现代光学薄膜技术

真空镀膜系统1.真空系统2蒸发系统3控制系统4厚度监控系统5辅助系统光学薄膜制备工艺OTFC-1300真空腔室内部图真空系统干泵+罗茨泵•冷凝泵•抽气至8.0E-4Pa大约6分钟真空系统真空在薄膜制备中的作用：减少蒸发分子与残余气体分子的碰撞，抑制残余气体与蒸发分子之间的反应真空泵泵名原理工作范围Torr102110-210-410-610-810-1010-12机械泵分子泵罗茨泵机械里压缩排除气体扩散泵靠蒸汽射流携带排除气体溅射离子泵钛升华泵靠溅射或升华形成吸气、吸附排除气体吸附泵冷凝泵利用低温面对气体进行物理吸附排气（1）机械泵常见种类：旋片式、定片式和滑阀式。旋片式，噪音最小，运转速度高（1000转/分），是真空镀膜常用的机械泵。主要构成：定子、转子、嵌于转子的两个旋片及其弹簧。机械泵油的作用：密封、润滑，提高压缩率机械泵油的要求：低的饱和蒸气压，一定的粘度，较高的稳定性机械泵对水气等可凝性气体抽气有困难。当蒸气在腔内压缩，压强逐渐增大到饱和蒸气压时，水气开始凝结为水，与机械泵油混合形成一种悬浊液，不仅破坏了密封和润滑，而且会使腔体生锈。一般采用气镇泵，在气体未被压缩前，渗入一定量的空气，协助打开活门，让水蒸气在尚未凝结前排出。扩散泵扩散泵是依靠从喷嘴喷出的高速（如200m/s），高密度（如几十托）的蒸气流而输送气体的泵。依靠被抽气体向蒸气流扩散进行工作的。通常是以油为工作蒸汽扩散泵结构：一般为三级喷嘴。铝制的各级伞形喷嘴和蒸气导管是扩散泵的核心部分。扩散泵的极限真空压强：Pm＝Pfexp（-nUL/D0）Pf为前级真空压强，n为蒸气分子密度，L为泵的出气口蒸气流扩散长度，U为油蒸气速度U≈1.65×104√（T/M）（cm/s）M为油蒸气的分子量，D0=DN=常数，D为自扩散系数，D=1/3lύL和ύ分别是平均自由程和算术平均速度。扩散泵的口径一般是钟罩直径的三分之一，扩散泵的抽气速率大约是钟罩容积的5倍。低温泵Cryo-pumpControlModuleH2OO2,N2,ArH2,He,Ne12KArraysw/Charcoal什么是低温泵?利用小型氦制冷机作为冷源，产生10K（-263℃)左右的低温，通过冷凝和吸附被抽容器的气体来获得和保持高真空的设备。低温泵原理低温泵原理通过冷却使得气体分子失去从冷板上蒸发出去的能量低温冷凝低温泵原理通过冷却使得气体分子失去从冷板上集聚的能量低温吸附低温泵原理活性炭自由气体分子被吸附的气体分子蜂窝状孔穴低温泵里二级冷板上粘有大量的活性炭，这些活性炭呈蜂窝状结构，迷宫型的孔穴使得进入其中的H2、Ne和He在低温下失去活性而被吸附在孔穴中。低温泵原理H2ON2ArNe65-100K~15K~15KH2通过这层，水蒸汽被冷凝，其它气体被预冷N2、Ar等气体通过这层被冷凝H2,He和Ne气体通过这层被低温吸附低温泵原理H2ON2、O2、ArH2、He、Ne一级77K冷板二级15K冷板低温泵的基本构成氦压缩机金属软管泵头低温泵构成成膜工艺化学物理方法化学气相沉积电镀电解阳极氧化等等真空蒸镀离子镀溅射分子束外延等等光学薄膜真空镀膜技术一般采用物理气相沉积（PVD）技术。PVD包括热蒸发、溅射、离子镀等方法。PVD成膜方式热蒸发电阻加热蒸发电子束蒸发电子束蒸发+离子辅助蒸镀溅射二级直流溅射磁控溅射离子束溅射离子镀蒸发与溅射结合电子束蒸镀属于热蒸发的一种形式光学膜制备的最常用手段常常可以配以其它辅助蒸发一、电子枪的作用在高真空的环境下，由电子枪发出的高能电子，会聚在膜料上，轰击膜料表面使动能变为热能,对其加温，使其熔化或升华。电子枪蒸发原理：电子的产生—热电子发射高温金属内部的部分电子获得足够的能量从表面逸出。发射的电流密度与金属表面的温度有关直枪与环枪的二次电子的问题高能电子在轰击材料时，将发射二次电子一般材料熔点越高，绝缘越好，散射的二次电子越严重；材料的原子序数越大，轰击引起的二次电子发射越多。二次电子轰击薄膜会导致膜层粗糙，吸收增加，均匀性变差，并影响半导体材料的特性。电子枪的种类直式(皮尔斯枪)电磁偏转式环枪---电偏转e枪---磁偏转离子源离子源工作原理离子源的种类按离子能量分为：高能200ev以上的如APS、RF、考夫曼离子源；低能200ev以下的霍尔离子源按类型分：考夫曼型和霍尔型离子源的工作原理在真空环境下，利用发射的电子在电场和磁场的相互作用下，使充入真空室的气体产生离化，在电场和磁场的作用下发射离子。两种离子源的特点：考夫曼离子源的特点：高能低束流，能流密度较低，出射角度较小，适合于镀制较小面积的光学器件；使用成本高；霍尔离子源的特点：低能大束流，能流密度较大，发射角也较大，适合较大面积的生产使用；使用成本低；适合于大规模生产使用。RF离子源系统组成射频离子源，中和器离子源电源系统，工作气体导入系统和流量控制仪双离子束溅射沉积薄膜Veeco溅射沉积镀膜系统16cmRF12cmRF16cm聚焦型射频离子源12cm发散型射频离子源MaximumBeamcurrent:700mABeamEnergy:100-1500eVGasFlow:10-50SCCMGasUse:ArMaximumBeamcurrent:500mABeamEnergy:50eVto1500eVGasFlow:10to15SCCMArGasUse:Ar,O2射频离子源工作原理离子源辅助镀膜（IAD）的作用：1、填充密度提高：折射率提高2、波长漂移减少；3、红外波段的水气吸收减少；4、增强了膜层的结合力、耐摩擦能力、机械强度、提高表面光洁度；5、控制膜层的应力；6、减少膜层的吸收和散射；7、提高生产效率离子清洗基板旋转系统镜片悬挂机构膜厚监控系统目视法目视观察薄膜干涉色的变化来控制介质膜的厚度。常用来控制MgF2单层膜。一般情况下，目视法常采用反射式，由于透射式的背景光太亮，使干涉光的对比度大大下降。往往是固定一个观察角度来确定膜层的厚度。光学膜厚控制极值法原理是：利用蒸发过程中出现极值点的次数来控制四分之一波长整数倍膜层厚度的方法，称为极值法。由于极值法控制精度较低，可以通过采用适当的控制技巧或改进方法提高控制精度。极值法控制有两种方法：一种是直接控制，即全部膜层自始至终直接由被镀样品进行控制，不换控制片；另一种是间接控制，即控制是在一系列的控制片上进行的。直接控制：全部膜层自始至终直接由被镀样品进行控制，不换控制片，采用被镀样品作为监控片，对镀制窄带滤光片具有很高的精度。主要是由于相邻膜层之间自动进行膜层误差的补偿（在控制波长上），同时避免了凝聚特性变化而引起的误差，使窄带滤光片获得很高的波长定位精度。间接控制时，淀积在一个已由膜层的基板上的膜层厚度和同时淀积在一个新鲜基板上的膜层厚度之间有明显的差异。这是由于膜层在已由膜层的基板能够立即生长，而在新鲜的基板上生长需要有形成晶核的时间。因此，间接控制的精度与直接控制的精度有差异。简接控制也有其优点，可以调节控制波长，而其误差是随机的误差，减少了其他膜层的影响。（HL)^15H溅射SputtercoaterRAS-1100Bcoater典型的LCoS引擎结构UV/IR滤光片期末报告期末报告请陈述上述LCOS投影光学引擎中方框中所使用到的光学薄膜器件类型（共11个），并将该类型的具体光学特性要求给出；请详细给出方框8中X-cube的具体膜系过程和设计结果（设计材料和设计方法不限）