光學(xué)薄膜技術(shù)介紹
1 薄膜應(yīng)力研究的重要性
光學(xué)多層膜系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于微電子系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)等，而由于薄膜應(yīng)力的存在，對系統(tǒng)的功能與可*性產(chǎn)生很大的影響，它不僅會直接導(dǎo)致薄膜的龜裂、脫落，使薄膜損壞，而且會作用基體，使基體發(fā)生形變，從而使通過薄膜組件的光波前發(fā)生畸變，影響傳輸特性。更重要的是，薄膜在激光輻照下，由于應(yīng)力的存在，加速了薄膜內(nèi)熱力耦合作用，是其破壞的敏感因素［1］，因此很有必要研究光學(xué)多層膜系統(tǒng)中的殘余應(yīng)力，并設(shè)法控制其發(fā)展。
2 薄膜應(yīng)力的成因
薄膜應(yīng)力主要包括熱應(yīng)力與生長應(yīng)力：熱應(yīng)力是當(dāng)薄膜從沉積溫度冷卻到室溫的過程中，由于薄膜與基底的熱膨脹系數(shù)不同引起的；生長應(yīng)力存在于所有鍍膜方法（如真空蒸發(fā)、陰極濺射或氣相沉積）制作的薄膜中，其最大值可達(dá)109N/m2。它的大小與由薄膜和基底材料以及制備工藝條件有關(guān)。
3 光學(xué)薄膜缺陷的特點(diǎn)
薄膜缺陷的研究大約從1970開始，剛開始薄膜缺陷被表征為薄膜表面特征，認(rèn)為是一種典型的粗糙度，在一些文獻(xiàn)中薄膜缺陷被描述為節(jié)瘤。 Guenther首先對光學(xué)薄膜缺陷進(jìn)行研究，他指出節(jié)瘤是在鍍膜過程中對外部干擾顆粒形狀相似復(fù)制而形成的；現(xiàn)在薄膜缺陷越來越引起人們的重視，很多文獻(xiàn)建立了薄膜節(jié)瘤缺陷模型，其中Lettsl第一次提出了節(jié)瘤缺陷形成的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停硗猓琄ardar提出了一種薄膜生長的非線性連續(xù)模型，Tren通過對HfO2/SiO2多層膜缺陷一系列的研究，認(rèn)為當(dāng)節(jié)瘤顆粒非常小時，節(jié)瘤生長模型是無效的，但是同時認(rèn)為當(dāng)節(jié)瘤顆粒非常大時，由于屏蔽效應(yīng)會產(chǎn)生更加復(fù)雜的缺陷結(jié)構(gòu)。
薄膜缺陷類型很多，按照缺陷的性質(zhì)，可以分為雜質(zhì)缺陷、電致缺陷、結(jié)構(gòu)缺陷、化學(xué)缺陷、力學(xué)缺陷以及熱缺陷等等；按照缺陷的形貌來分，大致有結(jié)瘤缺陷、陷穴缺陷、條狀缺陷及其它形狀不規(guī)則的復(fù)雜缺陷。一般來說，缺陷的類型、密度、大小隨膜層材料，沉積工藝以及表面清潔度的不同而不同。對激光薄膜來說，根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，主要有節(jié)瘤與陷穴缺陷。
光學(xué)薄膜概論
光學(xué)工業(yè)除了鏡片的研磨，系統(tǒng)之設(shè)計(jì)以外，有一項(xiàng)科技是發(fā)展高級光學(xué)儀器所不可缺的，就是光學(xué)薄膜的蒸鍍技術(shù)。何謂光學(xué)薄膜，就是在鏡片上鑲上一層或多層非常薄的特殊材料，使鏡片能達(dá)到某種特定的光學(xué)效果。我們所常見的太陽眼鏡，抗反射鏡片就是一個光學(xué)薄膜在日常生活上最簡單的應(yīng)用 。其他如各種反射鏡、濾光鏡、各式鏡頭及雷射鏡片，都要用到光學(xué)薄膜這一項(xiàng)技術(shù)。
光學(xué)薄膜的基本原理是利用光線的干涉效應(yīng)，當(dāng)光線入射于不同折射系數(shù)物質(zhì)所鍍成的薄膜，產(chǎn)生某種特殊光學(xué)特性。光學(xué)薄膜就其所鍍材料之不同，大體可分為金屬膜和非金屬膜。金屬膜：主要是作為反射鏡和半反射鏡用。在各種平面或曲面反射鏡，或各式棱鏡等，都可依所需鍍上Al、Ag、Au、Cu等 各種不同的材料。不同的材料在光譜上有不同的特性。AI的反射率在紫外光、可見光、近紅外光有良好的反射率，是鍍反射鏡最常使用的材料之一。Ag膜在可見光和近紅外光部份的反射率比AI膜更高，但因其易氧化而失去光澤，只能短暫的維持高反射率，所以只能用在內(nèi)層反射用，或另加保護(hù)膜。非金屬膜:用途非常廣泛，例如抗反射鏡片．單一波長濾光片、長或短波長通過濾光片、熱光鏡、冷光鏡、各種雷射鏡片等，都是利用多種不同的非金屬材料，蒸鍍在研磨好之鏡杯上，層數(shù)由單層到數(shù)十、百層不等，視需要的不同，而有不同的設(shè)計(jì)和方法。目前這些薄膜中被應(yīng)用得最廣泛，最商業(yè)化，也是一般人接觸到最多的，就是抗反射膜。例如眼鏡、照相機(jī)鏡頭、顯微鏡等等都是在鏡片上鍍抗反射膜。因?yàn)槿羰遣患右钥狗瓷錈o法得到清晰明亮的影像了，因此如何增加其透射光線就是一個非常重要的課題。
利用光波干涉原理，在鏡片的表面鍍上一層薄膜，厚度為1/4 波長的光學(xué)厚度，使光線不再只被玻璃─空氣界面反射，而是空氣─薄膜、薄膜─玻璃二個界面反射，因此產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，可使反射光減少。若鍍二層的抗反射膜，使反射率更低，但是鍍一層或二層都有缺點(diǎn)：低反射率的波帶不移寬，不能在可見光范圍都達(dá)到低反射率。1961年Cox、Hass和 Thelen三位首先發(fā)表以1/4一1/2一1/4波長光學(xué)厚度作三層抗反射膜可以得到寬波帶低反射率的抗反射膜。多層抗反射膜除了寬波帶的，也可做到窄波帶的。也就是針對其一波長如氨氟雷射632.8nm波長，要求極高的透射，可使63Z.8nm這一波長透射率高達(dá)99.8%以上，用之于雷射儀器。但若需要對某一波長的光線有看極高的反射率需要用高低不同折射系數(shù)的材料反復(fù)蒸鍍數(shù)十層才可達(dá)到此效果。
光學(xué)薄膜的制造是以真空蒸鍍方式制作，大體可分為三種方式：熱電阻式、電子槍式和濺射方式。最普通的方式為熱電阻式，是將蒸鍍材料在真空蒸鍍機(jī)內(nèi)置于電阻絲或片上，在高真空的情況下，加熱使材料成為蒸氣，直接鍍于鏡片上。由于有許多高熔點(diǎn)的材料，不易使用此種方式使之熔化、蒸鍍。而以電子槍改進(jìn)此缺點(diǎn)，其方法是以高壓電子束直接打擊材料，由于能量集中可以蒸鍍高熔點(diǎn)的材料。另一方式為濺射方式，是以高壓使惰性氣體離子化，打擊材料使之直接濺射至鏡片，以此方式所作薄漠的附著力最好
光學(xué)多層膜系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于微電子系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)等，而由于薄膜應(yīng)力的存在，對系統(tǒng)的功能與可*性產(chǎn)生很大的影響，它不僅會直接導(dǎo)致薄膜的龜裂、脫落，使薄膜損壞，而且會作用基體，使基體發(fā)生形變，從而使通過薄膜組件的光波前發(fā)生畸變，影響傳輸特性。更重要的是，薄膜在激光輻照下，由于應(yīng)力的存在，加速了薄膜內(nèi)熱力耦合作用，是其破壞的敏感因素［1］，因此很有必要研究光學(xué)多層膜系統(tǒng)中的殘余應(yīng)力，并設(shè)法控制其發(fā)展。
2 薄膜應(yīng)力的成因
薄膜應(yīng)力主要包括熱應(yīng)力與生長應(yīng)力：熱應(yīng)力是當(dāng)薄膜從沉積溫度冷卻到室溫的過程中，由于薄膜與基底的熱膨脹系數(shù)不同引起的；生長應(yīng)力存在于所有鍍膜方法（如真空蒸發(fā)、陰極濺射或氣相沉積）制作的薄膜中，其最大值可達(dá)109N/m2。它的大小與由薄膜和基底材料以及制備工藝條件有關(guān)。
3 光學(xué)薄膜缺陷的特點(diǎn)
薄膜缺陷的研究大約從1970開始，剛開始薄膜缺陷被表征為薄膜表面特征，認(rèn)為是一種典型的粗糙度，在一些文獻(xiàn)中薄膜缺陷被描述為節(jié)瘤。 Guenther首先對光學(xué)薄膜缺陷進(jìn)行研究，他指出節(jié)瘤是在鍍膜過程中對外部干擾顆粒形狀相似復(fù)制而形成的；現(xiàn)在薄膜缺陷越來越引起人們的重視，很多文獻(xiàn)建立了薄膜節(jié)瘤缺陷模型，其中Lettsl第一次提出了節(jié)瘤缺陷形成的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停硗猓琄ardar提出了一種薄膜生長的非線性連續(xù)模型，Tren通過對HfO2/SiO2多層膜缺陷一系列的研究，認(rèn)為當(dāng)節(jié)瘤顆粒非常小時，節(jié)瘤生長模型是無效的，但是同時認(rèn)為當(dāng)節(jié)瘤顆粒非常大時，由于屏蔽效應(yīng)會產(chǎn)生更加復(fù)雜的缺陷結(jié)構(gòu)。
薄膜缺陷類型很多，按照缺陷的性質(zhì)，可以分為雜質(zhì)缺陷、電致缺陷、結(jié)構(gòu)缺陷、化學(xué)缺陷、力學(xué)缺陷以及熱缺陷等等；按照缺陷的形貌來分，大致有結(jié)瘤缺陷、陷穴缺陷、條狀缺陷及其它形狀不規(guī)則的復(fù)雜缺陷。一般來說，缺陷的類型、密度、大小隨膜層材料，沉積工藝以及表面清潔度的不同而不同。對激光薄膜來說，根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，主要有節(jié)瘤與陷穴缺陷。
光學(xué)薄膜概論
光學(xué)工業(yè)除了鏡片的研磨，系統(tǒng)之設(shè)計(jì)以外，有一項(xiàng)科技是發(fā)展高級光學(xué)儀器所不可缺的，就是光學(xué)薄膜的蒸鍍技術(shù)。何謂光學(xué)薄膜，就是在鏡片上鑲上一層或多層非常薄的特殊材料，使鏡片能達(dá)到某種特定的光學(xué)效果。我們所常見的太陽眼鏡，抗反射鏡片就是一個光學(xué)薄膜在日常生活上最簡單的應(yīng)用 。其他如各種反射鏡、濾光鏡、各式鏡頭及雷射鏡片，都要用到光學(xué)薄膜這一項(xiàng)技術(shù)。
光學(xué)薄膜的基本原理是利用光線的干涉效應(yīng)，當(dāng)光線入射于不同折射系數(shù)物質(zhì)所鍍成的薄膜，產(chǎn)生某種特殊光學(xué)特性。光學(xué)薄膜就其所鍍材料之不同，大體可分為金屬膜和非金屬膜。金屬膜：主要是作為反射鏡和半反射鏡用。在各種平面或曲面反射鏡，或各式棱鏡等，都可依所需鍍上Al、Ag、Au、Cu等 各種不同的材料。不同的材料在光譜上有不同的特性。AI的反射率在紫外光、可見光、近紅外光有良好的反射率，是鍍反射鏡最常使用的材料之一。Ag膜在可見光和近紅外光部份的反射率比AI膜更高，但因其易氧化而失去光澤，只能短暫的維持高反射率，所以只能用在內(nèi)層反射用，或另加保護(hù)膜。非金屬膜:用途非常廣泛，例如抗反射鏡片．單一波長濾光片、長或短波長通過濾光片、熱光鏡、冷光鏡、各種雷射鏡片等，都是利用多種不同的非金屬材料，蒸鍍在研磨好之鏡杯上，層數(shù)由單層到數(shù)十、百層不等，視需要的不同，而有不同的設(shè)計(jì)和方法。目前這些薄膜中被應(yīng)用得最廣泛，最商業(yè)化，也是一般人接觸到最多的，就是抗反射膜。例如眼鏡、照相機(jī)鏡頭、顯微鏡等等都是在鏡片上鍍抗反射膜。因?yàn)槿羰遣患右钥狗瓷錈o法得到清晰明亮的影像了，因此如何增加其透射光線就是一個非常重要的課題。
利用光波干涉原理，在鏡片的表面鍍上一層薄膜，厚度為1/4 波長的光學(xué)厚度，使光線不再只被玻璃─空氣界面反射，而是空氣─薄膜、薄膜─玻璃二個界面反射，因此產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，可使反射光減少。若鍍二層的抗反射膜，使反射率更低，但是鍍一層或二層都有缺點(diǎn)：低反射率的波帶不移寬，不能在可見光范圍都達(dá)到低反射率。1961年Cox、Hass和 Thelen三位首先發(fā)表以1/4一1/2一1/4波長光學(xué)厚度作三層抗反射膜可以得到寬波帶低反射率的抗反射膜。多層抗反射膜除了寬波帶的，也可做到窄波帶的。也就是針對其一波長如氨氟雷射632.8nm波長，要求極高的透射，可使63Z.8nm這一波長透射率高達(dá)99.8%以上，用之于雷射儀器。但若需要對某一波長的光線有看極高的反射率需要用高低不同折射系數(shù)的材料反復(fù)蒸鍍數(shù)十層才可達(dá)到此效果。
光學(xué)薄膜的制造是以真空蒸鍍方式制作，大體可分為三種方式：熱電阻式、電子槍式和濺射方式。最普通的方式為熱電阻式，是將蒸鍍材料在真空蒸鍍機(jī)內(nèi)置于電阻絲或片上，在高真空的情況下，加熱使材料成為蒸氣，直接鍍于鏡片上。由于有許多高熔點(diǎn)的材料，不易使用此種方式使之熔化、蒸鍍。而以電子槍改進(jìn)此缺點(diǎn)，其方法是以高壓電子束直接打擊材料，由于能量集中可以蒸鍍高熔點(diǎn)的材料。另一方式為濺射方式，是以高壓使惰性氣體離子化，打擊材料使之直接濺射至鏡片，以此方式所作薄漠的附著力最好