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        鍍膜基礎知識

        光學薄膜技術的分類:物理氣相沉積俗稱真空鍍膜,設計物理特性間的能量轉換等等?;瘜W氣相沉積主要是通過相關物質的化學反應而形成滿足功能需求的致密層。

        一、真空度

        真空度:真空狀態氣體稀薄程度的物理量,采用與壓強相同的計量法。真空度的單位:pa、toor、mba。

        真空區間的劃分:

        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:真空蒸發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,加熱蒸發容器中的鍍膜材料,使其原子或分子從表面蒸發或氣化逸出,形成蒸氣流,入射到基本表面,凝結生成固態薄膜。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)將鍍膜材料從固態變為氣態;

        (2)鍍膜材料的氣態原子或分子或離子運動到達基片表面;

        (3)鍍膜材料的氣態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

        主要是有幾種常見真空泵來實現,一般來說,小型的真空鍍膜機采用“高真空油擴散泵+低真空機械泵+低溫冷阱”。大型的真空鍍膜機采用的是“高真空油擴散泵+低真空機械泵+羅茨泵+低溫冷阱”。

        (1)機械泵

        作用:機械泵是利用機械物理的對被抽容器進行抽氣而獲得真空的設備;屬于前期抽氣。

        原理:建立在玻意耳—馬涅特定律的基礎上的。即:一定質量的空氣,在溫度保持不變時,它的壓強和體積成反比。

        泵的核心部分是固定在定子內轉動的偏心轉子,轉子內有一對旋片,通過旋片內的彈簧張力使旋片的端點始終與(定子)內壁內合,在(定子)的上方有一個氣體入口和配有排氣瓣閥,當轉子轉動時,入口處有氣體被抽入泵體,繼續轉動將氣體通過排氣瓣閥排出,從而實現抽氣過程,當轉子停轉動時排氣瓣閥就會立刻關閉,避免油進入定子,出現油倒流的現象發生。

        (2)羅茨泵

        羅茨泵是利用一對8字型轉子在泵殼中保持一定的間隙,作等速反向旋轉而產生吸氣和排氣作用的。

        羅茨泵主要特點:

        1、在1—100pa入口壓力范圍內具有大抽速。

        2、泵腔無油,避免油蒸汽污染真空系統。

        3、機械摩擦損失小,故驅動功率小。

        4、易于維護和維修,費用低,壽命高。

        5、不可單獨使用,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,安裝必要的保護設備。

        (3)擴散泵

        擴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,然后通過泵體內各級噴嘴噴出,將真空室空氣分子往下壓由羅茨泵或機械泵抽出,因為擴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、噴射、冷卻循環整個過程實現抽真空的過程。

        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。但可根據低壓下與氣體壓力有關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

        電阻式真空規是利用電熱絲的電阻溫度特性和溫度隨著壓強變化關系,將壓強變換為電阻測量。工作原理是:真空度不同,單位體積內的空氣分子數就不同,對于正在發熱的電阻絲帶走熱量的能力就不同,電阻絲溫度就不同,因為電阻絲的電阻率是溫度的函數,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,根據電壓的變化就能換算出空氣壓強。

        (2)電阻真空計

        電阻式真空規是利用電熱絲的電阻溫度特性和溫度隨壓強變化關系,將壓強變換為電阻測量。工作原理是:真空度不同,單位體積內的空氣分子數就不同,對于正在發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,因為電阻絲的電阻率是溫度的函數,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,根據電壓的變化就能換算出空氣壓強。

        (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管和電氣測量電路組成。規管功能是把非電量的氣體壓力轉換成電量—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射電子,而冷陰極電離真空計是靠冷發射(場致發熱、光電發射、氣體被宇宙射線電離等)所產生的少量初始自由電子。

        冷陰極電離真空規,沒有熱陰極,不怕大氣沖擊,但其測量誤差較大

        (4)復合真空計

        復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、熱蒸發系統

        A  電阻蒸發(俗稱阻蒸):低壓大電流使高熔點金屬制成的蒸發源產生焦耳熱,使蒸發源中承載的膜材料汽化或升華。常用蒸發源的有鎢、鉬等。

        電阻加熱蒸發鍍膜:是將鎢、鉬、鉭等高熔點金屬做成適當形狀的蒸發源,利用蒸發源通電后產生電阻熱而獲得高溫以此來熔融膜料使其達到蒸發的目的。

        蒸發源的形狀可根據蒸發材料的性質,結合考慮與蒸發源材料的濕潤性,制作成不同的形狀。

        缺點:1、被蒸發的膜料的熔點不能太高

                    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,機械強度差

                    4、蒸發源和被蒸發的膜材料不能有活躍的化學特性

        B  電子束加熱蒸發:燈絲通過大電流被激發形成電子流,電子流被加速的同時,有電磁場使其聚成細束,并在偏轉線圈的作用下對準坩堝內的膜料,造成局部高溫而汽蒸發,化簡單說就是能量轉換,電能轉化為動能,再轉化為勢能,然后形成膜層產生內能。

        缺點:不能實現塊狀材料的重復使用。

        五、國產機鍍膜溫飄

        國產機由于離子源能力弱,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,無溫飄。

        鍍制成膜的機制是由島狀結構開始,除了橫向,同時每一點上也有縱向生長,由于動能不足形成自我掩影現象,因而堆積成柱狀結構。

        由于毛細管現象,這些柱狀結構的孔會吸滿水,造成薄膜光學屬性額改變。

        薄膜的為光結構與大塊材料不同呈多孔的柱狀結構,牢固度和硬度,耐潮濕本領下降、光的散射和吸收損失加大導致耐激光損失能力下降,折射率隨外界環境發生變化。

        薄膜的聚集密度就很重要,影響因素:離子源能量,烘烤溫度....



                                                                                                                                                                                                                                                                                                 






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