镀膜产品常见不良分析

第1页共25页镀膜产品常见不良分析、改善对策（供参考）邢德华2005年8月（这是本人个人工作的一些经验、教训总结和理解，不一定准确，供参考，并请探讨指教，以求更有实际指导意义）镀膜产品的不良，部分是镀膜工序的本身造成的，部分是前工程遗留的不良，镀膜最终的品质是整个光学零件加工的（特别是抛光、清洗）的综合反映，对策镀膜不良时必须综合考虑，才能真正找到不良产生的原因，对策改善才能取得成效。一、膜强度膜强度是镜片镀膜的一项重要指标，也是镀膜工序最常见的不良项。膜强度的不良（膜弱）主要表现为：①擦拭或用专用胶带拉撕，产生成片脱落；②擦拭或用专用胶带拉撕，产生点状脱落；③水煮15分钟后用专用胶带拉撕产生点状或片状脱落；④用专用橡皮头、1Kg力摩擦40次，有道子产生；⑤膜层擦拭或未擦拭出现龟裂纹、网状细道子。改善思路：基片与膜层的结合是首要考虑的，其次是膜表面硬度光滑度以及膜应力。膜强度不良的产生原因及对策：①基片与膜层的结合。一般情况，在减反膜中，这是膜弱的主要原因。由于基片表面在第2页共25页光学冷加工及清洗过程中不可避免地会有一些有害杂质附着在表面上，而基片的表面由于光学冷加工的作用，总有一些破坏层，深入在破坏层的杂质（如水汽、油汽、清洗液、擦拭液、抛光粉等，其中水汽为主要），很难以用一般的方法去除干净，特别对于亲水性好，吸附力强的基片尤其如此。当膜料分子堆积在这些杂质上时，就影响了膜层的附着，也就影响了膜强度。此外，如果基片的亲水性差、吸附力差，对膜层的吸附也差，同样会影响膜强度。硝材化学稳定性差，基片在前加工过程中流转过程中，表面已经受到腐蚀，形成了腐蚀层或水解层（也许是局部的、极薄的）。膜层镀在腐蚀层或水解层上其吸附就差，膜牢固度不良。基片表面有脏污、油斑、灰点、口水点等，局部膜层附着不良，造成局部膜牢固度不良。改善对策：㈠加强去油去污处理，如果是超声波清洗，应重点考虑去油功能，并保证去油溶液的有效性；如若是手擦，可考虑先用碳酸钙粉擦拭后再清擦。㈡加强镀前烘烤，条件许可，基片温度能达到300℃以上更好，恒温20分钟以上，尽可能使基片表面的水汽、油汽挥发。*注意：温度较高，基片吸附能力加大，也容易吸附灰尘。所以，真空室的洁净度要提高。否则基片在镀前就有灰尘附着，除产生其它不良外，对膜强度也有影响。（真空中基片上水汽的化学解吸温度第3页共25页在260℃以上）。但不是所有的零件都需要高温烘烤，有的硝材温度高了反而膜强度不高还会有色斑产生。这与应力以及材料热匹配有较大的关系。㈢有条件时，机组安装冷凝机（PLOYCOLD），除提高机组真空抽速外，还可以帮助基片水汽、油气去除。㈣提高蒸镀真空度，对于1米以上的镀膜机，蒸镀启动真空应高于3*10-3Pa，镀膜机越大，蒸镀启动真空更高。㈤有条件时，机组安装离子源，镀前轰击，清洁基片表面，镀膜过程辅助，有利于膜层的密实牢固。㈥膜料的去潮，将待用膜料用培养皿盛放在真空室干燥。㈦保持工作环境的干燥（包括镜片擦拭、上伞工作区），清洁工作环境时不能带入过多的水汽。㈧对于多层膜，在膜系设计时，就要考虑第一层膜与基片的匹配，尽可能考虑用Al2O3膜料，该膜料对大部分基片有较好的吸附力。对于金属膜，也可考虑第一层镀Cr或Cr合金。Cr或Cr合金对基片也有较好的吸附力。㈨采取研磨液（抛光液）复新去除镜片表面的腐蚀层（水解层）㈩有时候适当降低蒸发速率对膜强度的提高有帮助，对提高膜表面的光滑度有积极意义。②膜层应力：薄膜的成膜过程，是一个物质形态的转变过程，不可避免地在成膜后的膜层中会有应力存在，对于多层膜来说有不同膜料的组合，第4页共25页各膜层体现出的应力是有所不同的，有的是张应力、有的是压应力，还有膜层及基片的热应力。应力的存在对膜强度是有害的，轻者是膜层耐不住摩擦，重者，造成膜层的龟裂或网状细道子。对于减反膜，由于层数不多，应力一般体现不明显，（但有些硝材的镜片即便是减反膜也有应力问题存在。）而层数较多的高反膜、滤光膜，应力是一个常见的不良因素，应特别注意。改善对策：㈠镀后烘烤，最后一层膜镀完后，烘烤不要马上停止，延续10分钟“回火”。让膜层结构趋于稳定。㈠降温时间适当延长，退火时效。减少由于真空室内外温差过大带来的热应力。㈡对高反膜、滤光膜等在蒸镀过程中，基片温度不宜过高，高温易产生热应力。并且对氧化钛、氧化钽等膜料的光学稳定性有负面作用。㈢镀膜过程离子辅助，减少应力。㈣选择合适的膜系匹配，第一层膜料与基片的匹配。（如五层减反膜采用Al2O3-ZrO2-Al2O3-Al2O3-ZrO2-MgF2；ZrO2也可以采用SV-5（一种ZrO2TiO2混和膜料）或其他混合高折射率膜料。。㈤适当减小蒸发速率（Al2O3-2.5A/S;ZrO2-3A/S;MgF2-6A/S参考速率）㈥对氧化物膜料全部充氧反应镀，根据不同膜料控制氧进气量。第5页共25页③外层膜表面硬度：减反膜一般外层选用MgF2，该膜层剖面是较松散的柱状结构，表面硬度不高，容易擦拭出道子。改善对策：㈠膜系设计允许时，外层加10nm左右的SiO2层，二氧化硅的表面光滑度优于氟化镁（但二氧化硅表面耐磨度、硬度不如氟化镁）。镀后离子轰击几分钟，牢固度效果会更好。（但表面会变粗）㈡镜片出真空室后，放置在较干燥洁净的地方，防治快速吸潮，表面硬度降低。④其它造成膜强度不良的原因还有，真空度过低（在手动控制的机台容易发生）、真空室脏、基片加热不到位。辅助气体充入时，膜料也在放气致使真空度降低，使分子自由程减少，膜层不牢。所以辅助气体的充入要考虑膜料的放气，镀前对膜料充分预熔充分放气，也可以避免由于蒸镀中膜料放气造成真空度过度下降，从而影响膜强度。⑤脱膜这里的脱膜虽然也是膜弱的一种，但与前述的脱膜有一些区别，主要特征为：点状脱膜、边缘脱膜、局部脱膜。主要原因使膜内有脏或污染物所造成的。改善方法：提高基片的洁净度。二、膜料点第6页共25页膜料点不良也是镀膜产品的一个常见问题，在日企、台企把膜料点称为“斑孔”顾名思义，膜料点就是蒸镀中，大颗粒膜料点随着膜料蒸汽分子一起蒸镀到了基片的表面，在基片表面形成点状的突起，有时是个别点，严重时是成片的细点，大颗粒点甚至可以打伤基片表面。各种膜料的蒸发特性是不一样的，特别是熔点温度和蒸发温度有很大差异熔点温度大于蒸发温度的材料，由固态直接气化蒸发，是升华材料；熔点温度小于蒸发温度的材料，由固态先化成液态尔后在转换成气态蒸发，是非升华材料；熔点温度与蒸发温度相当的材料，由固态到气态蒸发，边融化边蒸发。是半升华材料。其中非升华材料最容易产生膜料点，因为液态的膜料继续加热会沸腾，沸腾中膜料中的气泡溢出，飞溅膜料点的可能性加大。有时在材料预熔时就有很大的飞溅。膜料受潮，预熔或蒸镀时水汽逸出，也会造成飞溅产生。下表是几种常用膜料的升华特性材料名称熔点温度蒸发温度飞溅可能备注ZnS19001100极小SiO217001600很小Al2O320202100小第7页共25页ZrO227152700小TiO218502000大Ta2O518002100较大MgF212661540大膜料不纯、膜料参杂，即膜料中有了熔点温度、蒸发温度不一致的材料，这也是膜料点产生的原因。改善思路：选用好的膜料、充分预溶、控制速率。改善对策：㈠选择杂质少的膜料㈡对易飞溅的膜料选择颗粒合适的膜料㈢膜料在镀前用网筛筛一下㈣精心预熔，MgF2务必熔透一次蒸镀所需膜料，而Ta2O5和TiO2必须彻底熔透。㈤用一把电子枪镀制几种膜料时，防治坩埚转动中膜料参杂及挡板掉下膜料渣造成膜料污染。一旦发现坩埚膜料有污染，应立即更换。㈥尽最大可能使蒸发舟、坩埚干净。（勤打扫）。㈦选择合适的蒸发速率及速率曲线的平滑。特别是非升华材料，蒸发速率不宜高。㈧膜料去潮，将待用膜料用培养皿盛放在真空室干燥注意：有时膜层内有一些细小的点子，有可能不是膜料点，而是灰尘点，处理的方法与膜料点不良是不同的，应严格区分，第8页共25页分别处理。三、膜色差异膜色差异有二种（不包含色斑），一种是整罩上、中、下膜色不一致，即分光测试曲线有差异；二是单片膜色不一致。1．上中下膜色不一致称为整伞（罩）均匀性不好，也称有伞差。主要产生原因是均匀性修正板（补正板）有问题。2．伞片变形。也是膜色不匀的原因之一，特别是使用了较久的伞片，以往是均匀的，慢慢变得不均匀了，伞片变形就可能是主要原因了。3．膜料状况的不一致，特别是升华和半升华膜料被打偏，挖坑等也会严重影响整罩和单片的均匀性。特别是有大量手工预熔时，各人的操作手法不一，得到的料况也会不一。改善思路：充分采用修正板的功能。改善对策：㈠调整修正板，尽量考虑高低折射率膜料的平衡兼容，如果有二个蒸发源，可能的条件下，独立使用各自的修正板，避免干扰。㈡条件许可，采用行星夹具。㈢伞片整形，对伞片整形可以先加工一个R基模（选择强度较高的原材料），在基模上对伞片整形。为防止减少伞片变形，在伞片订购时对伞片的厚度、原材料选择要合适。㈣加强伞片管理，特别是摆放时的管理，防止因摆放不当而变形。㈤改善膜料状况，特别是电子枪蒸镀升华、半升华材料时，不能把第9页共25页膜料打塌，挖坑。㈥能够自动预熔的膜料，尽量自动预熔，减少人为因素影响。▲修正板对物理膜厚的修正很有效，但对折射率的修正是力不从心的，所以完全靠修正板解决分光均匀性，是很困难的。▲如果一个修正板要对应二把电子枪（蒸发源）、以及多种膜料，就会有较大的困难。对于单片膜色不均匀产生的原因：主要是由于基片凹凸严重，与伞片曲率差异较大，基片上部、或下部法线与蒸发源构成的蒸发角差异较大。造成一片镜片上各部位接受膜料的条件差异大，形成的膜厚差异大。另外镜片被镜圈（碟片）边缘部遮挡、镜圈（碟片）脏在蒸镀时污染镜片等等也会造成膜色差异问题。改善思路：改善镜片边缘的蒸发角。改善对策：㈠条件许可，用行星夹具；㈡选用伞片平坦（R大）的机台；㈢根据伞片孔位分布，基片形状，制作专门的锯齿形修正板。㈣如果有可能，把蒸发源往真空室中间移动，也可改善单片的膜色均匀性。㈤改善镜圈（碟片），防止遮挡。㈥注意旋转伞架的相应部位对边缘镜片的部分遮挡㈦清洁镜圈（碟片）第10页共25页㈧改善膜料蒸发状况。四、膜脏（也称白压克）顾名思义，膜层有脏。一般的膜脏发生在膜内或膜外。脏可以包括：灰尘点、白雾、油斑、指纹印、口水点等。（灰尘点和白雾单列）改善思路：检讨过程，杜绝脏污染。改善对策：㈠送交洗净或擦拭的镜片不要有过多的不良附着物；㈡加强镀前镜片的洗净率或擦净率；㈢改善上伞后待镀镜片的摆放环境，防治污染；㈣养成上伞作业员的良好习惯，防治镜片污染（指纹印、口水点及其它）；㈦加快真空室护板更换周期；㈧充气管道清洁，防治气体充入时污染；㈨初始排气防涡流（湍流），初始充气防过冲；㈩镜片摆放环境和搬运过程中避免油污、水汽（磨边、超声波清洗）污染。11工作环境改造成洁净车间12将镀膜机作业面板和主机隔开，减少主机产生的有害物质污染镜片。四/1、灰点脏现象：镜片膜层表面或内部有一些点子（不是膜料点）有些可以擦除，有的不能擦除。并且会有点状脱膜产生。第11页共25页产生原因：1、真空室脏，在开始抽真空时的空气涡流将真空室底板、护板的脏灰带到镜片上，形成灰点层。（膜内，不能擦除，会有点状脱膜）2、镜圈或碟片脏，有浮点灰尘，在离子束作用下附着到了镜片上形成灰点层。（膜内，不能擦除，会有点状脱膜）3、镜片上伞时就有灰尘点，上伞时没有检查挑选。（膜内，不能擦除，会有点状脱膜）4、镀制完成后的环境污染是膜外灰点的主要成因，特别是当镜片热的时候，更容易吸附灰尘，而且难以擦除。（膜外）1、真空室充气口环境脏、开始充气量过大、充气过滤器脏，充气时镜片温度过高也是造成镜片膜外灰尘点不良的原因。（膜外）2、作业员人为带来的灰尘污染（膜内膜外）3、工作环境中灰尘过多改善思路：杜绝灰尘源改善对策：1．工作环境改造洁净车间，严格按洁净车间规范实施。2．尽可能做好环境卫生。尽量利用洁净工作台。3．真空室周期打扫，保持清洁。四/2、膜外白雾现象：镀膜完成后，表面有一些淡淡的白雾，用丙酮或混合液擦拭，会有越擦越严重的