真空鍍膜機 真空鍍膜設備工藝與鍍膜系統配置
我們認為：既然鍍膜設備是為鍍膜生產服務的，那么我們設計制造的鍍膜系統就必須適應用戶的生產工藝，而不是讓用戶改變生產工藝來適應我們的鍍膜機。------弗蘭克澤蒙
在過去的15-20年中, 光學薄膜鍍制設備出現了令人矚目的變化。以前，一般的鍍膜機都是純人工操作，最先進的也只是半自動控制, 都必須依*高水平的操作人員來保證鍍膜產品的一致性。而現在，高質量的光學鍍膜機已經是一個集成了系列智能化模塊（子系統）的全自動系統。這些智能模塊（子系統）通常在多個微處理器的指令下結成局域網（LAN）, 而局域網又可并入整個工廠的自控系統。
用戶經驗的不斷增加使他們對設備性能的要求也越來越苛刻，以至于我們現在不難發現用戶在購買鍍膜機的同時，還要求廠家提供相關工藝技術。本文探討的是當今光學鍍膜系統中可采用的子系統及部件，以及鍍膜工藝在部件選擇和真空室配置等方面所起的決定性作用。 盡管其他技術日漸流行, 但鑒于物理蒸鍍依然是目前適用性最強、應用最廣泛的手段，因此本文中的討論只涉及物理蒸鍍技術。
I. 概述
長期以來, 人們主要來鍍制用于精密光學和眼視光學的電介質薄膜。為加快基片的預清潔和薄膜生長過程中的改性，全世界數以千計的鍍膜系統都采用電阻式熱蒸發源和電子束蒸發源。一些系統還同時采用頗具動能的離子源，與前兩者搭配使用。雖然用磁控濺射法鍍制電介質薄膜在某些專業領域非常成功, 但由于生產成本居高不下，而且只能滿足相對簡單的工藝要求（濺射薄膜中的壓力控制是過程限制參數），使得它的應用范圍較窄，僅限于像建筑玻璃鍍膜那樣的高產量行業。同樣，二次離子束濺射法的應用也僅限于那些要求沉積率越低越好的工藝如：環形激光回轉儀，波長多路分配（WDM）濾波器。眾所周知，多數的光器件的表面都是彎曲不平的，而蒸發所需的長距離同時有利于曲面鍍膜的均勻。結合高沉積率，現代控制與自動化技術（尤其是石英晶體沉積速率控制器和實時光學監控），蒸發系統為多種光學薄膜的鍍制提供了切實可行的解決方案。
無論是規格尺寸還是工作性能，制造現代化蒸發鍍膜系統所需部件和模塊（子系統）的可選性都是有限的。基本上我們可以將自動化、機械和控制三大部分地制造成本視為整個系統的固定成本，這是因為：1）這三部分的成本為系統成本的主要構成來源；2）而且不管系統大小，這三部分的成本基本不變。以上兩個因素導致了系統制造成本與系統產能的反比關系。一般來講，現代化蒸發系統的產能與制造成本呈幾何量級的比例關系。
盡管鍍膜系統制造廠家對此觀點倍感欣慰，但如果從另一面來思考一下，我們就會發現一個同樣顯著的經濟問題：即當價格降低時，系統產能發生大幅度下降，以至于系統的規格明顯地小于最低標準尺寸（圖1）。目前，一臺內容積175L以上, 大抽速（空氣抽速>1500升/秒），具有離子束輔助沉積功能（IBAD）的現代化鍍膜設備的價值約為25萬美金。估計近期很難出現重大技術突破來大幅度降低現有成本。在過去幾年中，越來越多的用戶要求鍍膜系統制造廠家提供高性能的小規格、簡便型光學鍍膜系統，同時，用戶對性能的要求不僅沒有降低，反而有所提高，特別是在薄膜密度和保證吸水后光譜變化最小化等方面。現在，系統的平均尺寸規格已經在降低，而應用小規格設備進行光學鍍膜的生產也已經轉變成為純技術問題。因此，選用現代化光學鍍膜系統的關鍵取決于對以下因素的認真考慮：即，對鍍膜產品的預期性能，基片的尺寸大小和物理特性以及保證高度一致性工藝所必需的所有技術因素。
II．光學性能 －公差三角形
證鍍膜產品的一致性，我們在開發鍍膜系統時一定要確保系統的各個方面相互匹配，這不僅包括設計、工藝和機械、預期的性能指標，還要考慮制造過程中出現的可預見誤差。我們認為：既然鍍膜設備是為鍍膜生產服務的，那么我們設計制造的鍍膜系統就必須適應用戶的生產工藝，而不是讓用戶改變生產工藝來適應我們的鍍膜機。但遺憾的是，現在使用的許多鍍膜系統都是后一種情況，例如，有些生產線上正在使用的是為其它應用而設計的鍍膜機，甚至有些時候是廠家先制造出鍍膜機然后再去尋找應用客戶。不管是何種情況，這樣制造出的鍍膜機都可能無法完全達到預期的功效，因而很難取得滿意的結果。涉及到真空室的選擇和確定，我們認為有以下三個方面需要考慮，而這些問題又都是與系統的制造公差有關。
輸入 - 設計
鍍膜機的設計如同一道菜譜，它規定出了膜層結構、厚度和折射率等指標。如果將以上設計指標嚴格復制到工藝/設備中，那么標準的輸出結果就會達到預期的性能要求。
工藝 - 設備
在我們看來，工藝和設備也可以統稱為按照設計輸入實施標準輸出功能的一個黑匣子。實際上，工藝包括設備硬件，控制軟件和一組使機器實現設計要求的指令。在工藝/設備中存在著許多變量，而其中有些不可能被完全控制。這些不可完全控制的變量提高了系統的制造公差，降低了控制膜層厚度的能力，造成標準輸出相對于設計的偏差。
輸出 - 標準性能
歸根到底標準性能輸出才是真正最重要的。為了保證工藝的持久力，標準輸出應在大多數時間內達到預期效果，即滿足用戶對薄膜光學性能和耐久性的具體要求。我們必須認識到以上三個因素是相互依存的，孤立地看待其中任何一個方面都是不對的，這一點非常重要。如果一個系統的設計和工藝/設備配合良好，那么不管制造公差如何，它都應該總是達到預期性能。然而，如果三個因素中的任何一方發生變化，就必須同時考慮調整其他另兩個因素來保證整個系統的協調。例如，對系統工藝的升級會產生制造公差，而且系統越大產生的制造公差也就越大，這就需要改進設計或降低預期性能指標。又比如，用戶想提高預期產品性能而只是簡單地改進了設計，從表面上看用戶的目的好像已經達到了，但如果新的設計對膜的厚度很敏感，除非改變工藝來降低制造公差，否則產品不太可能長期達到新設的產品性能要求。
我們在評估工藝公差時必須考慮如下一些因素：
厚度監控： 設計中每一層膜厚的精度都受到控制儀器本身精度的限制，一般我們講的控制儀器是石英晶體微量天平（QCM）或光學監控儀，或兩者同時使用。石英晶體微量天平的精確度大約是2%，而一個設計良好的光學監控儀，精度能達到千分量級。 54=, Z.
膜厚的不均勻性：無論監控儀精度怎樣，它也只能控制真空室里單點位置的膜厚，一般來講是工件架的中間位置。如果此位置的膜厚不是絕對均勻的，那么遠離中心位置的基片就無法得到均勻的厚度。雖然屏蔽罩能消除表現為長期的不均勻性，但有些膜厚度的變化是由蒸發源的不穩定或膜材的不同表現而引起的，所以幾乎是不可能消除的，但對真空室的結構和蒸發源的恰當選擇可以使這些影響最小化。
時間變量：真空室里的沉積條件隨著時間發生改變是常見的現象。在一輪運行過中，蒸發源的特性會隨著膜材的消耗而改變，尤其是設計中涉及多層鍍膜時，如果工藝過程需持續數個小時，真空室的熱梯度也會上升。同時，當真空室內壁發生沉積變臟時，不同輪次的工效逐漸產生差異。這些因素雖然是漸進的并可以進行補償，但依然應該將其視為系統公差的一部分。
濕度轉換：薄膜一般多孔，使得它們的屬性在諸多方面低于塊狀材料。其中一點就是在潮濕條件下，薄膜的微觀空間充滿水蒸汽，而在相對濕度降低時變干。水分的存在與否改變了
關鍵詞：真空鍍膜機
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