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差之毫厘,失之千里.光学薄膜制备做为精密制造领域之一,其精密程度常常达到纳米甚至微纳级别,因此,其制备复杂程度是不言而喻的,有时候微小的失误会导致满盘皆输,为薄膜制备带来巨大困难.

光学薄膜的制备是一个复杂的过程,它是通过将大块固体材料蒸发或溅射,经过气相传输,最后在基板上凝结得到的,在其制备过程中,包括环境真空条件(真空度)、蒸发速率、基板温度等多面的工艺因素的影响,对薄膜的微观结构和化学成分与理想状况出现较大偏差,最终导致薄膜的机械性能、抗激光损伤阈值、光学性能的变化.

在众多的工艺影响因素中,影响最大且易观察的往往是薄膜的厚度均匀性,其会严重影响薄膜的物理性能,根据制备经验,薄膜的厚度不均匀会导致薄膜光谱性能产生较大偏移,比如,在增透膜的制备过程中会导致薄膜的透射率偏低,其次他还会影响薄膜的激光损伤阈值、薄膜应力等等,正如文头说到的:差之毫厘,失之千里.因此在薄膜制备设备中,往往都配有精确度极高的膜厚监控系统.

膜厚情况对薄膜性能的影响

控制基底区域内薄膜厚度的均匀性

控制每层膜的整体厚度

膜层厚度的不均匀性会导致薄膜器件的特征波长发生变化,在其他性能方面往往没有必然影响,而膜层整体误差则会导致薄膜的性能下降.

那么如何较好地控制制备过程呢,我将其总结为三方面:制备设备方面、基底准备以及监控方面.

首先,明确什么是均匀性

在薄膜制备过程中,薄膜材料需要在低压环境中蒸发,以保证蒸发物的气流中的分子沿直线传播,直到与基底表面碰撞凝结成膜,描述分子在基底表面凝结的分布离散情况称为薄膜的均匀性.

再者,怎样计算薄膜厚度

均匀性通常被运用于薄膜的厚度计算过程中,由前述可知,要想求得薄膜的厚度分布,都需要知道从蒸发源蒸发的蒸汽分子的分布.并且,在计算过程中总假定每个分子都在其碰撞凝结,尽管这种假设不完全正确,但是在进行均匀性计算在大多数情况下是足够精确的.好了,回到薄膜的计算问题,在薄膜的计算方面,Holland和Steckelmacher曾发表了一项早期的研究成果(文献名称将会在文末给出,读者可以自行查阅),同时建立了相应的理论.他们将蒸发源分为两大类:一类是蒸汽分子在空间中的均匀分布,可将其看做点源;另一类蒸汽分子的空间分布来自于面源的分布相似,强度随着所关心的方向与表面法线的夹角的余弦值而变化.通常在薄膜镀制过程中几乎所有用到的蒸发源,特别是舟形源,其产生的薄膜厚度分布与面源相近.并有如下的在空间分布上的表达式:

综上,我们已经薄膜厚度计算的理论全部介绍,尽管公式很多,但是原理其实很简答,即求得淀积薄膜的质量和密度,用质量除以密度得到薄膜的体积,再由基片的面积可知底面积,进而求得薄膜的厚度.