光學薄膜制備設(shè)備介紹之蒸發(fā)鍍膜機

前言

薄膜光學的來源一直可追溯到18世紀的“牛頓環(huán)”現(xiàn)象，人類首次發(fā)現(xiàn)并進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，進一步奠定了薄膜光學的理論基礎(chǔ)。至此，作為薄膜光學的兩大基礎(chǔ)理論——電磁場理論和光的干涉理論全部確立。

薄膜光學的理論發(fā)展極為迅速，但是薄膜的制備技術(shù)遠未能趕上理論的發(fā)展。雖然夫瑯和費(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)擴散泵以后，用物理氣相沉積方法制備光學薄膜這一技術(shù)得到真正發(fā)展，才使各種光學薄膜在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應用。

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

首先，我們來看看日常生活中見到的鍍膜。

長時間使用的鎢燈 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，當燈被長期使用，燈泡壁上會被鍍上一層黑色的鎢，所以燈就可以看作是一個鍍膜系統(tǒng)，它包含：一個密閉的環(huán)境（惰性氣體或者真空）-燈泡，一個膜層材料來源-構(gòu)成燈絲的鎢，一個加熱源-通電的鎢絲自己發(fā)熱，一個冷的可以讓膜層附著的地方-燈泡內(nèi)壁。

而蒸發(fā)鍍膜機也與其結(jié)構(gòu)大同小異，包含一個密閉的腔體和將其抽真空的真空系統(tǒng)，一個將材料蒸發(fā)出來的機構(gòu)，我們簡稱其為源。當然光學薄膜通常不像鎢燈發(fā)黑這么隨意，對膜層的厚度和質(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？當年的白熾燈發(fā)明競賽的最終答案就是高熔點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。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

真空的另外一個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。

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)境抽到一個很高的真空（0.02Pa 以下），以便后續(xù)的鍍膜進行。同時抽真空的動作持續(xù)進行，將鍍膜過程產(chǎn)生的其他氣體排出腔體。

然后我們需要測量真空以確認當前環(huán)境的真空度，這個時候我們需要使用真空計。

通過測量空間中原子的熱傳遞能力強弱來測量空間的真空度

皮拉尼真空計 PSG500

我可以讓空間中的原子帶電，然后計算帶電量來計算空間中的真空度

潘寧真空計 PEG

真空計和真空泵一樣都有各自的工作范圍，多個真空計協(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)膜層材料遇到相對冷的基板變成固態(tài)膜層。這就完成一個鍍膜過程。

那么我們該怎么加熱膜層材料？

前文說到鎢絲加熱會發(fā)熱。鍍膜機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。

鍍膜機通過銅電極給高熔點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，電子在高壓電場下加速，同時通過磁場來改變電子運動軌跡，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點長大到一個小島，小島再連成片，形成膜層，膜層持續(xù)生長變厚......。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)

光學薄膜的特性除了依賴不同材料的堆疊，還嚴重依賴每個膜層的厚度。光學薄膜是在納米級別的尺度的膜層的堆疊，所以我們需要可以監(jiān)控納米級膜層厚度的方法。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，石英就會以一個固定的頻率震動。這個震動頻率和石英的重量有關(guān)。通過監(jiān)控石英震動頻率的變化，就可以計算出鍍了多厚的膜層了。

光控

光學薄膜的特性最終反應在膜層對不同光波長的反射或透射的變化，通過監(jiān)控光學監(jiān)控片光學特性（反射率或透射率）就可以計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)原子的低動能，形成的膜層不致密。我們知道對松散的路面可以使用壓路機對其進行壓實。而鍍膜機也有自己的“壓路機”——離子源。

在真空環(huán)境下，對于納米級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，之后通過電場對離子進行加速，最后撞擊在膜層上。這一系列的動作完成了對膜層的“壓實”。

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電的加速極加速抽出，穿越減速極后飛向基板。在這個過程中，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致的缺陷，同時可以避免水汽的進入改變膜層特性，極大地提升了光學薄膜的光學穩(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

以上就是鍍膜機的主要部件，由它們組合起來是這樣的：

通過計算機和可編程邏輯控制器的連接，各個部件擁有了共同的大腦，成為一臺高度自動化的蒸發(fā)鍍膜機。我們將各種精妙的光學薄膜設(shè)計導入設(shè)備，再按要求投入產(chǎn)品，設(shè)備便可以開始進行鍍膜，完成理論到實現(xiàn)的步驟。

后記

當然目前的鍍膜工藝遠未達到完美，各種新的鍍膜機不斷出現(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，有的對某些材料鍍膜進行了特別優(yōu)化......鍍膜機的各種升級使我們產(chǎn)品更符合理論的預期，在大規(guī)模生產(chǎn)種不斷降低成本，使鍍膜產(chǎn)品進入千家萬戶，讓薄膜光學之光照拂大眾。

水晶光電是全球知名的一站式光學解決方案專家，堅信自己的使命——創(chuàng)新讓光學更強大，光學讓世界更美好！

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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，通過分子級的結(jié)構(gòu)重構(gòu)，為材料帶來全新的性能和功能應用，如用于3D識別的低角度偏移窄帶濾光膜，用于生物識別的半導體光學薄膜，具備電性、功能性的光學薄膜，堪比藍寶石硬度的功能薄膜，具有超低反射特性的亞波長結(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。