几种膜系的理论及应用研究要点

武 汉 职 业 技 术 学 院

毕业论文

几种膜系的理论及应用研究

系别:光电子技术系 班级:光电 11303 作者:韩炜 指导教师:张雅娟

2014年 02月22 日

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摘 要

镀膜是将光学薄膜沉积在光学零件表面的制造过程。光学薄膜应用于各种反射和透射光学元件，薄膜技术是光学技术的一个重要组成部分。镀膜技术涉及到光电技术、计算机、真空技术、材料科学、自动控制技术等领域。本文阐述了几种常见镀膜工艺的特点，进行工艺比较，结合当前的实际应用对镀膜的应用做了一定的归纳和总结，对未来镀膜工艺进行展望。着重介绍了ITO膜和PI膜

关键词：镀膜 薄膜 ITO膜 PI膜

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目录

摘要...............................................................错误！未定义书签。

1 绪言.............................................................1 1．1镀膜意义.....................................................1 1．2光学薄膜.....................................................1 2 镀膜技术.........................................................2 2.1常用的镀膜工艺................................................2 2.2三种镀膜工艺比较..............................................3 2.3三种镀膜工艺的应用............................................3 3 光学薄膜分类.....................................................5 3.1减反射膜......................................................5 3.2反射膜........................................................6 3.3干涉滤光片....................................................7 3.4分光膜........................................................7 4 ITO薄膜.........................................................8 4.1ITO薄膜基本性能...............................................8 4.2 ITO薄膜在国内的发展.........................................11 5 聚酰亚胺薄膜（PI膜）...........................................12 5.1聚酰亚胺薄膜（PI膜）特性.....................................12 5.2聚酰亚胺优点.................................................13 5.3 PI膜未来发展................................................13 6 光学镀膜的应用前景..............................................14 6.1 光学镀膜在光学上的应用......................................14 6.2 光学镀膜在电子电路上的应用..................................14 6.3 光学镀膜在机械工业的应用....................................14 6.4光学镀膜在生活中的应用.......................................15 6.5 前景展望....................................................15 参考文献..........................................................16

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1 绪言

1.1镀膜意义

镀膜在利用某些薄膜材料的红外线反射性能的同时，也利用了薄膜在可见光谱范围的干涉效应，通过对薄膜厚度的调整，既达到热反射功能，又可形成所需的反射颜色效果。

镀膜是用物理或化学的方法在材料表面镀上一层透明的电解质膜，或镀一层金属膜，目的是改变材料表面的反射和透射特性。

在可见光和红外线波段范围内，大多数金属的反射率都可达到78%~98%，但不可高于98%。无论是对于CO2激光，采用铜、钼、硅、锗等来制作反射镜，采用锗、砷化镓、硒化锌作为输出窗口和透射光学元件材料，还是对于YAG激光采用普通光学玻璃作为反射镜、输出镜和透射光学元件材料，都不能达到全反射镜的99%以上要求。不同应用时输出镜有不同透过率的要求，因此必须采用光学镀膜方法。

对于CO2激光灯中红外线波段，常用的镀膜材料有氟化钇、氟化镨、锗等；对于YAG激光灯近红外波段或可见光波段，常用的镀膜材料有硫化锌、氟化镁、二氧化钛、氧化锆等。除了高反膜、增透膜之外，还可以镀对某波长增反射、对另一波长增透射的特殊膜，如激光倍频技术中的分光膜等。

当光线进入不同传递物质时（如由空气进入玻璃），大约有5% 会被反射掉，在光学瞄准镜中有许多透镜和折射镜，整个加起来可以让入射光线损失达30%至40%。现代光学透镜通常都镀有单层或多层氟化镁的增透膜，单层增透膜可使反射减少至 1.5%，多层增透膜则可让反射降低至 0.25%，所以整个瞄准镜如果加以适当镀膜，光线透穿率可达 95%。镀了单层增透膜的镜片通常是蓝紫色或是红色，镀多层增透膜的镜片则呈淡绿色或暗紫色 。

1.2光学薄膜

由薄的分层介质构成的，通过界面传播光束的一类光学介质材料。光学薄膜的应用始于20世纪30年代。现代，光学薄膜已广泛用于光学和光电子技术领域，制造各种光学仪器。

虽然薄膜的光学现象早在17世纪就为人们所注意，但是把光学薄膜作为一

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个课题进行专门研究却开始于20世纪30年代以后，这主要因为真空技术的发展给各种光学薄膜的制备提供了先决条件。时至今日，光学薄膜已得到很大发展，光学薄膜的生产已逐步走向系列化、程序化和专业化，但是，在光学薄膜的研究中还有不少问题有待进一步解决，光学薄膜现有的水平在不少工作中还不能满足要求，需要提高。在理论上，不但薄膜的生长机理需要搞清，而且薄膜的光学理论，特别是应用于极短波段的光学理论也有待进一步完善和改进。在工艺上，人们还缺乏有效的手段实现对薄膜淀积参量的精确控制，这样，薄膜的生长就 具有一定程度的随机性，薄膜的光学常数、薄膜的厚度以及薄膜的性能也就具有一定程度的不稳定性和盲目性，这一切都限制了光学薄膜质量的提高。就光学薄膜本身来说，除了光学性能需要提高，吸收、散射等光损耗需要减少之外，它的机械强度、化学稳定性和物理性质都需要进一步改进。在激光系统中，光学薄膜的抗激光强度较低，这是光学薄膜研究中最重要的问题之一。

2镀膜技术

随着增透膜的不断开发和研究，光学增透膜的镀膜技术也在不断的发展。光学增透膜的厚度要控制在可见光波长1/4波长的数量级上，增透膜的均匀度的要求也非常的苛刻。尽管如此,在人们的不懈探索中，还是掌握了不少行之有效、先进的镀膜技术。目前，常用的镀膜生产工艺有：溶胶-凝胶镀膜、反应蒸发镀膜、真空阴极磁控溅射镀膜等工艺方法。下面就这几种镀膜工艺分别进行介绍： 2.1常用的镀膜工艺

2.1.1溶胶-凝胶镀膜

是将III、V、VI族金属、半金属元素的有机化合物和无机盐溶于有机溶剂中获得溶胶镀液，采用浸渍或离心甩胶的方法涂覆在基片表面，再进行干燥脱水处理获得固体薄膜的方法。例如制备 光催化功能薄膜：先水解 再脱水 (120 ℃下)

该技术对薄膜材料有要求：有机极性溶体溶解度范围不能窄，最好不用水溶液;有少量水参与时应容易发生水解，而且水解形成的薄膜不应溶解，生成的挥发物易于去除;水解形成的氧化物应易于低温充分脱水;薄膜、基片附着力好。

2.1.2反应蒸发镀膜

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在蒸发不少金属氧化物时,会出现缺氧现象,这会使光学膜产生光吸收现象。在反应沉积过程中,通过向剩余气体中加氧可以适当消除光吸收的影响。由于热分解或太低的蒸发压强而化合物不可能直接蒸发的所有情况都可采用反应蒸发镀膜技术。通常用低价氧化物或金属原材料生产氧化膜,也可用这种方法生产硫化物和氮化物或其他化合物。必须注意的是在反应条件下进行蒸发时,需要连续补充化学反应消耗的气体。在薄膜沉积中,必须选择相关过程的所有参数,使沉积的薄膜满足最佳化标准。用这种方法生产的氧化物膜的质量通常仍然略低于计算结果并略有吸收。这种反应蒸发膜呈多晶,非晶或聚合物结构,表面较粗糙,并有柱状或海绵状微细结构,这些微细结构有较大的空隙和较大的内表面。除此以外,膜层对基底的附着力很差,抗磨损能力和硬度都很低。由于膜的密度小,膜的折射率比块状氧化物折射率低得多。膜的吸收水蒸气和其他气体使其折射率和其他物理性质改变。在反应蒸发之前,把基底加热到300 ℃左右,可以提高膜的质量。虽然加热基底可能会导致较粗糙的膜结构、增加表面粗糙度,但是加热基底已成为镀膜过程的不可缺少的步骤。

2.1.3真空阴极磁控溅射镀膜

又称离线镀膜，是将玻璃置于真空室中，在真空室内通入反应性气体，当对溅射阴极通电时，在电场的作用下，从阳极表面发射出电子，电子在电场的加速下能量迅速提高，高能电子将于阴极表面区域的空间的气体分子相碰撞，使气体分子电离，带正电的粒子在电场的加速下，高速向阴极表面撞击，将金属粒子击出，同时由于粒子碰撞靶表面产生大量二次电子，电子又在电场的加速下成为高能电子，从而维持这种导常辉光放电。其中，被带正电的粒子从靶表面出的金属粒子，会沉积在玻璃上，形成薄膜。采用这种方法，可以进行多层膜的生产，可形成的材料极多。绝大部分的金属和无机非金属均可成膜。

“控阴极溅射的原理”是在阴极内部装有永久磁铁或电磁铁。磁场穿透阴极表面的金属溅射靶，在对溅射阴极通电时，产生了一次电子，一次电子既在磁场束缚下又在电场的加速下，形成螺旋式运动轨迹，大大增加了加速时间及运动路程，提高了与空间气体分子相碰撞的几率和速度，从而提高了溅射沉积率。 分为热反射镀膜和低辐射Low-E镀膜。除此以外，采用真空磁控溅射镀膜法生产热反射镀膜玻璃，还具有膜层牢固和均匀，化学稳定性能好等优点，并且能获

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得多种理想光学性能和丰富的反射颜色。

采用热反射镀膜时，可以进行多层膜的生产，可形成的材料极多。离线低辐射Low-E镀膜需镀一层纯银薄膜作为功能膜，纯银薄膜在两层金属氧化物膜之间，金属氧化膜对纯银膜提供保护，且作为膜层之间的中间层，能增加颜色的纯度及光的透射水平。由于有多种金属靶材可以选择，及多种金属靶材组合，所以溅射法生产的离线低辐射Low-E镀膜可由多种配置，在颜色和纯度方面溅射镀膜液优于热喷涂，而且离线法的新产品开发方面也比较灵活。最主要的优点在于溅射生产的离线低辐射Low-E镀膜的中空玻璃其“U”值优于热解法产品的“U”值，但它的缺点就是膜层比较脆弱。

2.2三种镀膜工艺比较

溅射镀膜与蒸发镀膜相比，有许多优点,如任何物质均可以溅射，尤其是高熔点，低蒸气压元素和化合物;溅射膜与基板之间的附着性好;薄膜密度较高;膜厚可控制性和重复性较好等。缺点是设备比较复杂，需要高压装置;

将蒸发法与溅射法相结合，即为离子镀。这种方法的优点是得到的膜与基板间有极强的附着力，有较高的沉积速率，膜的密度高。蒸发镀膜过程可以实现连续化。这种镀膜可以通过微调阀控制镀膜室中气体的成分和含量，按照人名的需求制成各种不同性质的薄膜;

溶胶-凝胶法制备薄膜比起传统的制膜方法，具有以下优势：(a) 镀膜设备简单，易于操作;(b) 工艺过程温度较低，镀膜通常在室温或接近室温的环境下，形成的薄膜纯度较高;(c) 可以在大尺寸以及各种形状不规则基底上镀膜;(d) 化学计量比准确，易于改性，掺杂量的范围加宽，可以有效控制薄膜成分及微观结构。

2.3三种镀膜工艺的应用

溶胶-凝胶法制备薄膜主要被用在制备减反膜、高反膜、电致或光致变色薄膜、光波导等方面。用反应蒸发镀膜法在制备各种滤光片、反射镜等方面也用的比较多。

采用磁控溅射镀膜法生产热反射镀膜玻璃，是目前国际上大面积生产镀膜玻璃的最先进工艺方法，比传统的镀膜方法在产品来年说在功能、劳动生产率、成本等方面有显著的改进。磁控溅射镀膜能够按需要的比例控制太阳直接辐射的反射、

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透过和吸收，并产生需要的反射颜色。其产品的特点是：a) 有效限制太阳直接辐射的入射量，遮阳效果较明显;b) 具备丰富多彩的反射色调和极佳的装饰效果;c) 对室内物体和建筑构件具有良好的视线遮蔽功能;d) 较理想的可见光透过比和反射比，减弱紫外光的透过，并且可以加工成中空热反射玻璃、夹层热反射玻璃等复合产品。此外，离线低辐射(Low-E)镀膜产品具有以下特点：a) 装饰效果好，多为中性色调，清淡、高雅;b) 节能性较好，由于表面辐射率E低，从而具有更低的传热系数“U”值;c)舒适性能好，在隔绝热辐射的同时，很好的保证了自然采光;d) 遮蔽系数Sc范围广，可满足不同地区的使用需求。

3 光学薄膜分类

光学薄膜按应用分为反射膜、增透膜、滤光膜、光学保护膜、偏振膜、分光膜和位相膜。常用的是前4种。光学反射膜用以增加镜面反射率，常用来制造反光、折光和共振腔器件。光学增透膜沉积在光学元件表面，用以减少表面反射，增加光学系统透射，又称减反射膜。光学滤光膜用来进行光谱或其他光性分割，其种类多，结构复杂。光学保护膜沉积在金属或其他软性易侵蚀材料或薄膜表面，用以增加其强度或稳定性，改进光学性质。最常见的是金属镜面的保护膜。

3.1减反射膜

又称增透膜，它的主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光。

最简单的增透膜是单层膜，它是镀在光学零件光学表面上的一层折射率较低的薄膜。当薄膜的折射率低于基体材料的折射率时,两个界面的反射系数r1和r2具有 相同的位相变化。如果膜层的光学厚度是某一波长的四分之一，相邻两束光的光程差恰好为π,即振动方向相反，叠加的结果使光学表面对该波长的反射光减少。适当选择膜层的折射率，使得r1和r2相等，这时光学表面的反射光可以完全消除。

一般情况下，采用单层增透膜很难达到理想的增透效果,为了在单波长实现零反射,或在较宽的光谱区达到好的增透效果，往往采用双层、三层甚至更多层数的减反射膜。

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减反射膜是应用最广、产量最大的一种光学薄膜，因此，它至今仍是光学薄膜技术中重要的研究课题，研究的重点是寻找新材料，设计新膜系,改进淀积工艺,使之用最少的层数，最简单、最稳定的工艺，获得尽可能高的成品率，达到最理想的效果。对激光薄膜来说，减反射膜是激光损伤的薄弱环节，如何提高它的破坏强度，也是人们最关心的问题之一。

3.2反射膜

它的功能是增加光学表面的反射率。反射膜一般可分为两大类，一类是金属反射膜，一类是全电介质反射膜。此外，还有把两者结合起来的金属电介质反射膜。

一般金属都具有较大的消光系数，当光束由空气入射到金属表面时，进入金属内部的光振幅迅速衰减，使得进入金属内部的光能相应减少，而反射光能增加。消光系数越大，光振幅衰减越迅速，进入金属内部的光能越少，反射率越高。人们总是选择消光系数较大，光学性质较稳定的那些金属作为金属膜材料。在紫外区常用的金属薄膜材料是铝，在可见光区常用铝和银，在红外区常用金、银和铜，此外，铬和铂也常用作一些特种薄膜的膜料。由于铝、银、铜等材料在空气中很容易氧化而降低性能，所以必须用电介质膜加以保护。常用的保护膜材料有一氧化硅、氟化镁、二氧化硅、三氧化二铝等。金属反射膜的优点是制备工艺简单，工作的波长范围宽；缺点是光损耗大，反射率不可能很高。为了使金属反射膜的反射率进一步提高，可以在膜的外侧加镀几层一定厚度的电介质层，组成金属电介质反射膜。需要指出的是，金属电介质反射膜增加了某一波长（或者某一波区）的反射率，却破坏了金属膜中性反射的特点。

全电介质反射膜是建立在多光束干涉基础上的。与增透膜相反，在光学表面上镀一层折射率高于基体材料的薄膜，就可以增加光学表面的反射率。最简单的多层反射膜是由高、低折射率的二种材料交替蒸镀而成的,每层膜的光学厚度为某一波长的四分之一。在这种条件下，参加叠加的各界面上的反射光矢量，振动方向相同。合成振幅随着薄膜层数的增加而增加。

原则上说，全电介质反射膜的反射率可以无限接近于1，但是薄膜的散射、吸收损耗,限制了薄膜反射率的提高。迄今为止，优质激光反射膜的反射率虽然已超过99.9%，但有一些工作还要求它的反射率继续提高。应用于强激光系统的反射

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膜，则更强调它的抗激光强度，围绕提高这类薄膜的抗激光强度所开展的工作，使这类薄膜的研究更加深入。

3.3干涉滤光片

是种类最多、结构复杂的一类光学薄膜。它的主要功能是分割光谱带。最常见的干涉滤光片是截止滤光片和带通滤光片。截止滤光片可以把所考虑的光谱区分成两部分，一部分不允许光通过（称为截止区），另一部分要求光充分通过（称为带通区）。按照通带在光谱区的位置又可分为长波通和短波通二种，它们最简单的结构分别为，这里H、L分别表示厚的高、低折射率层，m为周期数。具有以上结构的膜系称为对称周期膜系。如果所考虑的光谱区很宽或通带透过率的波纹要求很高，膜系结构会更加复杂。

带通滤光片只允许光谱带中的一段通过，而其他部分全部被滤掉,按照它们结构的不同可分为法布里-珀罗型滤光片、多腔滤光片和诱增透滤光片。法布里－珀罗型滤光片的结构与法－珀标准具（见法布里－珀罗干涉仪）相同，因为由它获得的透过光谱带都比较窄，所以又叫窄带干涉滤光片。这种滤光片的透过率对薄膜的损耗非常敏感，所以制备透过率很高、半宽度又很窄的滤光片是很困难的。多腔滤光片又叫矩形滤光片，它可以做窄带带通滤光片，又可以做宽带带通滤光片，制备波区较宽，透过率高，波纹小的多腔滤光片同样是困难的。 诱增透滤光片是在金属膜两边匹配以适当的电介质膜系，以增加势透过率，减少反射，使通带透过率增加的一类滤光片。虽然它的通带性能不如全电介质法－珀滤光片,却有着很宽的截止特性,所以还是有很大的应用价值。特别在紫外区，一般电介质材料吸收都比较大的情况下,它的优越性就更明显了。 3.4分光膜

根据一定的要求和一定的方式把光束分成两部分的薄膜。分光膜主要包括波长分光膜、光强分光膜和偏振分光膜等几类。

波长分光膜又叫双色分光膜，顾名思义它是按波长区域把光束分成两部分的薄膜。这种膜可以是一种截止滤光片或带通滤光片，所不同的是，波长分光膜不仅要考虑透过光而且要考虑反射光，二者都要求有一定形状的光谱曲线。波长分光膜通常在一定入射角下使用，在这种情况下,由于偏振的影响，光谱曲线会发生畸变,为了克服这种影响，必须考虑薄膜的消偏振问题。

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光强分光膜是按照一定的光强比把光束分成两部分的薄膜，这种薄 膜有时仅考虑某一波长，叫做单色分光膜；有时需要考虑一个光谱区域叫做宽带分光膜；用于可见光的宽带分光膜，又叫做中性分光膜。这种膜也常在斜入射下应用，由于偏振的影响，二束光的偏振状态可以相差很多,在有些工作中，可以不考虑这种差别,但在另一些工作中（例如某些干涉仪），则要求两束光都是消偏振的，这就需要设计和制备消偏振膜。

偏振分光膜是利用光斜入射时薄膜的偏振效应制成的。偏振分光膜可以分成棱镜型和平板型两种。棱镜型偏振膜利用布儒斯特角入射时界面的偏振效应（见光在分界面上的折射和反射）。当光束总是以布儒斯特角入射到两种材料界面时，则不论薄膜层数有多少，其水平方向振动的反射光总为零，而垂直分量振动的光则随薄膜层数的增加而增加，只要层数足够多，就可以实现透过光束基本是平行方向振动的光，而反射光束基本上是垂直方向振动的光，从而达到偏振分光的目的，由于由空气入射不可能达到两种薄膜材料界面上的布儒斯特角，所以薄膜必须镀在棱镜上，这时入射介质不是空气而是玻璃。平板型偏振膜主要是利用在斜入射时由电介质反射膜两个偏振分量的反射带带宽的不同而制成的。一般高反射膜，随着入射角的增大，垂直分量的反射带宽逐渐增大，而平行分量的带宽逐渐减少。选择垂直分量的高反射区、平行分量的高透过区为工作区则可构成透过平行分量反射垂直分量的偏振膜，这种偏振膜的入射角一般选择在基体的布儒斯特角附近。棱镜型偏振膜工作的波长范围比较宽，偏振度也可以做得比较高，但它制备较麻烦，不易做得大，抗激光强度也比较低。平板型偏振片工作的波长区域比较窄，但它可以做得很大，抗激光强度也比较高，所以经常用在强激光系统中。

4 ITO薄膜

掺锡氧化铟（IndiumTinOxide），一般简称为ITO。ITO薄膜是一种n型半导体材料，具有高的导电率、高的可见光透过率、高的机械硬度和良好的化学稳定性。

因此，它是液晶显示器（LCD）、等离子显示器（PDP）、电致发光显示器（EL/OLED）、触摸屏（TouchPanel）、太阳能电池以及其他电子仪表的透明电极最常用的薄膜材料。

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4.1ITO薄膜基本性能

一、ITO薄膜的基本性能ITO（In2O3:SnO2=9:1）的微观结构，In2O3里掺入Sn后，Sn元素可以代替In2O3晶格中的In元素而以SnO2的形式存在，因为In2O3中的In元素是三价，形成SnO2时将贡献一个电子到导带上，同时在一定的缺氧状态下产生氧空穴，形成1020至1021cm-3的载流子浓度和10至30cm2/vs的迁移率。这个机理提供了在10-4Ω.cm数量级的低薄膜电阻率，所以ITO薄膜具有半导体的导电性能。ITO是一种宽能带薄膜材料，其带隙为3.5-4.3ev。紫外光区产生禁带的励起吸收阈值为3.75ev，相当于330nm的波长，因此紫外光区ITO薄膜的光穿透率极低。同时近红外区由于载流子的等离子体振动现象而产生反射，所以近红外区ITO薄膜的光透过率也是很低的，但可见光区ITO薄膜的透过率非常好，由于材料本身特定的物理化学性能，ITO薄膜具有良好的导电性和可见光区较高的光透过率。

二、影响ITO薄膜导电性能的几个因素ITO薄膜的面电阻（R）、膜厚（d）和电阻率（ρ）三者之间是相互关联的，这三者之间的计算公式是：R=ρ/d。由公式可以看出，为了获得不同面电阻（R）的ITO薄膜，实际上就是要获得不同的膜厚和电阻率。

一般来讲，制备ITO薄膜时要得到不同的膜层厚度比较容易，可以通过调节薄膜沉积时的沉积速率和沉积的时间来制取所需要膜层的厚度，并通过相应的工艺方法和手段能进行精确的膜层厚度和均匀性控制。

而ITO薄膜的电阻率（ρ）的大小则是ITO薄膜制备工艺的关键，电阻率（ρ）也是衡量ITO薄膜性能的一项重要指标。公式ρ=m/ne2T给出了影响薄膜电阻率（ρ）的几种主要因素，n、T分别表示载流子浓度和载流子迁移率。当n、T越大，薄膜的电阻率（ρ）就越小，反之亦然。而载流子浓度（n）与ITO薄膜材料的组成有关，即组成ITO薄膜本身的锡含量和氧含量有关，为了得到较高的载流子浓度（n）可以通过调节ITO沉积材料的锡含量和氧含量来实现；而载流子迁移率（T）则与ITO薄膜的结晶状态、晶体结构和薄膜的缺陷密度有关，为了得到较高的载流子迁移率（T），可以合理的调节薄膜沉积时的沉积温度、溅射电压和成膜的条件等因素。

所以从ITO薄膜的制备工艺上来讲，ITO薄膜的电阻率不仅与ITO薄膜材料的组成（包括锡含量和氧含量）有关，同时与制备ITO薄膜时的工艺条件（包括

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沉积时的基片温度、溅射电压等）有关。有大量的科技文献和实验分析了ITO薄膜的电阻率与ITO材料中的Sn、O2元素的含量，以及ITO薄膜制备时的基片温度等工艺条件之间的关系。

三、通过低溅射电压制备ITO薄膜的工艺和方法

1、低电压溅射制备ITO薄膜由于ITO薄膜本身含有氧元素，磁控溅射制备ITO薄膜的过程中，会产生大量的氧负离子，氧负离子在电场的作用下以一定的粒子能量会轰击到所沉积的ITO薄膜表面，使ITO薄膜的结晶结构和晶体状态造成结构缺陷。溅射的电压越大，氧负离子轰击膜层表面的能量也越大，那么造成这种结构缺陷的几率就越大，产生晶体结构缺陷也越严重，从而导致了ITO薄膜的电阻率上升，一般情况下，磁控溅射沉积ITO薄膜时的溅射电压在-400V左右，如果使用一定的工艺方法将溅射电压降到-200V以下，那么所沉积的ITO薄膜电阻率将降低50%以上，这样不仅提高了ITO薄膜的产品质量，同时也降低了产品的生产成本。

2、两种在直流磁控溅射制备ITO薄膜时，降低薄膜溅射电压的有效途径磁场强度对溅射电压的影响当磁场强度为300G时，溅射电压约为-350v；但当磁场强度升高到1000G时，溅射电压下降至-250v左右。一般情况下，磁场强度越高、溅射电压越低，但磁场强度为1000G以上时，磁场强度对溅射电压的影响就不明显了。因此为了降低ITO薄膜的溅射电压，可以通过合理的增强溅射阴极的磁场强度来实现。RF+DC电源使用对溅射电压的影响为了有效的降低磁控溅射的电压，以达到降低ITO薄膜电阻率的目的，可以采用了一套特殊的溅射阴极结构和溅射直流电源，同时将一套3KW的射频电源合理的匹配叠装在一套6KW的直流电源上，在不同的直流溅射功率和射频功率下进行降低ITO薄膜溅射电压的工艺研究。当磁场强度为1000G，直流电源的功率为1200W时，通过改变射频电源的功率，经大量的工艺实验得出：“当射频功率为600W时，ITO靶的溅射电压可以降到-110V”的结论。因此，RF+DC新型电源的应用和特殊溅射阴极结构的设计也能有效的降低ITO薄膜的溅射电压，从而达到降低薄膜电阻率的目的。

3、降低ITO薄膜电阻率的新沉积方法-HDAP法HDAP法是利用高密度的电弧等离子体（HDAP）放电轰击ITO靶材，使ITO材料蒸发，沉积到基体材料

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上形成ITO薄膜。由于高能量电弧离子的作用导致ITO粒子中的In、Sn达到完全离化，从而增强沉积时的反应活性，达到减少晶体结构缺陷，降低电阻率的目的。

利用同样成分的ITO材料，其它工艺条件保持一样，并在同样的基片温度下，分别进行“DC磁控溅射”、“DC+RF磁控溅射”、“HDAP法制备ITO薄膜”的实验。 实验结果可以看出，利用HDAP法能获得电阻率较低的ITO薄膜，尤其是在基片温度不能太高的材料上制备ITO薄膜时，使用HDAP法制备ITO薄膜可以得到较理想的ITO薄膜。基片温度到350℃左右时，这三种沉积方法对ITO薄膜电阻率的影响较小。

通过扫描电镜对磁控溅射和HDAP法制备的ITO薄膜进行了微观分析。很明显HDAP法制备的ITO薄膜表面平坦、均匀。HDAP法制备ITO薄膜主要是针对基体材料不能加热，同时又要求ITO薄膜的电阻率较低的制成比较适用。

4.2 ITO薄膜在国内的发展

在国内，ITO薄膜设备的制造和发展是20世纪80年代开始的，主要是一些单体式的真空镀膜设备，由于ITO工艺和制成方法的限制，因此产品品质较差、产量较小，当时的产品主要用作普通的透明电极和太阳能电池等方面。 20世纪90年代初，随着LCD器件的飞速发展，对ITO薄膜产品的需求量也是急剧的增加，国内部分厂家纷纷开始从国外引进一系列整厂ITO镀膜生产线，但由于进口设备的价格昂贵，技术服务不方便等因素，使许多厂商还是望而却步。 80年代末，中国诞生了第一条TN-LCD用ITO连续镀膜生产线。该生产线采用的工艺路线是将铟锡合金材料利用直流磁控溅射的原理沉积到基片的表面，并进行高温氧化处理，将铟锡合金薄膜转换成所需的ITO薄膜。这种生产线的特点是设备的产能较低，质量较差，工艺调节复杂。

90年代中期，随着国内LCD产业的发展，对ITO产品的需求量增大的同时，对产品的质量有了新的要求，因此出现了第二代ITO镀膜生产线。该生产线不仅产量比第一代生产线有了大幅度的提升，同时由于直接采用ITO陶瓷靶材沉积ITO薄膜，并兼容了射频磁控溅射沉积SiO2薄膜的工艺，使该生产线无论从产品的质量上、还是工艺可控性等方面与第一代生产线相比均有了质的飞跃。 99年，有效的解决了射频磁控溅射沉积SiO2薄膜的沉积速率慢影响生产线的产

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能和设备的利用率等一系列问题，同时出现了第三代大型高档ITO薄膜生产线。该生产线成功应用了中频反应溅射SiO2薄膜的工艺、采用全分子泵无油真空系统、独立的全自动小车回架机构。该生产线具备生产中高档STN-LCD用ITO薄膜材料的能力。

随着反射式LCD，增透式LCD、LCOS图影机背投电视等显示器件的发展，对ITO薄膜产品提出了更高的要求，SiO2/ITO两层膜结构的ITO薄膜材料满足不了使用的需要，而比须采用多层复合膜系已达到产品的高反射性、或高透过率等光学性能要求。积累多年的设计开发经验，国内生产企业推出了第四代大型多层薄膜生产线。该生产线由15个真空室组成，采用全分子泵无油真空系统、使用了RF/MF/DC三种磁控溅射工艺、通过PEM/PCV进行工艺气体的控制。该生产线具有连续沉积五层薄膜的能力。

随着PDA、电子书等触摸式输入电子产品的悄然兴起，相应材料的制成设备也应运而生。由于触摸式产品工作原理的特殊性，其所需的ITO薄膜必须是在柔性材料（PET）上制成的，薄膜的沉积温度不能太高（小于120℃），同时要求ITO膜层较薄、面电阻高而且均匀，所以对ITO薄膜的沉积工艺提出了严格的要求。

随着有机电致发光显示器（OLED）以及其它显示器件的发展，对ITO薄膜的制成工艺和设备将会有更新、更高的要求，同时也有力的推动了ITO薄膜制成设备的发展。

5 聚酰亚胺薄膜（PI膜）

聚酰亚胺薄膜(PolyimideFilm)是世界上性能最好的薄膜类绝缘材料，由均苯四甲酸二酐(PMDA)和二胺基二苯醚(DDE)在强极性溶剂中经缩聚并流延成膜再经亚胺化而成。

5.1聚酰亚胺薄膜（PI膜）特性

呈黄色透明，相对密度1.39～1.45，聚酰亚胺薄膜具有优良的耐高低温性、电气绝缘性、粘结性、耐辐射性、耐介质性，能在－269℃～280℃的温度范围内长期使用，短时可达到400℃的高温。玻璃化温度分别为280℃(Upilex R)、

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385℃(Kapton)和500℃以上(Upilex S)。20℃时拉伸强度为200MPa，200℃时大于100MPa。特别适宜用作柔性印制电路板基材和各种耐高温电机电器绝缘材料。

5.2聚酰亚胺优点

(1)优异的耐热性。聚酰亚胺的分解温度一般超过500℃,有时甚至更高,是目前已知的有机聚合物中热稳定性最高的品种之一,这主要是因为分子链中含有大量的芳香环。

(2)优异的机械性能。未增强的基体材料的抗张强度都在100MPa以上。用均酐制备的Kapton薄膜抗张强度为170MPa,而联苯型聚酰亚胺(Upilex S)可达到400MPa。聚酰亚胺纤维的弹性模量可达到500MPa,仅次于碳纤维。

(3)良好的化学稳定性及耐湿热性。聚酰亚胺材料一般不溶于有机溶剂,耐腐蚀、耐水解。改变分子设计可以得到不同结构的品种。有的品种经得起2个大气压下、120℃,500h的水煮。

(4)良好的耐辐射性能。聚酰亚胺薄膜在5×109rad剂量辐射后,强度仍保持86%;某些聚酰亚胺纤维经1×1010rad快电子辐射后,其强度保持率为90%。 (5)良好的介电性能。介电常数小于3.5,如果在分子链上引入氟原子,介电常数可降到2.5左右,介电损耗为10，介电强度为100至300kV/mm，体积电阻为1015-17Ω·cm。因此,含氟聚酰亚胺材料的合成是目前较为热门的研究领域。 上述性能在很宽的温度范围和频率范围内都是稳定的。除此之外,聚酰亚胺还具有耐低温、膨胀系数低、阻燃以及良好的生物相容性等特性。聚酰亚胺优异的综合性能和合成化学上的多样性,可广泛应用于多种领域。

5.3 PI膜未来发展

PI膜按照用途分为一般绝缘和耐热为目的的电工级以及附有挠性等要求的电子级两大类。电工级PI膜因要求较低国内已能大规模生产且性能与国外产品没有明显差别；电子级PI膜是随着FCCL的发展而产生的，是PI膜最大的应用领域，其除了要保持电工类PI膜优良的物理力学性能外，对薄膜的热膨胀系数，面内各向同性（厚度均匀性）提出了更严格的要求。未来仍需进口大量的电子级PI膜，其原因是国产PI膜在性能上与进口PI膜存在一定的差距，不能满足FCCL中高端产品的要求。在预测未来市场价格方面，长期以来电子级PI膜的定价权一直由杜邦公司，钟渊公司所掌控，但是随着近年来韩国SKC和KOLON两家

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公司的分别加入重组，以及经济危机对电子产品外销的影响，产品价格也有所降低，但是电子级PI膜仍存在着较高的利润空间。

6 光学镀膜的应用前景

6.1 光学镀膜在光学上的应用：

根据光学性能的要求，需要改变光学镜片表面对光波透射，反射能力，真空镀膜就可以实现此项需求。在光学工业的应用大部分只要求在提高光学效率、减少杂光方面即可，如高效减反射膜、高反射膜。但是也要不少地方要求实现光束的调整或再分配的应用，分束膜、分色膜、偏振分光膜就是根据不同需要进行能量再分配的光学元件，这些光学元件都可以满足以上的要求。还有要求通过对波长的选择性透过提高系统信噪比的元件，在这方面的光学镀膜元件应用有窄带及带通滤光片、长波通、短波通滤光片。

所以光学镀膜在光学上的应用大致可分为反射镜、增透膜、滤光片等等，其中，这些元件多数应用于天文望远镜、建筑玻璃、相机、灯具等等。 光学镀膜在光学上的部分应用如下：

照相机镜头 光学滤波片 6.2 光学镀膜在电子电路上的应用：

真空镀膜在电子行业中应用极为广泛，在分类上有导电膜、绝缘膜、保护膜这几种。下面具体介绍其中透明导电膜和导电加热膜。

透明导电膜：在玻璃、聚酯等基体上，真空镀上氧化铟、氧化锡薄膜，就可实现即透明又导电的功能。可用于显示电报、平面照相电极、观点效应记录材料等方面。

导电加热膜：在玻璃灯基体上的局部框线真空镀以鉻或镍合金，接通电源，就可

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以实现加热功能，用以清除因温差带来的水蒸气灯。

光学镀膜在电子电路上的具体应用产品大概有：逻辑元件、运算器、磁片、CCD。 6.3 光学镀膜在机械工业的应用

自用真空镀膜中的反应性离子镀膜、磁控溅射镀膜灯镀膜技术问世。真空镀膜在机械工业的引用范围越来越广泛。其中应用广泛的两种如下描述： 超硬膜：在切削工具中如钻头、铣刀、插滚齿刀灯表面，真空镀上氮化钛等超硬镀膜层，可大大提高切削工具的使用寿命、效率及其精度。在模具上，光学镀膜还应用于刀具超硬膜。

功能膜：在机械零件表面真空镀上耐高温、防腐蚀、自润滑的技能的功能膜，可大大提高机械零件的使用寿命及使用功能。如汽轮机叶片。 6.4光学镀膜在生活中的应用：

在生活中，我们离不开光学镀膜的，衣食住行中，我们都能见到光学镀膜的影子，光学镀膜在纺织品上主要应用于装饰，装饰膜中有金属花纹、金丝银丝线等等。农业上，薄膜纸也属于光学薄膜的一个非常重要的应用。最后，在消费产品上，光学镀膜还可以应用于如下多个产品：级面板、扶手、栏杆、不锈钢薄板、手机外壳、香烟纸。

下面是光学镀膜在生活中较常见的应用：

金属镀膜

光学镀膜还可以实现某些特定功能。如ITO透明导电膜、保护膜、隔热膜和防爆膜等 。

6.5 前景展望

镀膜技术在现代光通讯、光显示、光存储以及光成像中都具有极为广泛、重要的应用。近十年来国内光学薄膜技术产业化发展迅速，新兴的光学薄膜产业已

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经形成。光学薄膜技术在产业化发展的同时，自身的设计理论与制备技术以及应用研究也在不断发展。除了向极限光学性能的光学薄膜技术(极短波长的光学薄膜、极高精度的相位型光学薄膜等)发展之外，也在向微结构型光学薄膜的方向发展。从上述对几种光学薄膜技术的比较和薄膜应用分析可知，光学薄膜的应用领域的市场前景非常广阔，相信在未来的日子中光学薄膜一定可以有更好更长远的发展的。

参考文献

[1] Yoldas B E. Alumina gels that form porous transparent Al2O3.Mater Sci, 1975, 10(11):1856-1860.

[2] Lombardi T, Klein L C. Processing alumina gels: effects on surface area and pore volume. Adv Ceram Mater,1988,3(2):167 ～170.

[3] 张勤俭 李 敏，等.用溶胶—凝胶法制备Al2O3涂层工程陶瓷的表面改性研究[J].硅酸盐学报, 2001(5):7-8.

[4] Jing Chengbin, Zhao Xiujian, Han Jianjun, et al. A new method of fabricating internally

sol

-gel

coated

capillary

tubes.

Surface

and

Coatings

Technology,2003,162(2-3):228-233.

[5] 陈举强.卷绕式高真空镀铝膜蒸发舟及其使用工艺的探讨[J].真空，2002,39(3):41-43.

[6] 达道安.真空设计手册(第3版)[M].北京:国防工业出版社,2004.1122-1146. [7] Rogozin A， Shevchenko N， Vinnichenko M， et al. Realtime evolution of the indium tin oxide film properties and structure during annealing in vacuum [J].Journal of Applied Physics,2004,85(5):212-215.

[8] 曾维强, 姚建可, 贺洪波, 等. [ J] . 中国激光, 2008, 35(12) : 1423.

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