光學(xué)薄膜制備設(shè)備介紹之蒸發(fā)鍍膜機(jī)

前言

薄膜光學(xué)的來源一直可追溯到18世紀(jì)的“牛頓環(huán)”現(xiàn)象，人類首次發(fā)現(xiàn)并進(jìn)而解釋了光的干涉過程。1873 年麥克斯韋(Maxwell)的巨著《論電與磁》的問世，進(jìn)一步奠定了薄膜光學(xué)的理論基礎(chǔ)。至此，作為薄膜光學(xué)的兩大基礎(chǔ)理論——電磁場(chǎng)理論和光的干涉理論全部確立。

薄膜光學(xué)的理論發(fā)展極為迅速，但是薄膜的制備技術(shù)遠(yuǎn)未能趕上理論的發(fā)展。雖然夫瑯和費(fèi)(Fraunhofer)早于1817年就用酸蝕法制成了第一批減反射膜，但是直到1930年出現(xiàn)擴(kuò)散泵以后，用物理氣相沉積方法制備光學(xué)薄膜這一技術(shù)得到真正發(fā)展，才使各種光學(xué)薄膜在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

蒸發(fā)鍍膜技術(shù)是物理氣相沉積的一個(gè)重要分支，基于蒸發(fā)鍍膜技術(shù)的鍍膜機(jī)已成為光學(xué)薄膜制備的主流設(shè)備之一。今天我們就聊聊蒸發(fā)鍍膜機(jī)。

首先，我們來看看日常生活中見到的鍍膜。

長(zhǎng)時(shí)間使用的鎢燈 燈內(nèi)壁出現(xiàn)了一層黑色的鎢

90年代大家普遍使用的白熾燈，當(dāng)燈被長(zhǎng)期使用，燈泡壁上會(huì)被鍍上一層黑色的鎢，所以燈就可以看作是一個(gè)鍍膜系統(tǒng)，它包含：一個(gè)密閉的環(huán)境（惰性氣體或者真空）-燈泡，一個(gè)膜層材料來源-構(gòu)成燈絲的鎢，一個(gè)加熱源-通電的鎢絲自己發(fā)熱，一個(gè)冷的可以讓膜層附著的地方-燈泡內(nèi)壁。

而蒸發(fā)鍍膜機(jī)也與其結(jié)構(gòu)大同小異，包含一個(gè)密閉的腔體和將其抽真空的真空系統(tǒng)，一個(gè)將材料蒸發(fā)出來的機(jī)構(gòu)，我們簡(jiǎn)稱其為源。當(dāng)然光學(xué)薄膜通常不像鎢燈發(fā)黑這么隨意，對(duì)膜層的厚度和質(zhì)量都有特別的要求，膜厚監(jiān)控和離子源系統(tǒng)為了這些要求配置的系統(tǒng)。

真空系統(tǒng)

為什么要真空？當(dāng)年的白熾燈發(fā)明競(jìng)賽的最終答案就是高熔點(diǎn)的燈絲碳和真空的燈泡。選擇真空的原因是其真空環(huán)境能避免熾熱的燈絲和環(huán)境中的氣體反應(yīng)。而鍍膜同樣需要真空。

真空可以避免膜層材料在鍍膜過程中與雜質(zhì)反應(yīng)

真空的另外一個(gè)作用就是減少鍍膜過程中材料原子與其他氣體分子的碰撞，讓我們的材料能跑得更遠(yuǎn)。

那么怎么獲得真空環(huán)境？我們需要各式真空泵！

由旋片式機(jī)械泵和羅茨泵組成的真空泵組可以將密閉腔體真空度抽至 0.5Pa 以下

工作在 0.5Pa 以下的油擴(kuò)散泵，能將真空抽至 1E-4Pa 以下

各式真空泵分工合作可以把密閉的環(huán)境抽到一個(gè)很高的真空（0.02Pa 以下），以便后續(xù)的鍍膜進(jìn)行。同時(shí)抽真空的動(dòng)作持續(xù)進(jìn)行，將鍍膜過程產(chǎn)生的其他氣體排出腔體。

然后我們需要測(cè)量真空以確認(rèn)當(dāng)前環(huán)境的真空度，這個(gè)時(shí)候我們需要使用真空計(jì)。

通過測(cè)量空間中原子的熱傳遞能力強(qiáng)弱來測(cè)量空間的真空度

皮拉尼真空計(jì) PSG500

我可以讓空間中的原子帶電，然后計(jì)算帶電量來計(jì)算空間中的真空度

潘寧真空計(jì) PEG

真空計(jì)和真空泵一樣都有各自的工作范圍，多個(gè)真空計(jì)協(xié)作，監(jiān)控真空變化。

源

我們知道冰加熱可以變成水，水蒸發(fā)可以變成水蒸氣，水蒸氣遇冷可以變成水或者冰（取決于溫度）。而膜層材料（基本都是固體）也可以通過加熱，將其液化后蒸發(fā)變成氣態(tài)（或者直接固態(tài)升華為氣態(tài)），氣態(tài)膜層材料遇到相對(duì)冷的基板變成固態(tài)膜層。這就完成一個(gè)鍍膜過程。

那么我們?cè)撛趺醇訜崮硬牧?strong>？

前文說到鎢絲加熱會(huì)發(fā)熱。鍍膜機(jī)同樣可以通過給鎢絲或鉬舟通電來加熱膜層材料。這種靠電阻通電加熱膜層材料的方法叫做阻蒸。

鍍膜機(jī)通過銅電極給高熔點(diǎn)的鉬舟通電可以獲得很高的溫度，可以蒸發(fā)很多膜層材料。

電阻蒸發(fā)

電阻加熱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是熱效率低，鉬舟結(jié)構(gòu)也很難做到多種材料切換，這限制了多層膜的制備。而電子槍則完美克服以上問題。

電子槍的燈絲能提供電子，電子在高壓電場(chǎng)下加速，同時(shí)通過磁場(chǎng)來改變電子運(yùn)動(dòng)軌跡，最后使加速后的電子匯聚到膜層材料表面，高速的電子將大量的能量帶到膜層材料（通常裝在坩堝中），使其溶化蒸發(fā)（或者直接升華）。電子槍的能量更集中，污染少，而且能耗更低。通過旋轉(zhuǎn)坩堝位置，可以輕易做到多層鍍膜。

電阻蒸電子槍蒸發(fā)系統(tǒng)發(fā)

在真空環(huán)境下，電子槍將膜層材料加熱，膜層材料變成氣態(tài)在鍍膜腔體自由地飛翔，下一步他們會(huì)遇到基板，重新凝固下來。持續(xù)的蒸發(fā)-凝固，基板上的膜層從一個(gè)點(diǎn)長(zhǎng)大到一個(gè)小島，小島再連成片，形成膜層，膜層持續(xù)生長(zhǎng)變厚......。交替蒸發(fā)不同材料，便可以制備多層膜。

多層膜層疊加后的SEM照片

膜厚監(jiān)控系統(tǒng)

光學(xué)薄膜的特性除了依賴不同材料的堆疊，還嚴(yán)重依賴每個(gè)膜層的厚度。光學(xué)薄膜是在納米級(jí)別的尺度的膜層的堆疊，所以我們需要可以監(jiān)控納米級(jí)膜層厚度的方法。常用的監(jiān)控方法有通過監(jiān)控石英震蕩頻率（其頻率受重量影響）的晶控和通過光學(xué)反射率（或透過率）變化監(jiān)控的光控。

晶控

給石英片兩端施加電壓，石英就會(huì)以一個(gè)固定的頻率震動(dòng)。這個(gè)震動(dòng)頻率和石英的重量有關(guān)。通過監(jiān)控石英震動(dòng)頻率的變化，就可以計(jì)算出鍍了多厚的膜層了。

光控

光學(xué)薄膜的特性最終反應(yīng)在膜層對(duì)不同光波長(zhǎng)的反射或透射的變化，通過監(jiān)控光學(xué)監(jiān)控片光學(xué)特性（反射率或透射率）就可以計(jì)算出所鍍的膜層的厚度。

離子源

借助于電子槍蒸發(fā)系統(tǒng)，我們可以在真空環(huán)境下將膜層材料按照我們的設(shè)計(jì)變成一層又一層的膜層沉積在基板上。但是這些膜層受限于蒸發(fā)原子的低動(dòng)能，形成的膜層不致密。我們知道對(duì)松散的路面可以使用壓路機(jī)對(duì)其進(jìn)行壓實(shí)。而鍍膜機(jī)也有自己的“壓路機(jī)”——離子源。

在真空環(huán)境下，對(duì)于納米級(jí)的膜層我們可以使用氣體粒子，讓它們以較高的速度撞擊到膜層上，以此來夯實(shí)膜層。真空環(huán)境下常用來加速粒子的方法就是將粒子電離使其帶電，之后通過電場(chǎng)對(duì)離子進(jìn)行加速，最后撞擊在膜層上。這一系列的動(dòng)作完成了對(duì)膜層的“壓實(shí)”。

射頻離子源

射頻離子源使用射頻激發(fā)氣體原子，使其電離。失去電子而帶正電的氣體離子被帶負(fù)電的加速極加速抽出，穿越減速極后飛向基板。在這個(gè)過程中，氣體離子獲得了極大的能量。這些能量最后在粒子碰撞膜層后部分傳遞給了膜層，使膜層致密化。

離子源可以在成膜過程中與蒸發(fā)系統(tǒng)共同工作。通過離子源不斷發(fā)射高能粒子夯實(shí)正在沉積的膜層，膜層的致密度得到了極大地提高。膜層致密化可以避免膜層孔洞導(dǎo)致的缺陷，同時(shí)可以避免水汽的進(jìn)入改變膜層特性，極大地提升了光學(xué)薄膜的光學(xué)穩(wěn)定性。在中高端蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)中，離子源已經(jīng)是必不可少的部件。

鍍膜機(jī)

以上就是鍍膜機(jī)的主要部件，由它們組合起來是這樣的：

通過計(jì)算機(jī)和可編程邏輯控制器的連接，各個(gè)部件擁有了共同的大腦，成為一臺(tái)高度自動(dòng)化的蒸發(fā)鍍膜機(jī)。我們將各種精妙的光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)導(dǎo)入設(shè)備，再按要求投入產(chǎn)品，設(shè)備便可以開始進(jìn)行鍍膜，完成理論到實(shí)現(xiàn)的步驟。

后記

當(dāng)然目前的鍍膜工藝遠(yuǎn)未達(dá)到完美，各種新的鍍膜機(jī)不斷出現(xiàn)，它們有的提升了鍍膜精度，有的改善了膜層質(zhì)量，有的可以鍍更大的產(chǎn)品，有的效率更高，有的對(duì)某些材料鍍膜進(jìn)行了特別優(yōu)化......鍍膜機(jī)的各種升級(jí)使我們產(chǎn)品更符合理論的預(yù)期，在大規(guī)模生產(chǎn)種不斷降低成本，使鍍膜產(chǎn)品進(jìn)入千家萬戶，讓薄膜光學(xué)之光照拂大眾。

水晶光電是全球知名的一站式光學(xué)解決方案專家，堅(jiān)信自己的使命——?jiǎng)?chuàng)新讓光學(xué)更強(qiáng)大，光學(xué)讓世界更美好！

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薄膜研究所

薄膜研究所致力于鍍膜前瞻技術(shù)與材料技術(shù)的融合，通過分子級(jí)的結(jié)構(gòu)重構(gòu)，為材料帶來全新的性能和功能應(yīng)用，如用于3D識(shí)別的低角度偏移窄帶濾光膜，用于生物識(shí)別的半導(dǎo)體光學(xué)薄膜，具備電性、功能性的光學(xué)薄膜，堪比藍(lán)寶石硬度的功能薄膜，具有超低反射特性的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)薄膜，用于消除系統(tǒng)雜散光的金屬黑膜或介質(zhì)黑膜等。