光学薄膜制备设备介绍之蒸发镀膜机

前言

薄膜光学的来源一直可追溯到18世纪的“牛顿环”现象，人类首次发现并进而解释了光的干涉过程。1873 年麦克斯韦(Maxwell)的巨著《论电与磁》的问世，进一步奠定了薄膜光学的理论基础。至此，作为薄膜光学的两大基础理论——电磁场理论和光的干涉理论全部确立。

薄膜光学的理论发展极为迅速，但是薄膜的制备技术远未能赶上理论的发展。虽然夫琅和费(Fraunhofer)早于1817年就用酸蚀法制成了第一批减反射膜，但是直到1930年出现扩散泵以后，用物理气相沉积方法制备光学薄膜这一技术得到真正发展，才使各种光学薄膜在各个领域得到了广泛的应用。

蒸发镀膜技术是物理气相沉积的一个重要分支，基于蒸发镀膜技术的镀膜机已成为光学薄膜制备的主流设备之一。今天我们就聊聊蒸发镀膜机。

首先，我们来看看日常生活中见到的镀膜。

长时间使用的钨灯   灯内壁出现了一层黑色的钨

90年代大家普遍使用的白炽灯，当灯被长期使用，灯泡壁上会被镀上一层黑色的钨，所以灯就可以看作是一个镀膜系统，它包含：一个密闭的环境（惰性气体或者真空）-灯泡，一个膜层材料来源-构成灯丝的钨，一个加热源-通电的钨丝自己发热，一个冷的可以让膜层附着的地方-灯泡内壁。 

而蒸发镀膜机也与其结构大同小异，包含一个密闭的腔体和将其抽真空的真空系统，一个将材料蒸发出来的机构，我们简称其为源。当然光学薄膜通常不像钨灯发黑这么随意，对膜层的厚度和质量都有特别的要求，膜厚监控和离子源系统为了这些要求配置的系统。

真空系统

为什么要真空？当年的白炽灯发明竞赛的最终答案就是高熔点的灯丝碳和真空的灯泡。选择真空的原因是其真空环境能避免炽热的灯丝和环境中的气体反应。而镀膜同样需要真空。

真空可以避免膜层材料在镀膜过程中与杂质反应

真空的另外一个作用就是减少镀膜过程中材料原子与其他气体分子的碰撞，让我们的材料能跑得更远。

那么怎么获得真空环境？我们需要各式真空泵！

由旋片式机械泵和罗茨泵组成的真空泵组可以将密闭腔体真空度抽至 0.5Pa 以下

工作在 0.5Pa 以下的油扩散泵，能将真空抽至 1E-4Pa 以下

各式真空泵分工合作可以把密闭的环境抽到一个很高的真空（0.02Pa 以下），以便后续的镀膜进行。同时抽真空的动作持续进行，将镀膜过程产生的其他气体排出腔体。

然后我们需要测量真空以确认当前环境的真空度，这个时候我们需要使用真空计。

通过测量空间中原子的热传递能力强弱来测量空间的真空度

皮拉尼真空计  PSG500

我可以让空间中的原子带电，然后计算带电量来计算空间中的真空度

潘宁真空计 PEG

真空计和真空泵一样都有各自的工作范围，多个真空计协作，监控真空变化。

源

我们知道冰加热可以变成水，水蒸发可以变成水蒸气，水蒸气遇冷可以变成水或者冰（取决于温度）。而膜层材料（基本都是固体）也可以通过加热，将其液化后蒸发变成气态（或者直接固态升华为气态），气态膜层材料遇到相对冷的基板变成固态膜层。这就完成一个镀膜过程。

那么我们该怎么加热膜层材料？

前文说到钨丝加热会发热。镀膜机同样可以通过给钨丝或钼舟通电来加热膜层材料。这种靠电阻通电加热膜层材料的方法叫做阻蒸。

镀膜机通过铜电极给高熔点的钼舟通电可以获得很高的温度，可以蒸发很多膜层材料。

电阻蒸发

电阻加热结构简单，但是热效率低，钼舟结构也很难做到多种材料切换，这限制了多层膜的制备。而电子枪则完美克服以上问题。

电子枪的灯丝能提供电子，电子在高压电场下加速，同时通过磁场来改变电子运动轨迹，最后使加速后的电子汇聚到膜层材料表面，高速的电子将大量的能量带到膜层材料（通常装在坩埚中），使其溶化蒸发（或者直接升华）。电子枪的能量更集中，污染少，而且能耗更低。通过旋转坩埚位置，可以轻易做到多层镀膜。

电阻蒸电子枪蒸发系统发

在真空环境下，电子枪将膜层材料加热，膜层材料变成气态在镀膜腔体自由地飞翔，下一步他们会遇到基板，重新凝固下来。持续的蒸发-凝固，基板上的膜层从一个点长大到一个小岛，小岛再连成片，形成膜层，膜层持续生长变厚......。交替蒸发不同材料，便可以制备多层膜。

多层膜层叠加后的SEM照片

膜厚监控系统

光学薄膜的特性除了依赖不同材料的堆叠，还严重依赖每个膜层的厚度。光学薄膜是在纳米级别的尺度的膜层的堆叠，所以我们需要可以监控纳米级膜层厚度的方法。常用的监控方法有通过监控石英震荡频率（其频率受重量影响）的晶控和通过光学反射率（或透过率）变化监控的光控。

晶控

给石英片两端施加电压，石英就会以一个固定的频率震动。这个震动频率和石英的重量有关。通过监控石英震动频率的变化，就可以计算出镀了多厚的膜层了。

光控

光学薄膜的特性最终反应在膜层对不同光波长的反射或透射的变化，通过监控光学监控片光学特性（反射率或透射率）就可以计算出所镀的膜层的厚度。

离子源

借助于电子枪蒸发系统，我们可以在真空环境下将膜层材料按照我们的设计变成一层又一层的膜层沉积在基板上。但是这些膜层受限于蒸发原子的低动能，形成的膜层不致密。我们知道对松散的路面可以使用压路机对其进行压实。而镀膜机也有自己的“压路机”——离子源。

在真空环境下，对于纳米级的膜层我们可以使用气体粒子，让它们以较高的速度撞击到膜层上，以此来夯实膜层。真空环境下常用来加速粒子的方法就是将粒子电离使其带电，之后通过电场对离子进行加速，最后撞击在膜层上。这一系列的动作完成了对膜层的“压实”。

射频离子源

射频离子源使用射频激发气体原子，使其电离。失去电子而带正电的气体离子被带负电的加速极加速抽出，穿越减速极后飞向基板。在这个过程中，气体离子获得了极大的能量。这些能量最后在粒子碰撞膜层后部分传递给了膜层，使膜层致密化。
 

离子源可以在成膜过程中与蒸发系统共同工作。通过离子源不断发射高能粒子夯实正在沉积的膜层，膜层的致密度得到了极大地提高。膜层致密化可以避免膜层孔洞导致的缺陷，同时可以避免水汽的进入改变膜层特性，极大地提升了光学薄膜的光学稳定性。在中高端蒸发镀膜系统中，离子源已经是必不可少的部件。

镀膜机

以上就是镀膜机的主要部件，由它们组合起来是这样的：

通过计算机和可编程逻辑控制器的连接，各个部件拥有了共同的大脑，成为一台高度自动化的蒸发镀膜机。我们将各种精妙的光学薄膜设计导入设备，再按要求投入产品，设备便可以开始进行镀膜，完成理论到实现的步骤。

后记

当然目前的镀膜工艺远未达到完美，各种新的镀膜机不断出现，它们有的提升了镀膜精度，有的改善了膜层质量，有的可以镀更大的产品，有的效率更高，有的对某些材料镀膜进行了特别优化......镀膜机的各种升级使我们产品更符合理论的预期，在大规模生产种不断降低成本，使镀膜产品进入千家万户，让薄膜光学之光照拂大众。

水晶光电是全球知名的一站式光学解决方案专家，坚信自己的使命——创新让光学更强大，光学让世界更美好！

水晶具备数百台各式先进的光学镀膜机，有一群优秀的镀膜工程师在为共同的理念努力。如果您有志于走上光学薄膜制备之路，欢迎加入我们。如果您有光学设计需要实现，请联系我们。

薄膜研究所

薄膜研究所致力于镀膜前瞻技术与材料技术的融合，通过分子级的结构重构，为材料带来全新的性能和功能应用，如用于3D识别的低角度偏移窄带滤光膜，用于生物识别的半导体光学薄膜，具备电性、功能性的光学薄膜，堪比蓝宝石硬度的功能薄膜，具有超低反射特性的亚波长结构薄膜，用于消除系统杂散光的金属黑膜或介质黑膜等。