(diǎn),真空 壓強(qiáng)小于1個大氣壓的氣體狀態(tài)。 （并非一無所有） PVD需要的真空條件應(yīng)能保證： “平均自由程”“源-件”距。 易蒸發(fā)（膜料蒸發(fā)溫度大幅下降）； 易獲高純膜； 膜層堅(jiān)硬； 成膜速

4、度快。,（2）真空與壓強(qiáng),1）. 真空與真空度 真空是一種氣體狀態(tài)。 真空度是表征真空狀態(tài)氣體稀薄程度的物理量。 2. 真空度與壓強(qiáng) A. 真空度的計(jì)量采用與壓強(qiáng)相同的方法和單位。 注：壓強(qiáng)低 真空度高；壓強(qiáng)高 真空度低。 B. 壓強(qiáng)計(jì)量單位： 1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=760mmHg=1.0132510 5 Pa,真空的國際單位：Pa（帕） 常用真空單位還有：Torr（托）, mmHg（毫米汞柱)， mbar（毫巴），atm（大氣壓）,互換關(guān)系為： 1 Torr =1/760 atm=1mmHg=1.33mbar=133.3Pa,幾種壓強(qiáng)單位的換算關(guān)系,目前尚無統(tǒng)一規(guī)定，常見的劃分為： 粗真空，低，高，

5、超高，極高。 粗真空 105-102 Pa 低真空 102-10-1Pa 高真空 10-1-10-6 Pa 超高真空 10-6-10-10 Pa 極高真空 10-10 Pa -,C. 真空區(qū)間被劃分為：,（3） PVD所需真空度,1).分子平均自由程 2).分子碰撞率 3).PVD要求分子碰撞率10%，若，d=0.5m ,當(dāng)溫度和氣體種類一定時，,2. 真空鍍膜機(jī),真空系統(tǒng) 熱蒸發(fā)系統(tǒng) 阻蒸 電子槍 膜厚控制系統(tǒng) 光電膜厚儀 石英晶體膜厚儀,3.2 真空獲得與檢測,3.2.1 真空泵,“抽真空” 抽出容器內(nèi)氣體，獲得真空狀態(tài)的過程/動作。 “真空泵”用于抽出容器內(nèi)氣體的機(jī)器。抽氣機(jī)。,1.真空

6、與真空泵,真空泵主要性能參數(shù)：,抽氣速率（體積流率）：L/s， m3/s； 極限真空：可以抽達(dá)的最低壓強(qiáng)(最高真空度)； 啟動壓強(qiáng)：泵無損啟動，并有抽氣作用時的進(jìn)氣口壓強(qiáng)； 前級壓強(qiáng)：泵排氣口壓強(qiáng)； 最大前級壓強(qiáng)（反壓強(qiáng)）：超過了就會使泵損壞或不能正常工作的前級壓強(qiáng)。,2. 常見真空泵,直聯(lián)泵,(1). 常見真空泵的分類,A. 氣體傳輸泵： 能使氣體不斷吸入和排出而達(dá)到抽氣目的。 a、變?nèi)菔剑?泵腔容積周期性變化完成排吸氣。 如：油封旋片式機(jī)械泵；滑閥泵；羅茨泵。 b、動量傳遞泵： 用高速旋轉(zhuǎn)的葉片或高速射流，把動量傳遞給氣體分子，使氣體分子連續(xù)的、不斷地從入口向出口運(yùn)動。 如：渦輪分子泵；油

7、擴(kuò)散泵。,B.氣體捕集泵： 利用泵體/工作物質(zhì)對氣體分子的吸附和凝結(jié)作用抽出容器內(nèi)的氣體。 如：吸附泵；吸氣劑泵；低溫泵。,(2). 工作范圍：,工作壓強(qiáng)：105Pa10-1Pa,工作壓強(qiáng)：104Pa10-1Pa,工作壓強(qiáng)： 10-1Pa10-6Pa,3. 旋片式機(jī)械泵,1). 結(jié)構(gòu) 抽、排氣工作 由旋片完成； 油封的作用是 密封和潤滑。,2)、工作過程,3). 工作原理,根據(jù)Boyle-Malotte定律：PV=RT 若 將原壓強(qiáng)為P0的容器體積V擴(kuò)展V， 且溫度T不變， 則 擴(kuò)展容積后的壓強(qiáng)P1 由 P1 （V+ V）=R T P0V=RT 得 P1 （V+ V）= P0V 即 P1= P

8、0V/ （V+ V） 顯然，容器體積擴(kuò)展V時，壓強(qiáng)P0下降為P1。,4). 性能指標(biāo),指標(biāo)： 前級壓強(qiáng)： 1.013105Pa(1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓） 啟動壓強(qiáng)： 1.013105Pa(1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓） 工作壓強(qiáng)： 1.013105Pa1.333 10-1Pa 極限真空：5 10-2Pa 抽速： 油封旋片式機(jī)械泵的理論抽速為 其中： 實(shí)際抽速并非始終如此，在開始抽大氣和容器壓強(qiáng)較低（小于1Pa）時，機(jī)械泵的抽速都大大低于理論抽速。 直聯(lián)泵（高速）的抽速明顯高于普通機(jī)械泵。,直聯(lián)泵:電動機(jī)直接驅(qū)動泵轉(zhuǎn)子，把轉(zhuǎn)速提高到1400r/min以上,400r/min,4. 油擴(kuò)散泵,1). 結(jié)構(gòu) 工作物質(zhì) 高純

9、真空油； 加熱器 為油汽化加熱； 泵芯 為油蒸汽導(dǎo)向；,2). 工作原理,氣體分子擴(kuò)散，油蒸氣分子動量傳遞； 多級噴嘴“接力”并阻止“反擴(kuò)散”（氣，油）； 分餾分級（圖示），重餾分低蒸氣壓油蒸氣沿中心高級導(dǎo)流管蒸發(fā)，利于獲得高極限真空，小污染。,3). 性能,.指標(biāo) 啟動壓強(qiáng)：10-1Pa 最大前級壓強(qiáng)：1Pa 工作壓強(qiáng)： 10-1Pa10 -6Pa 極限真空：10-7Pa .值得注意的問題 A. 油擴(kuò)散泵既不能直接抽大氣，也不能直接向大氣中排氣； B.油擴(kuò)散泵必須在有水冷的條件下使用。,5. 羅茨泵,羅茨真空泵（簡稱羅茨泵）是一種旋轉(zhuǎn)式變?nèi)菡婵毡?。它是由羅茨鼓風(fēng)機(jī)演變而來的。 直排大氣的低真

10、空羅茨泵； 中真空羅茨泵（又稱機(jī)械增壓泵）； 高真空多級羅茨泵。,1). 羅茨泵的分類,2).結(jié)構(gòu)及工作過程,3).羅茨泵的特點(diǎn),在較寬的壓強(qiáng)范圍內(nèi)有較大的抽速； 起動快，能立即工作； 對被抽氣體中含有的灰塵和水蒸氣不敏感； 轉(zhuǎn)子不必潤滑，泵腔內(nèi)無油； 振動小，轉(zhuǎn)子動平衡條件較好，沒有排氣閥； 驅(qū)動功率小，機(jī)械摩擦損失小； 結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積??； 運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)費(fèi)用低。,理論基礎(chǔ) 根據(jù)氣體分子運(yùn)動論，氣體分子碰撞到固體表面，在表面上停留的時間很短。如果處于氣體中的固體表面以一定的方向運(yùn)動，所有飛到表面的分子，經(jīng)過碰撞后都具有一定的分速度，其大小與方向等于固體的速度。,6. 渦輪分子泵,工作原理 依靠

11、高速運(yùn)動的物體表面把定向速度傳遞給入射表面的氣體分子，造成泵出口、入口的氣體分子正向、反向傳輸幾率的差異而產(chǎn)生抽氣作用。（30000轉(zhuǎn)/分）。,1. 動葉輪；2. 泵殼；3. 渦輪排； 4. 中頻電動機(jī)；5. 底座；6. 出氣口法蘭； 7. 潤滑油池；8. 靜葉輪；9. 電機(jī)冷卻水管.,優(yōu)點(diǎn)：無油，潔凈，啟動快，制動快，可忍受大氣沖擊。 缺點(diǎn)：由于高速旋轉(zhuǎn)，不能在磁場中使用，否則會產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致葉輪發(fā)熱、變形等嚴(yán)重后果，對氫氣等輕質(zhì)氣體抽速較小， 價格昂貴。,7. 低溫真空泵,利用低溫冷凝和低溫吸附原理抽氣的容積式真空泵，是無油高真空環(huán)境獲得設(shè)備。,低溫冷凝：用液He冷卻固體表面達(dá)4.2K，空

12、氣中除H2、He以外，大部分氣體的飽和蒸氣都低于1Pa，即空氣中主要?dú)怏w成分都會被冷凝，即達(dá)到抽真空的目的。 低溫吸附：在低溫表面上粘貼一些固體吸附劑，氣體分子打到這些多孔的吸附劑上而被捕集。,1). 工作原理,.真正的無油真空泵：利用低溫冷板來冷凝、吸附氣體而獲得和保持真空，清潔無污染； .抽速快：特別是對H2O、H2等氣體抽速很大，因而排氣速度比其他真空泵快，大大提高產(chǎn)品產(chǎn)出量； .運(yùn)行費(fèi)用低：運(yùn)行時只需電力和冷卻水，不需液氮等低溫液體，操作簡單方便； .適應(yīng)性強(qiáng)：真空腔內(nèi)無運(yùn)動部件，來自外界的干擾或來自真空系統(tǒng)的微粒不影響低溫泵工作； .可以安裝在任何方位； .運(yùn)動部件少且低速運(yùn)行，壽命

13、長； .可以達(dá)到10-7 Pa的極限真空度，甚至可達(dá)10-9 Pa。,2) .低溫泵的特點(diǎn),3.2.2 高真空系統(tǒng),1. 構(gòu)成,2. 主要部分的作用,.前級泵機(jī)械泵： 排氣于大氣中；為油擴(kuò)散泵提供預(yù)真空。 .高真空泵油擴(kuò)散泵： 獲得10-3Pa的高真空。 .冷阱： 擋油器，阻止油蒸氣進(jìn)入真空室。 .過冷凝器（Polycold): 置于真空室的水分子捕集器（液態(tài)N制冷），用于補(bǔ)償由“前級泵+油擴(kuò)散泵”組成的系統(tǒng)不能抽水蒸氣的缺陷。,3.2.3、真空測量,以某一中間變量與氣體壓強(qiáng)的關(guān)系為依據(jù)的間接測量。 熱電偶真空計(jì) 1）. 結(jié)構(gòu)： Pt-鉑燈絲; A，B-熱偶絲; O-熱偶接點(diǎn). 2）. 測量范

14、圍： 102 10 - 1Pa,1.熱電偶真空計(jì),3）. 原理 低氣壓（10010-2）下氣體的熱傳導(dǎo)與壓強(qiáng)成正比。,因?yàn)椋?燈絲通電后，其熱量散失的途徑有三： Q1： 燈絲輻射損失 Q1=C1（TT0） Q2： 燈絲引線的熱傳導(dǎo)損失 Q2=C2（TT0） Q3： 氣體碰撞的熱傳導(dǎo)損失 Q3=C3（ TT0）P 其中：C1，C2，C3是常數(shù)，T是燈絲的溫度， T0是管壁的溫度。,工作時，燈絲加熱功率一定： 加熱與散熱達(dá)到熱平衡， Q燈絲=Q1+Q2+Q3； 當(dāng)氣壓變化時，燈絲溫度隨之變化，以保持平衡態(tài)。 顯然，氣壓越高，平衡態(tài)所對應(yīng)的燈絲溫度越低。 因此，用熱電偶測出燈絲的溫度，就可以換算出相

15、應(yīng)的環(huán)境壓強(qiáng)。,特點(diǎn)：儀器結(jié)構(gòu)簡單、使用方便 缺點(diǎn)：測量區(qū)域內(nèi)，指示值呈非線性、測量結(jié)果與氣體種類有關(guān)、零點(diǎn)飄移嚴(yán)重。,2.熱陰極電離真空計(jì),1). 結(jié)構(gòu)： 1- 陰極燈絲 2- 柵極（正電壓） 3- 板極/離子收集極 2). 測量范圍： 10-1 10 -6Pa,3). 原理,熱陰極燈絲1發(fā)射熱電子，在柵極2（加速極）和板極3（離子收集極/反射陰極）作用下，在三個電極之間來回振蕩，其撞擊中性氣體粒子產(chǎn)生電子和離子，其間： Ii=kIeP Ie陰極發(fā)射的電子流； Ii板極收集的離子流； 顯然，當(dāng)熱陰極燈絲的加熱功率一定時，Ie一定，則，P與Ii成正比。,熱陰極電離真空計(jì)的優(yōu)點(diǎn)： （1）測出的是

16、總壓強(qiáng)； （2）反應(yīng)迅速，可連續(xù)讀數(shù)，可遠(yuǎn)程控制； （3）電離計(jì)就可測量到510-5Pa，如改進(jìn)后可測量到10-7Pa （4）規(guī)管小，易于連接到被測量處； （5）電離真空計(jì)校準(zhǔn)曲線直線范圍寬，通常在10-1-10-5 Pa間； （6）對機(jī)械振動不敏感； 熱陰極電離真空計(jì)的缺點(diǎn)： （1）靈敏度與氣體種類有關(guān)； （2）壓強(qiáng)大于10-1Pa時，燈絲易于燒毀；,3.冷陰極電離真空計(jì),1).原理,當(dāng)電子由陰極2向陽極1運(yùn)動時，因其速度方向與外加磁場（方向垂直于電極平板）有不等于900的角度，使電子以螺旋狀軌跡在陽極前后振蕩多次，然后才打上陽極。由于電子路程大大加長，故碰撞和電離的分子數(shù)增加，使得在較低壓強(qiáng)（10-8托左右）下仍能維持放電。 外電路中的電流是由電子及離子的電流共同組成，比熱陰極電離真空計(jì)的離子流大得多，以致可以直接用微安表直接測量。,2).冷陰極電離真空計(jì)的特性,優(yōu)點(diǎn)： （1）不怕突然接觸大氣壓(放電會自動熄滅，管子可不遭受任何損害），使用壽命很長； （2）受活潑性氣體的影響少； （3）放電電流較大，測量電路無需用放大器。 缺點(diǎn)： （1）在低壓強(qiáng)范圍，靈敏度比熱陰極低； （2）常發(fā)生放電形式的躍遷，使電流產(chǎn)生與壓強(qiáng)無關(guān)的變動，導(dǎo)