在光學(xué)薄膜制備過程中,如何把控薄膜厚度?

差之毫厘，失之千里。光學(xué)薄膜制備做為精密制造領(lǐng)域之一，其精密程度常常達(dá)到納米甚至微納級別，因此，其制備復(fù)雜程度是不言而喻的，有時候微小的失誤會導(dǎo)致滿盤皆輸，為薄膜制備帶來巨大困難。

光學(xué)薄膜的制備是一個復(fù)雜的過程，它是通過將大塊固體材料蒸發(fā)或濺射，經(jīng)過氣相傳輸，*后在基板上凝結(jié)得到的，在其制備過程中，包括環(huán)境真空條件（真空度）、蒸發(fā)速率、基板溫度等多面的工藝因素的影響，對薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分與理想狀況出現(xiàn)較大偏差，*終導(dǎo)致薄膜的機(jī)械性能、抗激光損傷閾值、光學(xué)性能的變化。

在眾多的工藝影響因素中，影響*大且易觀察的往往是薄膜的厚度均勻性，其會嚴(yán)重影響薄膜的物理性能，根據(jù)制備經(jīng)驗，薄膜的厚度不均勻會導(dǎo)致薄膜光譜性能產(chǎn)生較大偏移，比如，在增透膜的制備過程中會導(dǎo)致薄膜的透射率偏低，其次他還會影響薄膜的激光損傷閾值、薄膜應(yīng)力等等，正如文頭說到的：差之毫厘，失之千里。因此在薄膜制備設(shè)備中，往往都配有**度極高的膜厚監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 影響薄膜性能的因素

膜厚情況對薄膜性能的影響

控制基底區(qū)域內(nèi)薄膜厚度的均勻性

控制每層膜的整體厚度

膜層厚度的不均勻性會導(dǎo)致薄膜器件的特征波長發(fā)生變化，在其他性能方面往往沒有必然影響，而膜層整體誤差則會導(dǎo)致薄膜的性能下降。

那么如何較好地控制制備過程呢，我將其總結(jié)為三方面：制備設(shè)備方面、基底準(zhǔn)備以及監(jiān)控方面。

首先，明確什么是均勻性

在薄膜制備過程中，薄膜材料需要在低壓環(huán)境中蒸發(fā)，以保證蒸發(fā)物的氣流中的分子沿直線傳播，直到與基底表面碰撞凝結(jié)成膜，描述分子在基底表面凝結(jié)的分布離散情況稱為薄膜的均勻性。

再者，怎樣計算薄膜厚度

均勻性通常被運(yùn)用于薄膜的厚度計算過程中，由前述可知，要想求得薄膜的厚度分布，都需要知道從蒸發(fā)源蒸發(fā)的蒸汽分子的分布。并且，在計算過程中總假定每個分子都在其碰撞凝結(jié)，盡管這種假設(shè)不完全正確，但是在進(jìn)行均勻性計算在大多數(shù)情況下是足夠**的。好了，回到薄膜的計算問題，在薄膜的計算方面，Holland和Steckelmacher曾發(fā)表了一項早期的研究成果（文獻(xiàn)名稱將會在文末給出，讀者可以自行查閱），同時建立了相應(yīng)的理論。他們將蒸發(fā)源分為兩大類：一類是蒸汽分子在空間中的均勻分布，可將其看做點源；另一類蒸汽分子的空間分布來自于面源的分布相似，強(qiáng)度隨著所關(guān)心的方向與表面法線的夾角的余弦值而變化。通常在薄膜鍍制過程中幾乎所有用到的蒸發(fā)源，特別是舟形源，其產(chǎn)生的薄膜厚度分布與面源相近。并有如下的在空間分布上的表達(dá)式：

綜上，我們已經(jīng)薄膜厚度計算的理論全部介紹，盡管公式很多，但是原理其實很簡答，即求得淀積薄膜的質(zhì)量和密度，用質(zhì)量除以密度得到薄膜的體積，再由基片的面積可知底面積，進(jìn)而求得薄膜的厚度。

影響膜的均勻性的因素

夾具的影響

夾具指的得是基片的夾具，是用來放置基片的工具。其是鍍膜設(shè)備中必不可少的器件。由于蒸汽分子*終要淀積在基片上所以夾具對薄膜均勻性有影響。

1、平面夾具

*簡單的情況時將夾具直接平行放置在蒸發(fā)源的上方，此時對于蒸發(fā)源厚度公式為：

做過薄膜的人都知道，此種夾具雖然簡單，但是是十分不適用的，除非基底很小，且位于基底中心。

2、球面夾具

球面夾具是將基底放在球體表面，將點源置于中心，可在球體內(nèi)側(cè)沉積厚度均勻的薄膜，對于方向性較強(qiáng)的面源當(dāng)面源作為球面的一部分時同樣可以得到相似均勻厚度的分布，這種方法常常用來鍍制均勻性不高的元件（如：透鏡鍍膜），通常均勻性約為中心厚度的10%。

但是對于精度要求較高的場合，其是不容易實現(xiàn)的，因此，發(fā)展了旋轉(zhuǎn)夾具，即可以使基底旋轉(zhuǎn)起來。

3、旋轉(zhuǎn)夾具

這種情況與平面夾具有很大相似之處，被鍍表面沿與蒸發(fā)源距離為R的垂直軸旋轉(zhuǎn)。由于被鍍面旋轉(zhuǎn)，在任意一點沉積的膜層，等于靜態(tài)時以旋轉(zhuǎn)軸為中心的圓環(huán)周圍厚度的平均厚度，通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度和蒸發(fā)源與旋轉(zhuǎn)軸之間的距離，可以獲得均勻性較優(yōu)的薄膜。

4、球形旋轉(zhuǎn)夾具

在薄膜的制備過程中，要獲得良好的均勻性，可以采用球面夾具并加以旋轉(zhuǎn)。圓頂形工作夾具繞其中心軸旋轉(zhuǎn)并將蒸發(fā)源防于其下，使得源和鍍件近似位于同一球面上，這樣做的好處是薄膜厚度的均勻性面積比簡單的平面形旋轉(zhuǎn)夾具大的多。

5、行星式旋轉(zhuǎn)夾具

若要進(jìn)一步提高膜厚的均勻性，可以選擇采用“行星式”夾具來實現(xiàn)，將基底放置在數(shù)個小型夾具上，其不僅圍繞機(jī)器的中心軸公轉(zhuǎn)，而且以更大的速度繞著自己的中心軸自轉(zhuǎn)，這樣薄膜厚度的可以獲得更高的均勻性。

掩膜的影響

恰當(dāng)?shù)氖褂醚谀た梢孕拚∧ず穸鹊姆植?。將靜態(tài)的掩膜放置在沿單一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的基底前面，通過切割掩膜來修正膜厚的徑向分布。通過理論計算可以近似給出形狀正確的掩膜尺寸的大小，然后根據(jù)實驗結(jié)果進(jìn)行修正以確定其*后的形式。

基底的影響

基底在鍍膜前必須清洗，短程的原子間和分子間的力可以使薄膜和基底結(jié)合在一起，這種力非常強(qiáng)，因此在基底與薄膜的粘結(jié)過程中，基底表面的條件非常重要，即使是在基底表面的污染物非常細(xì)小的單分子層，也會以幾個大小的量級改變粘結(jié)力，蒸發(fā)物的粘結(jié)對表面的條件也非常敏感，而且表面條件能夠完全改變后續(xù)膜層的性質(zhì)，基底清洗可以使蒸發(fā)材料粘結(jié)在基底表面，而不是污染物的中間層。

*好的清洗方法是根據(jù)污染物自身的性質(zhì)去**。在實驗室中，通常是將基底在溶劑和溫水中徹底清洗，然后在流動的溫水中漂洗，之后用清潔的毛巾或柔軟的棉紙徹底的擦干，或者更好的辦法是用干燥的氮氣流將其吹干。優(yōu)良不能讓基底自行晾干，否則會留下不易去除的污點，清洗后盡量不要接觸基底，因為其不能長時間保持清潔。蠟或油脂用醇類如異丙醇清洗，可用蘸有乙醇的清潔球擦拭，然后用液體沖洗表面。但是必須要保證乙醇的清潔。

當(dāng)大量的基底需要清潔時，可以用超聲波在洗劑溶液或乙醇中清洗，但是要避免長時間暴露于超聲波中，避免劃傷基底表面，之后再用蒸汽清洗。

基底清洗干凈后，應(yīng)盡快放入鍍膜室，再用輝光放電做鍍膜前的*后一次清洗，一般是5~10分鐘，放電設(shè)備采用一個高壓的直流電源（當(dāng)然也有交流），在適當(dāng)?shù)臍鈮合卤惝a(chǎn)生輝光放電，輝光放電時，基底表面受到正離子轟擊，有效的去除了所有輕薄的殘留物。多數(shù)鍍膜機(jī)已將其作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。另外應(yīng)當(dāng)注意，從停止放電到開始鍍**層膜的時間間隔不應(yīng)超過3分鐘。否則會嚴(yán)重影響薄膜的性能，特別是薄膜與基底的粘結(jié)性將會惡化。