光学镀膜的化学工艺指的是什么？

镀膜是半导体及光学工业中最为重要的工艺之一.这里会总体归纳各类镀膜/薄膜工艺,从原理上了解这些工艺的异同.

简介

镀膜指在基材上形成从数纳米到数微米的材料层,材料可以是金属材料、半导体材料、以及氧化物氟化物等化合物材料.镀膜的工艺可以最简略的分为化学工艺及物理工艺:

化学方法

通常是液态或者气态的前体材料经过在固体表面的化学反应,沉积一层固体材料层.以下常见的镀膜工艺都是属于化学工艺:

电镀(Electroplating):利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程,是利用电解作用使金属或其它材料制件的表面附着一层金属膜的工艺图片化学溶液沉积 Chemical solution deposition (CSD):是利用一种合适的还原剂使镀液中的金属离子还原并沉积在基体表面上的化学还原过程.与电化学沉积不同,化学沉积不需要整流电源和阳极.Sol-Gel技术就是一种化学溶液沉积方法.

旋转涂覆法 Spin-coating:即在高速旋转的基片上,滴注各类胶液,利用离心力使滴在基片上的胶液均匀地涂覆在基片上,厚度视不同胶液和基片间的粘滞系数而不同,也和旋转速度及时间有关.通常也需要涂胶后的热处理来使胶状涂膜晶体化.对于高分子聚合物Polymer的薄膜涂覆比较有效,广泛应用于半导体的光感掩膜涂覆.

化学气相沉积 Chemical vapor deposition(CVD):把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体通入放置有基材的反应室,借助空间气相化学反应在基体表面上沉积固态薄膜的工艺技术.

等离子增强化学气相沉积 Plasma enhanced Chemical vapor deposition (PECVD):是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离,在局部形成等离子体,而等离子体化学活性很强,很容易发生反应,在基片上沉积出所期望的薄膜.因为利用了等离子的活性来促进化学反应,PECVD可以在较低的温度下实现.

使用机械的、机电的、热力的方法来产生形成固态薄膜.通常是物理气相沉积的方法Physical vapor deposition(PVD).以下是常见的物理镀膜工艺:

热蒸发镀膜(Thermal evaporation):将薄膜物质加热蒸发,在比蒸发温度低的基本表面上凝结成固体形成薄膜的方法.

电子束蒸发镀膜 (Electron beam evaporation)通过电子束轰击镀膜材料加热并使材料蒸发,并沉积在基板上.优点是加热集中,并能达到很高的温度来处理高熔点的材料.

离子束辅助沉积 (Ion assisted deposition IAD)类似于E-beam evaporation工艺,改善的地方是用离子束来导向及加速气化的镀膜材料,并且离子束在材料沉积的过程中帮助沉积以及使沉积膜紧密化,就像小小的锤子一样.

电阻加热蒸发镀膜(Resistive heating evaporation)通过高电流电阻加热使镀膜材料气化,不适用于高过1600度熔点的材料图片分子束外延Molecular beam epitaxy (MBE)

溅射镀膜(Sputtering):高能量的原子、分子与固体在碰撞后,原子会被赶出固体表面.这种现象称为溅射( Sputter )或者是溅镀( Sputtering ),被碰撞的固体称为靶材( Target ).通过高能量的原子、分子会反复碰撞,靶材会被加热,为了防止溶解,会从背面进行水冷.

传统溅射,通过高电压使靶材周围的氩气离子化,并通过高电位差获得加速,并轰击靶材表面,轰出表面的靶材原子积聚在基板上,形成薄膜.

射频溅射 RF sputtering,射频溅射是利用射频放电等离子体中的正离子或电子轰击靶材、溅射出靶材原子从而沉积在接地的基板表面的技术.相比传统溅射的优点是不会产生正电荷积聚,降低电位差,从而终止溅射.

离子束溅射 Ion beam sputtering (IBS),来自于独立离子q的高能量离子束轰击靶材表面,溅镀好的材料沉积在基板上.其间形成着的镀膜化学计量和靶材一模一样.

脉冲激光沉积 (Pulsed laser deposition PLD):是一种利用聚焦后高功率脉冲激光对真空中靶材进行轰击,由于激光能量极高,使靶材气化形成等离子体Plasma plume,然后气化的物质沉淀在衬底上形成薄膜.

结语

这里给出的是半导体及光学镀膜工艺的一个最广泛的分类介绍.

一、概念的区别

1、真空镀膜是指在高真空的条件下加热金属或非金属材料，使其蒸发并凝结于镀件（金属、半导体或绝缘体）表面而形成薄膜的一种方法。例如，真空镀铝、真空镀铬等。

2、光学镀膜是指在光学零件表面上镀上一层(或多层)金属(或介质)薄膜的工艺过程。在光学零件表面镀膜的目的是为了达到减少或增加光的反射、分束、分色、滤光、偏振等要求。常用的镀膜法有真空镀膜(物理镀膜的一种)和化学镀膜。

二、原理的区别

1、真空镀膜是真空应用领域的一个重要方面，它是以真空技术为基础，利用物理或化学方法，并吸收电子束、分子束、离子束、等离子束、射频和磁控等一系列新技术，为科学研究和实际生产提供薄膜制备的一种新工艺。简单地说，在真空中把金属、合金或化合物进行蒸发或溅射，使其在被涂覆的物体（称基板、基片或基体）上凝固并沉积的方法。

2、光的干涉在薄膜光学中广泛应用。光学薄膜技术的普遍方法是借助真空溅射的方式在玻璃基板上涂镀薄膜，一般用来控制基板对入射光束的反射率和透过率，以满足不同的需要。为了消除光学零件表面的反射损失，提高成像质量，涂镀一层或多层透明介质膜，称为增透膜或减反射膜。

随着激光技术的发展，对膜层的反射率和透过率有不同的要求，促进了多层高反射膜和宽带增透膜的发展。为各种应用需要，利用高反射膜制造偏振反光膜、彩色分光膜、冷光膜和干涉滤光片等。光学零件表面镀膜后，光在膜层层上多次反射和透射，形成多光束干涉，控制膜层的折射率和厚度，可以得到不同的强度分布，这是干涉镀膜的基本原理。

三、方法和材料的区别

1、真空镀膜的方法材料：

(1)真空蒸镀：将需镀膜的基体清洗后放到镀膜室，抽空后将膜料加热到高温，使蒸气达到约13.3Pa而使蒸气分子飞到基体表面，凝结而成薄膜。

(2)阴极溅射镀：将需镀膜的基体放在阴极对面，把惰性气体(如氩)通入已抽空的室内，保持压强约1.33～13.3Pa，然后将阴极接上2000V的直流电源，便激发辉光放电，带正电的氩离子撞击阴极，使其射出原子，溅射出的原子通过惰性气氛沉积到基体上形成膜。

(3)化学气相沉积：通过热分解所选定的金属化合物或有机化合物，获得沉积薄膜的过程。

(4)离子镀：实质上离子镀系真空蒸镀和阴极溅射镀的有机结合，兼有两者的工艺特点。表6-9列出了各种镀膜方法的优缺点。

2、光学镀膜方法材料

(1)氟化镁：无色四方晶系粉末，纯度高，用其制备光学镀膜可提高透过率，不出崩点。

(2)二氧化硅：无色透明晶体，熔点高，硬度大，化学稳定性好。纯度高，用其制备高质量Si02镀膜，蒸发状态好，不出现崩点。按使用要求分为紫外、红外及可见光用。

(3)氧化锆：白色重质结晶态，具有高的折射率和耐高温性能，化学性质稳定，纯度高，用其制备高质量氧化锆镀膜，不出崩点。

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