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光学薄膜技术第三章——薄膜制造技术—-—-———-—--—--———————-—-——--——-—作者：—--—-————-——--—-————-———————-———日期：第三章薄膜制造技术光学薄膜可以采用物理汽相沉积(PVD)和化学液相沉积(CLD）两种工艺来获得.CLD工艺简单，制造成本低，但膜层厚度不能精确控制，膜层强度差，较难获得多层膜,废水废气对环境造成污染，已很少使用.PVD需要使用真空镀膜机,制造成本高，但膜层厚度能够精确控制，膜层强度好，目前已广泛使用。
PVD分为热蒸发、溅射、离子镀、及离子辅助镀等。
制作薄膜所必需的有关真空设备的基础知识用物理方法制作薄膜，概括起来就是给制作薄膜的物质加上热能或动量，使它分解为原子、分子或少数几个原子、分子的集合体(从广义来说，就是使其蒸发），并使它们在其他位置重新结合或凝聚.在这个过程中，如果大气与蒸发中的物质同时存在,那就会产生如下一些问题：①蒸发物质的直线前进受妨碍而形成雾状微粒，难以制得均匀平整的薄膜；②空气分子进入薄膜而形成杂质；③空气中的活性分子与薄膜形成化合物；④蒸发用的加热器及蒸发物质等与空气分子发生反应形成化合物，从而不能进行正常的蒸发等等.因此,必须把空气分子从制作薄膜的设备中排除出去，这个过程称为抽气。
空气压力低于一个大气压的状态称为真空，而把产生真空的装置叫做真空泵，抽成真空的容器叫做真空室，把包括真空泵和真空室在内的设备叫做真空设备.制作薄膜最重要的装备是真空设备．真空设备大致可分为两类：高真空设备和超高真空设备.二者真空度不同,这两种真空设备的抽气系统基本上是相同的，但所用的真空泵和真空阀不同，而且用于真空室和抽气系统的材料也不同,下图是典型的高真空设备的原理图，制作薄膜所用的高真空设备大多都属于这一类.下图是超高真空设备的原理图,在原理上,它与高真空设备没有什么不同，但是，为了稍稍改善抽气时空气的流动性，超高真空设备不太使用管子，多数将超高真空用的真空泵直接与真空室连接，一般还要装上辅助真空泵(如钛吸气泵）来辅助超高真空泵。
第三章：真空蒸镀第三章：真空蒸镀真空蒸镀薄膜沉积中的共性问题：超净室镀膜中的气泡是影响膜的特性和附着强度的最大障碍之一，灰尘是产生气泡的主要原因。
超净室＋超净真空室超净真空室：除尘，抽气时防止产生湍流。
薄膜沉积中的共性问题：超净室超净室，不能产生灰尘：1、油封机械泵所排出的气体要接到室外；2、用无皮带的直连泵或将泵装在室外；3、用塑料纸张或使用不产生灰尘的纸；4、不能用铅笔；人体污染：呼出气体中颗粒的污染距离0.6-1m ，打喷嚏的污染距离4~5m 。
主要是含有矿物质和盐如钠，钙，铁，镁，氯，铝，硫，钾，磷。
百级超净室：测试一立方英尺/分钟，0.5微米的尘小于100个大气中的尘埃粒子及其大小范围芯片特征尺寸和沾污控制物理气相沉积定义：物理气相沉积(Physical vapor deposition）是利用某种物理过程，如物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程。
物理气相沉积特点（与CVD相比）(1) 需要使用固态的或者熔融态的物质作为蒸发源；(2) 源物质经过物理过程而进入气相；(3) 需要相对较低的气体压力环境；a) 其它气体分子对于气相分子的散射作用较小，b) 气相分子的运动路径近似为一条直线；c) 气相分子在衬底上的沉积几率接近100％。
(4) 在气相中及在衬底表面大多不发生化学反应。
真空蒸发原理定义：真空蒸发镀膜法（简称真空蒸镀）是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到基片表面，凝结形成固态薄膜的方法。
真空蒸发原理主要组成：(1) 真空室；(2) 蒸镀材料；(3) 激活源；(4) 衬底；(5) 其它：加热器、测温器等。
P≤10-6Torr薄膜形成“s-g-s”蒸发的基本过程（1）蒸发过程：通过能量转移，凝聚相→气相该阶段的主要作用因素：饱和蒸气压（2）输运过程：蒸气流在蒸发源与基片之间的飞行该阶段的主要作用因素：分子平均自由程（3）淀积过程：在衬底表面，凝聚→成核→核生长→连续薄膜。
光学实验技术中的薄膜制备与表征指南在现代光学实验中，薄膜是一种广泛应用的材料，它具有许多独特的光学性质。
为了实现特定的光学设计要求，科学家们需要制备和表征各种薄膜。
本文将为您介绍光学实验技术中的薄膜制备与表征指南，帮助您更好地理解和应用薄膜技术。
一、薄膜制备技术1. 真空蒸发法真空蒸发法是一种常见的薄膜制备技术，它通常用于金属或有机材料的蒸发。
蒸发源材料通过加热，使其蒸发并沉积在基底表面上，形成薄膜。
真空蒸发法具有简单、灵活的优点，但由于材料的有机蒸发率不同，容易导致薄膜的成分非均匀性。
2. 磁控溅射法磁控溅射法是一种通过离子碰撞使靶材溅射，并沉积在基底上的技术。
这种方法可以获得高质量和均匀性的薄膜。
磁控溅射法通常用于金属、氧化物和氮化物等无机薄膜的制备。
3. 原子层沉积法原子层沉积法（ALD）是一种逐层生长薄膜的方法，通过交替地注入不同的前驱体分子，使其在基底表面上化学反应并沉积。
这种方法可以实现非常精确的厚度控制和成分均一性。
4. 溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种基于溶胶和凝胶的化学反应制备薄膜的方法。
通过溶胶中的物质分子在凝胶中发生凝胶化反应，形成薄膜。
这种方法适用于复杂的薄膜材料。
二、薄膜表征技术1. 厚度测量薄膜的精确厚度对于光学性能至关重要。
常用的测量方法包括激光干涉法、原位椭圆偏振法和扫描电子显微镜等。
激光干涉法通过测量反射光的相位差来确定薄膜厚度，原位椭圆偏振法则通过测量反射光的椭圆偏振状态来推断厚度。
2. 光学性能表征光学性能包括反射率、透过率、吸收率等。
常用的表征方法有紫外可见近红外分光光度计和激光光谱仪。
通过测量样品在不同波长下的吸收或透过光强度，可以得到其光学性能。
3. 表面形貌观察表面形貌对薄膜的光学性能和功能具有重要影响。
扫描电子显微镜和原子力显微镜是常用的表面形貌观察工具。
扫描电子显微镜可以获得样品表面的高分辨率图像，原子力显微镜则可以实现纳米级表面形貌的观察。
4. 结构分析薄膜的结构分析是了解其晶体结构和晶格形貌的重要手段。
关于真空技术基础理论的学习报告本章主要讲述了真空的基础知识及稀薄气体的基本性质，另外阐述了获得真空的主要指标及关键因素，介绍了几种常用真空计的工作原理与测量范围。
1.真空的基本知识薄膜制备方法分物理沉积和化学沉积两大类。
（1）物理气相沉积法是利用蒸镀材料或溅射材料来制备薄膜的，简称PVD (Physical Vapor Deposition) 技术。
其基本制作技术包括：真空蒸发、溅射镀膜和离子镀等。
（2）化学气相沉积是一种化学气相生长法，简称CVD(Chemical Vapor Deposition)技术。
CVD 法是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外光乃至激光等能源，借助气相作用或在基片表面的化学反应(热分解或化学合成)生成要求的薄膜。
它可制备多种物质薄膜。
它们均要求淀积薄膜的空间具有一定的真空度。
因此，真空技术是薄膜制作技术的基础，获得并保持所需的真空环境，是镀膜的必要条件。
1.1真空及其单位真空是指低于一个大气压的气体空间。
与正常的大气相比，是比较稀薄的气体状态。
真空是相对的，绝对的真空是不存在的。
通常所说的真空是一种“相对真空”。
在真空技术中对于真空度的高低，可用多个参量来度量，最常用的有“真空度”和“压强”。
此外，也可用气体分子密度、气体分子的平均自由程、形成一个分子层所需的时间等来表示。
（注：“真空度”和“压强”是两个概念，不能混淆：压强越低，意味着单位体积中气体分子数愈少，真空度愈高；反之真空度越低则压强就越高。
由于真空度与压强有关，所以真空的度量单位是用压强来表示。
）在真空技术中，压强所采用的法定计量单位是帕斯卡(Pascal)，简称帕(Pa)，是目前国际上推荐使用的国际单位制(1971年国际计量会议正式确定)。
托（Torr）是在最初获得真空时(1958年托里拆利)就被采用的、真空技术中的独特单位。
工程中所用旧单位与Pa之关系(1Pa=1N/m2)•毫米汞柱(mmHg)(最早最广泛使用的压强单位)1mmHg＝133．322Pa•托(Torr)1Torr (＝ 1mmHg) ＝1atm/760 ＝133.322Pa（atm表示标准大气压，毫米汞柱与托在本质上是一回事，二者相等）• 巴(bar)1bar＝105 Pa=105N/m2=106达因/cm2=0.986923 atm• 1 kgf/cm2≈1atm (1atm=1.0333kgf/cm2)• 1 atm=760mmHg=0.1013MPa即1MPa约=10 atm(常用储气瓶满瓶压力约200atm)1.2真空区域的划分粗真空( 1×105--1×103 Pa )⏹低真空(1×103--1×10-1Pa)⏹高真空(1×10-1--1×10-6Pa)⏹超高真空(1×10-6--1×10-10Pa)⏹极高真空(＜1×10-10Pa)1.2.1粗真空（1×105--1×103 Pa）在粗真空状态下，气态空间的特性和大气差异不大，气体分子数目多，并仍以热运动为主，分子之间碰撞十分频繁，气体分子的平均自由程很短。
第一章真空技术基础1、膜的定义及分类。
答：当固体或液体的一维线性尺度远远小于它的其他二维尺度时，我们将这样的固体或液体称为膜。
通常，膜可分为两类：（1）厚度大于1mm的膜，称为厚膜；（2）厚度小于1mm的膜，称为薄膜。
2、人类所接触的真空大体上可分为哪两种答：（1）宇宙空间所存在的真空，称之为“自然真空”；（2）人们用真空泵抽调容器中的气体所获得的真空，称之为“人为真空”。
3、何为真空、绝对真空及相对真空答：不论哪一种类型上的真空，只要在给定空间内，气体压强低于一个大气压的气体状态，均称之为真空。
完全没有气体的空间状态称为绝对真空。
目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最低压强下，每立方厘米体积中仍有几百个气体分子。
因此，平时我们所说的真空均指相对真空状态。
4、毫米汞柱和托答：“毫米汞柱（mmHg）”是人类使用最早、最广泛的压强单位，它是通过直接度量长度来获得真空的大小。
1958 年，为了纪念托里拆利，用“托（Torr）”，代替了毫米汞柱。
1 托就是指在标准状态下，1 毫米汞柱对单位面积上的压力，表示为1Torr=1mmHg。
5、真空区域是如何划分的答：为了研究真空和实际使用方便，常常根据各压强范围内不同的物理特点，把真空划分为以下几个区域：（1）粗真空：l′105 ~ l′102 Pa，（2）低真空：l′102 ~ 1′10-1Pa，（3）高真空：l′10-1 ~ 1′10-6Pa和（4）超高真空：< 1′10-6Pa。
6、真空各区域的气体分子运动规律。
答：（1）粗真空下，气态空间近似为大气状态，分子仍以热运动为主，分子之间碰撞十分频繁；（2）低真空是气体分子的流动逐渐从黏滞流状态向分子状态过渡，气体分子间和分子与器壁间的碰撞次数差不多；（3）高真空时，气体分子的流动已为分子流，气体分子与容器壁之间的碰撞为主，而且碰撞次数大大减少，在高真空下蒸发的材料，其粒子将沿直线飞行；（4）在超高真空时，气体的分子数目更少，几乎不存在分子间的碰撞，分子与器壁的碰撞机会也更少了。
