光学薄膜工艺基础知识培训

光學薄膜的基礎知識與防反射膜真空器械工業株式會社薄膜應用技術課1.光學薄膜的基礎知識1.1屈折率與分散1.2膜厚1.3重復反射1.4特性矩陣1.5等價膜2.單層防反射膜2.1單層防反射膜的理論2.2由MgF2構成的單層防反射膜3.雙層防反射膜3.1QQ型防反射膜3.2HQ型防反射膜4.3層防反射膜1.1受中間層屈折率變化的影響1.2受不均質膜的影響1.3受膜分散的影響5.4層防反射膜6.5層防反射膜7.7層防反射膜1.光學薄膜的基礎知識 1.1 屈折率与分散 屈折率光的速度是自然界的常數,在真空中光的速度C 的定值是300,000km/秒.但在透明的介質中,光的速度值卻很小. 譬如: 當在水中時,光在真空中的速度可高達75%(0.75C). 然而在玻璃中的速度僅約0.66C.真空(實用的空氣)中的光的速度与介質中的光的速度V 之間的比C ／V 稱為:其波長的光的介質屈折率. 通常用n 表示.也就是,介質中的光的速度與真空中的光的速度之間的關係為1／n.因此,水的屈折率是1.33, 玻璃的屈折率約為1.52.(圖1.1 介質中光的速度 )那麼,為何將光的速度比C ／V 命名為屈折率呢? 現在請參照圖1.2, 光從真空入射到介質後從而形成了入射角i. 真空中的波長λ0 ,介質中的波長λ的表示式如下:λ0 =λ = 但是, ν被視為光的振動數. 因此可得出:= = n ( 1.1 )(圖1.2 折射的規則 )n 值大, r 值則變小. 也就是說, n 值可決定入射到介質上的光的折射角度. 因此,把光的速度比C ／V 命名為屈折率.光的折射誘致人們產生諸多錯覺, 請看下列的事例.(1) 假如從外界來看水槽中的魚,其結果是魚比實際更接近於水面.且距離也特別近.(圖1.3 折射—例1 ; 水中的魚 )(2) 厚玻璃杯中的啤酒看起來卻比實際裝入的啤酒多.這是由於啤酒產生的光射到厚玻璃杯的兩個方向,因此可看到玻璃厚度比實際的薄. 倘若光直接照射時,肉眼立即會知曉. 如c ννV λ0λ Sin i Sin r c ν=果把它視為光從圖1.4的虛線方向射入,便會讓我們誤認為玻璃杯的外側也盛滿了啤酒.,(圖1.4 折射—例2 ; 啤酒杯 )分散不同振動數(即: 波長)的光在透明物質中是以不同的速度傳播的,所以會出現多種折射現象並且折射的量(即: 角度)會變遠. 假如利用棱鏡使光實現再次曲折,此時顏色各異的光可以清楚地分離開來. 由於光的振動數(距離)不同而產生了顏色分離的現象被稱之為：光的分散(Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ).最能充分說明分散現象的是:在自然現象中由於陽光射到空气的水滴里,發生光的反射和折射就形成了彩虹.(圖1.5 利用棱鏡實現分散 )(圖1.6 欲看到彩虹需具備的條件 )(圖1.7 利用水滴實現分散 )(i) 玻璃的分散通常情況下,透明介質的分散表達式為:n = A + ( 1.2 )但是, A 、B 、C 是用物質固有的常數表示, 如對具有代表性的玻璃( BK7、SF6 )進行計算,可得出 圖1.8 與 圖1.9的結論.(圖1.8 玻璃BK7的分散狀況 )(圖1.9 玻璃SF6的分散狀況 )如對各種玻璃中的光的速度進行比較可得知: 波長800nm 的光相對於波長400nm 的光,其BK7 約快1.3%, SF6 約快 4.5%.(ii) 鍍膜物質的分散具有光學性質的透明鍍膜物質“誘電體＂同樣會發生分散,特別是作為高屈折率材料被人們廣泛使用的T i O 2 /Z r O 2兩物質分散的程度更大.基板BK7鍍了1層膜厚nd=3λ0／4 (λ0 = 650nm )的T i O 2, 其分光透過率特性如圖1.10 (圖1.10 基板BK7鍍上T i O 2 nd=3λ0／4 膜層的分光透過率特性λ0 = 650nm )λ-B C從圖1.10可得出T i O2的屈折率分散式:n = 2.331 + 無分散時,正如圖1.11曲線B 所示,波長650nm 極值以外的各波峰(peak)所顯示的波長值不同於有分散時的狀況(已發生偏移). 另外,無分散時,波長650nm 与390nm 的極值透過率相同.另: 圖1.12中已列舉出各種鍍膜物質的透過波長範圍表. 在膜設計時理當考慮波長分散. (圖1.11 基板BK7鍍上T i O 2 nd=3λ0／4 膜層的理論分光透過率特性λ0 = 650nm ) (圖1.12 各種鍍膜物質的透過波長範圍表 )1.2 膜厚如前項所述,光的速度會受介質的不同而變化.但它的振動數卻不變. 如圖1.13所示的那樣,如把各類波長以λ0 ,λ; 速度以c , v ; 光的振動數以ν表示,其介質的屈折率n 為:n = = =∴ λ= λ0 ／n(圖1.13 真空与介質的關係 )也就是,屈折率n 的介質中的波長λ比真空中的波長λ0小. 因此,在屈折率n 的介質中所包含的距離d 的波數是:= 真空狀態下nd 的距離中所包含的波形數是相同的.也就是指,把屈折率n 的介質中的長度d 換算成真空中的話,就相當於光學上的nd. 因此, nd 也稱作光學距離或是光學膜厚. 在光學薄膜中僅僅把它單純地稱之為膜厚時,通常指的光學膜厚.這類光一旦通過幾何學中的膜厚d 的介質,它在真空中的波動与位相差δ的關係為:δ= × d = × nd ( 1.3 )= [ 自由空間中的傳播系數 ( ) ] × [ 介質中的光路 ( nd ) ]λ- 317.72213.888 λ0ν λνc νλ0 λ d λ nd λ02π λ λ0 2π λ02π在光的干擾原理中,此位相差δ極其重要. 在光學方面,透明薄膜的光學性質(分光特性)是 由於膜厚nd 与真空中的波長而形成了此特徵.1.3 重復反射兩面平行且在無吸收的介質(屈折ns )中, 當光垂直入射,則會產生像圖1.14在2個界面重復反射,剩餘的則作為透過光向外射出. 倘若把各界面的反射率視為R 0 , R 1 ,其反射光為:I 1 = I 0 R 0I 2 = I 0 ( 1 - R 0 ) 2 R 1I 3 = I 0 ( 1 - R 0 ) 2 R 1 2 R 0↓於是透過光則為:I 1 t = I 0 ( 1 - R 0 ) ( 1 - R 1 )I 2 t = I 0 ( 1 - R 0 ) R 1 R 0 ( 1 - R 1 )I 3 t = I 0 ( 1 - R 0 ) R 1 2 R 0 2↓因此,全反射光ΣR 為:ΣR = I 1 + I 2 + I 3 + ．．．= I 0 [ R 0 + ( 1 – R 0 ) 2 R 1 { 1 + R 1 R 0 + R 1 2 R 0 2 +．．．}] I 0 { R 0 +} = I 0∴反射率R = ( 1.4 )另外,全透過光ΣT 是:ΣT = I 1 t + I 2 t + I 3 t + ．．．= I 0 ( 1 – R 0 ) ( 1 – R 1 ) ( 1 + R 0 R 1 + R 0 2 R 1 2 +．．． ) ( 1 - R 0 ) 2 × R 11 - R 1 R 0 ～R 0 + R 1 - 2R 1 R 0 1 - R 1 R 0R 0 + R 1 - 2R 1 R 0 1 - R 1 R 0I 0= I 0∴透過率T =( 1.5 )介質兩面的反射率相等時, 公式 ( 1.4 ) 與 ( 1.5 )中,假設R 0 = R 1 , 則反射率為:反射率R = ( 1.6 )透過率T = ( 1.7 )另外, 單面的反射率R 0 為:R 0 = ( ) 2( 1.8 ) 使用公式( 1.8 ) 與 ( 1.6 )計算: 當光垂直入射到透明玻璃表面時的單面以及兩面的反射率,可得出像表1.1那樣的數值.屈折率ns = 1.50的單面反射率是4.0%, 然而在兩面時並非為它的2倍8.0%, 卻是7.69%. 表1.1 各種玻璃的反射率1.4 特性矩陣 (ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｍａｔｒｉｘ )我們把不同介質的薄膜重疊多層, 使其境界面的反射光相互干擾的物體稱之為多層薄膜. 在多層膜中對於所期望的光學特性而未能滿足時,則采取增加膜層數的方式得以解決. 解析這類多層膜的光學特性的方法不勝枚舉,其中一種是: 使用極其有效的矩陣.詳細資料可參見文獻．書籍,在此只針對其概念以及它的實用性進行說明.( 1 - R 0 ) ( 1 – R 1 ) 1 - R 1 R 0 ～ 1 - R 1 - R 0 + R 1 R 0 1 - R 1 R 0 1 - R 1 - R 0 + R 1 R 0 1 - R 1 R 0 2R 01 + R 0 1 + R 0 1 - R 0 ( 1 - R 0 ) 2～1 + n s 1 – n s波長λ的光鍍在透明基板(屈折率ns)上所產生的屈折率n, 當垂直入射到幾何學中膜厚d 的無吸收．均質膜時,其光學特性矩陣是:M = cos δ sin δ ( 1.9 ) in sin δcos δ= m 11 im 12im 21 m 22但它的表達式則為:δ= × nd通常我們把它稱為特性矩陣或Ｈｅｒｐｉｎ ｍａｔｒｉｘ.此時,反射率R 与透過率T 為:R = ( 1.10 )T = ( 1.11 )如圖1.15所示, 多層膜中各層的特性矩陣分別為:M k , M k-1 , ．．．M 2 , M 1 時,其多層膜的光學性質是各矩陣的積:M = M k × M k-1 ×．．．M 2 × M 1( 圖1.15 k 膜層 )= Ai b i c D公式(1.10): 假如m 11 = A, m 12 = B, m 21 = C, m 22 = D, 那麼k 層膜的反射率便能輕易求解. 下面我們來關注一下位相δ. 固定λ後再使膜厚nd 發生變化,只有在膜厚變化的情況下才能計算出反射率與透過率. 相反,在固定膜厚nd 後再使λ發生變化,此時波長的反射率與透過率的變化(分光特性)便可計算出來. n i 2πλ(m 11 - ns × m 22 ) 2 + ( ns × m 12 - m 21 ) 2 (m 11 + ns × m 22 ) 2 + ( ns × m 12 + m 21 ) 2(m 11 + ns × m 22 ) 2 + ( ns × m 12 + m 21 ) 241.5 等價膜(ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ)在設計．制作多層薄膜時, 根據基板的屈折率選用持有所期望的屈折率之鍍膜藥材.為解決此問題,下記方法請掌握並靈活運用. (混合膜的方法)(1) 在真空中屈折率各異的2種物質已同時鍍膜.(2) 空氣中2種物質按照適當的重量比混合後再進行鍍膜.但是生產線若想制造出持有所期望的屈折率的混合膜,在再現性方面卻是很難實現的.為避免此類情況的發生, 与混合膜可媲美的是”等價膜”. 高低2種屈折率的物質被對稱地組合成三層膜,此時一波長的光可用均質膜替代(Ｈｅｒｐｉｎ定理) .當與光的波長相比較它的膜厚非常小時,比如等價膜厚在λ／4以下時,光學膜厚的變化對其等價屈折率波及的影響比預計小.像這類等價膜,在一定波長範圍內,它具有與均質膜相似的等價特性.也就是,如使用可互換的2種物質,就能夠制造出持有所期望的屈折率的薄膜.如圖1.16所示,當出現屈折率n 1, n 2 的對稱型3層交替層時,它的特性矩陣M 為: cos δ1 sin δ1 cos δ2 sin δ2 in 1 sin δ1cos δ1 in 2 sin δ2 cos δ2cos δ1 sin δ1 in 1 sin δ1cos δ1cos △sin △ in 1 sin δ1 cos △圖1.16 等價膜但它的關係則表示為:δ1 = ×ｎ1 ｄ1 , δ2 = ×ｎ2 ｄ2 , △= N D N 稱為等價屈折率, △稱為等價位相角.ni M = ×n i ni Ni = 2π λ 2πλ2πλ此時,當ｎ1＜ｎ2時,則ND=λ／4. 具體請參照ｎ1ｄ1 , ｎ2ｄ2的求解程式後再實際運用.該程式如圖1.17所示. 變量U与膜厚比2ｎ1ｄ1／ｎ2ｄ2、變量k1和k2与λ／4以及變量N3之間的膜厚系數(ｎ1ｄ1 = k1×λ／4) 皆被稱為等價屈折率.(圖1.17 對稱3層型等價膜的膜厚計算程式)由MgF2 (ｎ1 = １．３８)与Z r O2 (n = ２．０)構成的對稱3層型等價膜的膜厚与等價屈折率之間的關系請參照圖1.18.圖1.19是以眼鏡鏡片為代表的3層防反射膜(基板－A12 O3－Z r O2－MgF2 ) 的分光反射率特性, 再者, 將第1層的A12 O3 (ｎ= １．６１) 換成由MgF2与Z r O2構成的等價膜後,其分光反射率特性如圖1.20所示. 兩者比較後可得知, 雖說短波長和長波長之間存在些許差異,但由於等價膜的關係卻使它變得非常實用.(圖1.18 對稱3層型等價膜的膜厚與等價屈折率)[圖1.19 ng = 1．52, ｎ1 = 1．61(A12 O3),ｎ2 = 2．0(Z r O2) ](圖1.20 將A12 O3更換成由MgF2与Z r O2構成等價膜之分光反射率特性)* 間接輸入時如字面那樣它是指材質的種類數.ＡＩＲ／（ＨＬ）3ＨＨ（ＬＨ）5 ／ＮＳ1 2 3 4因此,此時材質的種類分4種. ( ＨＯＷ ＭＡＮＹ ＭＡＴＥＲＩＡＬ)在鍍膜(例如Ｈ,Ｌ等) 時,各鍍膜的材質与膜厚必須相同. 當然,Ｈ与Ｌ即使不同也沒關系.由此可見,材質相同但厚度不同時,可以直接輸入.下列例題是針對間接輸入進行了說明. (參見ＥＸ－１)ＤＩＲＥＣＴ ＩＮＰＵＴ（Ｏ） ＯＲ ＮＯＴ（１）在上記括號中輸入１例題的鍍膜模式是:ＮＳ／（ＨＬ）2ＨＨ（ＬＨ）2 ／ＮＳ1 2 3故材質種類變為3. ( ＨＯＷ ＭＡＮＹ ＭＡＴＥＲＩＡＬ)接下來在以下ＨＯＷ ＭＡＮＹ ＭＡＴＥＲＩＡＬ中輸入指定的鍍膜材質個數(例：３).各種鍍膜每種鍍膜名稱(Ｈ,Ｌ等由用戶定義), 膜厚(Ｎ×Ｄ,波長單位,基板的厚度也需象徵性地輸入,故此時輸為0即可), 鍍膜材質名(基板本身的玻璃名).鍍膜名稱的命名不能重復. (詳見示例)待以上內容輸入完畢後,有關鍍膜材質,基板玻璃的信息假如“鍍膜材質登錄文檔＂中沒有指定材質名時,便會出現ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＮＡＭＥ ＥＲＲＯＲ的錯誤警告,此刻則需要手動輸入屈折率及吸收系數. 按理說已登錄的鍍膜材質或是玻璃的輸入設定在出現輸入錯誤(ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＮＡＭＥ ＥＲＲＯＲ) 時,象徵性的輸入適當的值,待各種初期data均輸入完成後,根據ＭＩＮcommand再輸入即可解除. 膜厚輸入錯誤時,則使用ＮＤＩcommand訂正.屈折率以及吸收系數在輸入時,該程式已將屈折率設定為ｎ,吸收系數設定為ｋ,一般情況下需考慮波長分散性, 因此, 其數值(俗稱內插法) 如下:ｎ2= ａ0 +ａ1λ+ａ2λ2 +ａ3／λ2 +ａ4／λ4 +ａ5／λ6 +ａ6／λ8ｋ= MAX ｂ0 +ｂ1λ+ｂ2λ2 +ｂ3／λ2 +ｂ4／λ4 +ｂ5／λ6 +ｂ6／λ8上記是使用各7個最大系數ａ0 ~ａ6 , ｂ0 ~ｂ6所構成的公式. “從層次低~何項止”可指定輸入.※名詞解釋插值法又稱“內插法”，是利用函數f (x)在某區間中若干點的函數值，作出適當的特定函數，在這些點上取已知值，在區間的其他點上用這特定函數的值作為函數f (x)的近似值，這種方法稱為插值法。

•工艺因素对薄膜性能的影响机理大致为：
•一. 基片材料
• 1. 膨胀系数不同热应力的主要原因;
• 2. 化学亲和力不同影响膜层附着力和牢固度;
• 3. 表面粗糙度和缺陷散射的主要来源。

•二. 基片清洁
•残留在基片表面的污物和清洁剂将导致：
• 1. 膜层对基片的附着力差;
• 2. 散射吸收增大抗激光损伤能力差;
• 3. 透光性能变差。

•三. 离子轰击的作用
•提高膜层在基片表面的凝聚系数和附着力;提高膜层的聚集密度，氧化物膜层的透过率增加，折射率提高，硬度和抗激光损伤阈值提高。

•四. 初始膜料
•化学成分(纯度/杂质种类)、物理状态(粉/块)和预处理(真空烧结/锻压)影响膜层结构和性能
•五. 蒸发方法
•不同蒸发方法提供给蒸发分子和原子的初始动能差异很大，导致膜层结构有较大差异，表现为折射率、散射、附着力有差异。

•六. 蒸发速率
•速率是动能的又一表征，它对膜层的折射率、应力、附着力有明显影响。

•七. 真空度
•对膜层聚集密度，化学成分有影响，从而使膜层的折射率、硬度，牢固性发生变化。

•八. 蒸气入射角
•影响膜层的生长结构和聚集密度。

对膜层的折射率和散射性能有较大影响。

一般应限制在30°之内。

124 第三章 光学薄膜的基本知识一个介质如果它的性质在过考察点并与某一固定方向相垂直的平面上的各个方向都一样，我们就叫它为分层介质。

图3-1就是分层介质的示意图，图中z 轴所指的就是这一固定方向。

对于图示的各层介质来说，其介电常数和磁导率εε=()z ， μμ=()z图3-1 分层介质结构本章中我们由分析最基本的单层介质膜入手，进而分析周期性的多层介质膜。

通过对多层高反膜、增透膜、干涉滤光片原理的介绍了解常见的光学薄膜的基本知识。

最后通过金属膜理论的介绍了解吸收膜的性质。

§3-1 单层介质膜在一块玻璃基底上(n 3=1.5)镀制一层厚度不到一个波长的氟化镁薄膜(n 2=1.38)，膜的上方为空气(n 11=)，这样的三层介质就构成了一个单层介质膜。

光入射至单层介质膜，在膜层中有电磁场分布，对三层介质中的场量分析是以麦克斯韦电磁理论为依据。

作为简化的处理方法，我们直接运用电磁理论的结果来讨论各个区域中的总电场和磁场以及它们的边界条件。

一、求特征矩阵的数学处理方法图3-2为一单层介质膜的示意图。

设入射的单色平面波为一线偏振光，它可以分解为电矢量垂直于入射面的TE 波和电矢量平行于入射面的TM 波。

由于E 的垂直分量和平行分量在介质突变处的边界条件是相互独立的，所以这两种波相互独立。

图3-2中只画出了TE 波，以下的讨论就是针对TE 波进行的。

至于TM 波，可以用类似的处理方法，得出相应的结果。

选取相当于图3-1中(,)x y 坐标相同的两个考察点A Ⅰ、A Ⅱ，这种选取考察点的方法以后还要推广到多层膜。

现在就用比较这些处于同一竖直轴上的点场量演化的方法来建立层与层之间电磁场的传输关系。

图3-2a 中所标的E r Ⅰ、'E r Ⅱ、E t Ⅱ等，都代表介质中该点上沿图中所标定方向传播的所有可能波的总和，由于求和的过程已经包含在内，所以不125再追究得到它们以前的详细过程。

在图3-2b 中，将A Ⅰ和A Ⅱ点相比较，对于介质Ⅱ中入射至界面Ⅱ上的平面波来说，这两点之间的相位差图3－2 （a ） 边界上的电磁场； （b ）过A Ⅰ、A Ⅱ两点等相面之间的距离为22cos θh nβπλθ=2022n h cos (3.1-1)根据电磁场理论，在两种介质的界面上电场E 和磁场H 的切向分量保持连续，具体来说在界面Ⅰ处 E E E E E i r t r ⅠⅠⅠⅠⅡ=+=+' (3.1-2) 及 H H H H H i r t r ⅠⅠⅠⅠⅡ=-=-'c o s c o s c o s c o s θθθθ1122 (3.1-3) 由非磁性介质中E 和H 的关系式H s E =⨯εμ00n (3.1-4) 式中s 为波矢k 方向上的单位矢量，n 为所讨论的介质层中的折射率。

光学薄膜基础知识光学薄膜讲解内容：①光学薄膜的理论基础及应用范围和发展前景②光学薄膜基础理论知识③镀膜制备技术④镀膜材料⑤镀膜检测光学薄膜是一门综合性非常强的工程技术科学。

它的理论基础是电磁场理论和麦克斯韦方程，涉及光在传播过程中，通过多层介质时的反射、反射各偏振性能等。

随着科学的进步和人们生活水平的不断提高，促使镀膜技术得到了非速的发展。

在许多情况下，人们关心的是材料的表面，在普通的基底材料上若镀以适当的膜，就可以获得奇迹般的效果。

膜是物质存在的一种形式。

多年来，在膜的理论、制备工艺、测试方法和应用等方面，进行了大量的研究和开发工作，已发展成为一门新兴的边缘科学——膜学。

它涉及物理学、化学、数学等基础学科和材料、等离子体、真空、测量与控制等技术领域。

它是多种学科综合的产物，同时也促进了相关学科和技术的发展。

膜学是材料中最活跃、最富成效、最有前途的一项技术。

镀膜的方法很多，分类方法也各不相同。

按膜层的形成方法分类，可以分为干式镀膜和湿式镀膜。

干式镀膜是指要真空的条件下，应用物理或化学的方法，将材料汽化成原子、分子或使成电离成离子，并通过气相过程，在基体表面沉积一层具有特殊性能的薄膜技术。

因此也有人称为气相过程或真空镀膜。

在干式镀膜中有以真空镀、溅射镀膜、离子镀为代表的物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。

湿式镀膜是指将工件置于电解质溶液中，通过化学、电化学的方法，使其表面形成镀层，所以也有人称溶液法为液相沉积法，它可以分为电镀、化学镀、化学转化膜处理几种。

镀膜技术应用广泛，如太阳能电池、太阳能集热管、集成电路、半导体器件、平板显示器、光控及节能玻璃、信息储存作用器件、敏感元件、工模具超硬涂层及手表、眼镜、卫生洁具等日用品精钸层、塑料制品金属化、包装用塑料薄膜等各个领域，在工业现代化和国民经济发展中的越来越大，在国内外生产、科研、教学领域受到普遍重视，得到了迅猛发展。

光学薄膜基础理论知识光波：紫外光、可见光、红外光。