真空鍍膜機(jī) 真空鍍膜設(shè)備工藝與鍍膜系統(tǒng)配置
我們認(rèn)為：既然鍍膜設(shè)備是為鍍膜生產(chǎn)服務(wù)的，那么我們設(shè)計(jì)制造的鍍膜系統(tǒng)就必須適應(yīng)用戶的生產(chǎn)工藝，而不是讓用戶改變生產(chǎn)工藝來適應(yīng)我們的鍍膜機(jī)。------弗蘭克澤蒙
在過去的15-20年中, 光學(xué)薄膜鍍制設(shè)備出現(xiàn)了令人矚目的變化。以前，一般的鍍膜機(jī)都是純?nèi)斯げ僮鳎钕冗M(jìn)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(chǎn)品的一致性。而現(xiàn)在，高質(zhì)量的光學(xué)鍍膜機(jī)已經(jīng)是一個集成了系列智能化模塊（子系統(tǒng)）的全自動系統(tǒng)。這些智能模塊（子系統(tǒng)）通常在多個微處理器的指令下結(jié)成局域網(wǎng)（LAN）, 而局域網(wǎng)又可并入整個工廠的自控系統(tǒng)。
用戶經(jīng)驗(yàn)的不斷增加使他們對設(shè)備性能的要求也越來越苛刻，以至于我們現(xiàn)在不難發(fā)現(xiàn)用戶在購買鍍膜機(jī)的同時，還要求廠家提供相關(guān)工藝技術(shù)。本文探討的是當(dāng)今光學(xué)鍍膜系統(tǒng)中可采用的子系統(tǒng)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(shù)日漸流行, 但鑒于物理蒸鍍依然是目前適用性最強(qiáng)、應(yīng)用最廣泛的手段，因此本文中的討論只涉及物理蒸鍍技術(shù)。
I. 概述
長期以來, 人們主要來鍍制用于精密光學(xué)和眼視光學(xué)的電介質(zhì)薄膜。為加快基片的預(yù)清潔和薄膜生長過程中的改性，全世界數(shù)以千計(jì)的鍍膜系統(tǒng)都采用電阻式熱蒸發(fā)源和電子束蒸發(fā)源。一些系統(tǒng)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(zhì)薄膜在某些專業(yè)領(lǐng)域非常成功, 但由于生產(chǎn)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(shù)），使得它的應(yīng)用范圍較窄，僅限于像建筑玻璃鍍膜那樣的高產(chǎn)量行業(yè)。同樣，二次離子束濺射法的應(yīng)用也僅限于那些要求沉積率越低越好的工藝如：環(huán)形激光回轉(zhuǎn)儀，波長多路分配（WDM）濾波器。眾所周知，多數(shù)的光器件的表面都是彎曲不平的，而蒸發(fā)所需的長距離同時有利于曲面鍍膜的均勻。結(jié)合高沉積率，現(xiàn)代控制與自動化技術(shù)（尤其是石英晶體沉積速率控制器和實(shí)時光學(xué)監(jiān)控），蒸發(fā)系統(tǒng)為多種光學(xué)薄膜的鍍制提供了切實(shí)可行的解決方案。
無論是規(guī)格尺寸還是工作性能，制造現(xiàn)代化蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)所需部件和模塊（子系統(tǒng)）的可選性都是有限的?；旧衔覀兛梢詫⒆詣踊?、機(jī)械和控制三大部分地制造成本視為整個系統(tǒng)的固定成本，這是因?yàn)椋?）這三部分的成本為系統(tǒng)成本的主要構(gòu)成來源；2）而且不管系統(tǒng)大小，這三部分的成本基本不變。以上兩個因素導(dǎo)致了系統(tǒng)制造成本與系統(tǒng)產(chǎn)能的反比關(guān)系。一般來講，現(xiàn)代化蒸發(fā)系統(tǒng)的產(chǎn)能與制造成本呈幾何量級的比例關(guān)系。
盡管鍍膜系統(tǒng)制造廠家對此觀點(diǎn)倍感欣慰，但如果從另一面來思考一下，我們就會發(fā)現(xiàn)一個同樣顯著的經(jīng)濟(jì)問題：即當(dāng)價格降低時，系統(tǒng)產(chǎn)能發(fā)生大幅度下降，以至于系統(tǒng)的規(guī)格明顯地小于最低標(biāo)準(zhǔn)尺寸（圖1）。目前，一臺內(nèi)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(xiàn)代化鍍膜設(shè)備的價值約為25萬美金。估計(jì)近期很難出現(xiàn)重大技術(shù)突破來大幅度降低現(xiàn)有成本。在過去幾年中，越來越多的用戶要求鍍膜系統(tǒng)制造廠家提供高性能的小規(guī)格、簡便型光學(xué)鍍膜系統(tǒng)，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(xiàn)在，系統(tǒng)的平均尺寸規(guī)格已經(jīng)在降低，而應(yīng)用小規(guī)格設(shè)備進(jìn)行光學(xué)鍍膜的生產(chǎn)也已經(jīng)轉(zhuǎn)變成為純技術(shù)問題。因此，選用現(xiàn)代化光學(xué)鍍膜系統(tǒng)的關(guān)鍵取決于對以下因素的認(rèn)真考慮：即，對鍍膜產(chǎn)品的預(yù)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(shù)因素。
II．光學(xué)性能 －公差三角形
證鍍膜產(chǎn)品的一致性，我們在開發(fā)鍍膜系統(tǒng)時一定要確保系統(tǒng)的各個方面相互匹配，這不僅包括設(shè)計(jì)、工藝和機(jī)械、預(yù)期的性能指標(biāo)，還要考慮制造過程中出現(xiàn)的可預(yù)見誤差。我們認(rèn)為：既然鍍膜設(shè)備是為鍍膜生產(chǎn)服務(wù)的，那么我們設(shè)計(jì)制造的鍍膜系統(tǒng)就必須適應(yīng)用戶的生產(chǎn)工藝，而不是讓用戶改變生產(chǎn)工藝來適應(yīng)我們的鍍膜機(jī)。但遺憾的是，現(xiàn)在使用的許多鍍膜系統(tǒng)都是后一種情況，例如，有些生產(chǎn)線上正在使用的是為其它應(yīng)用而設(shè)計(jì)的鍍膜機(jī)，甚至有些時候是廠家先制造出鍍膜機(jī)然后再去尋找應(yīng)用客戶。不管是何種情況，這樣制造出的鍍膜機(jī)都可能無法完全達(dá)到預(yù)期的功效，因而很難取得滿意的結(jié)果。涉及到真空室的選擇和確定，我們認(rèn)為有以下三個方面需要考慮，而這些問題又都是與系統(tǒng)的制造公差有關(guān)。
輸入 - 設(shè)計(jì)
鍍膜機(jī)的設(shè)計(jì)如同一道菜譜，它規(guī)定出了膜層結(jié)構(gòu)、厚度和折射率等指標(biāo)。如果將以上設(shè)計(jì)指標(biāo)嚴(yán)格復(fù)制到工藝/設(shè)備中，那么標(biāo)準(zhǔn)的輸出結(jié)果就會達(dá)到預(yù)期的性能要求。
工藝 - 設(shè)備
在我們看來，工藝和設(shè)備也可以統(tǒng)稱為按照設(shè)計(jì)輸入實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)輸出功能的一個黑匣子。實(shí)際上，工藝包括設(shè)備硬件，控制軟件和一組使機(jī)器實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的指令。在工藝/設(shè)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(tǒng)的制造公差，降低了控制膜層厚度的能力，造成標(biāo)準(zhǔn)輸出相對于設(shè)計(jì)的偏差。
輸出 - 標(biāo)準(zhǔn)性能
歸根到底標(biāo)準(zhǔn)性能輸出才是真正最重要的。為了保證工藝的持久力，標(biāo)準(zhǔn)輸出應(yīng)在大多數(shù)時間內(nèi)達(dá)到預(yù)期效果，即滿足用戶對薄膜光學(xué)性能和耐久性的具體要求。我們必須認(rèn)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(diǎn)非常重要。如果一個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工藝/設(shè)備配合良好，那么不管制造公差如何，它都應(yīng)該總是達(dá)到預(yù)期性能。然而，如果三個因素中的任何一方發(fā)生變化，就必須同時考慮調(diào)整其他另兩個因素來保證整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。例如，對系統(tǒng)工藝的升級會產(chǎn)生制造公差，而且系統(tǒng)越大產(chǎn)生的制造公差也就越大，這就需要改進(jìn)設(shè)計(jì)或降低預(yù)期性能指標(biāo)。又比如，用戶想提高預(yù)期產(chǎn)品性能而只是簡單地改進(jìn)了設(shè)計(jì)，從表面上看用戶的目的好像已經(jīng)達(dá)到了，但如果新的設(shè)計(jì)對膜的厚度很敏感，除非改變工藝來降低制造公差，否則產(chǎn)品不太可能長期達(dá)到新設(shè)的產(chǎn)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(jiān)控： 設(shè)計(jì)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(xué)監(jiān)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(shè)計(jì)良好的光學(xué)監(jiān)控儀，精度能達(dá)到千分量級。 54=, Z.
膜厚的不均勻性：無論監(jiān)控儀精度怎樣，它也只能控制真空室里單點(diǎn)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(yuǎn)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(xiàn)為長期的不均勻性，但有些膜厚度的變化是由蒸發(fā)源的不穩(wěn)定或膜材的不同表現(xiàn)而引起的，所以幾乎是不可能消除的，但對真空室的結(jié)構(gòu)和蒸發(fā)源的恰當(dāng)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(fā)生改變是常見的現(xiàn)象。在一輪運(yùn)行過中，蒸發(fā)源的特性會隨著膜材的消耗而改變，尤其是設(shè)計(jì)中涉及多層鍍膜時，如果工藝過程需持續(xù)數(shù)個小時，真空室的熱梯度也會上升。同時，當(dāng)真空室內(nèi)壁發(fā)生沉積變臟時，不同輪次的工效逐漸產(chǎn)生差異。這些因素雖然是漸進(jìn)的并可以進(jìn)行補(bǔ)償，但依然應(yīng)該將其視為系統(tǒng)公差的一部分。
濕度轉(zhuǎn)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(diǎn)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(guān)鍵詞：真空鍍膜機(jī)
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