真空度对Ni80Cr20薄膜中性度的影响

2017-04-10张勇喜金秀杨文华张艳姝任

光学仪器 2017年1期

张勇喜++金秀++杨文华++张艳姝++任少鹏++王瑞生++胡雯雯++杨晓宇+��

摘要：理论计算了Ni、Cr和Ni80Cr20三种材料的光学特性，确定了镍铬成份变化对Ni80Cr20的影响。在高低两个真空度条件下采用电子枪蒸发工艺进行了Ni80Cr20的镀膜实验，结果表明，低真空度时“薄”膜的中性度较好，而高真空度时“厚”膜中性度较好。采用X射线能谱分析发现“薄”膜铬含量高于膜料，而“厚”膜更高，高真空度薄膜略有氧化，而低真空度氧化更严重。从残余气体和蒸发方式方面分析了镍铬成份差异的原因，再结合氧化对薄膜特性的影响，确定了不同真空度薄膜中性度差异的原因。

关键词：

中性密度滤光片；中性度；镍铬合金；电子槍；蒸发；分馏

中图分类号： O 484.1文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.01.011

The influence of vacuum on neutrality of Ni80Cr20 filter

ZHANG Yongxi， JIN Xiu， YANG Wenhua， ZHANG Yanshu， REN Shaopeng，

WANG Ruisheng， HU Wenwen， YANG Xiaoyu

（Shenyang Academy of Instrumentation Science Co.，Ltd.， Shenyang 110043， China）

Abstract：

The optical characteristics of Ni，Cr and Ni80Cr20 were calculated in theory to determine the impact on Ni80Cr20 when changing the proportions of nickel and chromium.Electron gun evaporation experiments were carried out separately at high vacuum and low vacuum conditions.The results showed that the "thin" film had better neutrality when coated at low vacuum，while the "thick" film had better neutrality when coated at high vacuum.Xray spectroscopy analysis found that the "thin" film had a little more chromium and the "thick" film even had much more chromium than the amount in coating material.Furthermore，the film is slightly oxidized at high vacuum and even severely at low vacuum condition.The influence in the compositions of nickel and chromium in the film by residual gas and evaporation way was analyzed.The influence over the optical characteristics by oxidation was discussed.The reason for different neutrality of films coated at different vacuum was found.

Keywords： neutral density optical filters； neutrality； nickelchromium alloy； electron gun； evaporation； fractionation

引言

中性密度滤光片是一种起光能衰减作用的光学元件，这种衰减作用在一定程度上是非选择性的。中性密度滤光片对不同波长光线的衰减能力大致相同，只起到减弱光线的作用，而对原物体的颜色不会产生任何影响，可以真实再现景物的色差，因而在摄影领域被用作减光镜，在其他光学系统中则用于多波段减光，或者用于系统定标。

中性密度滤光片的生产方式很多，最常用的是在玻璃基底上镀制单层镍、铬或镍铬合金膜[13] 。镍铬合金的种类较多，但常用的是Ni80Cr20。然而，由于合金材料蒸发时存在分馏现象，所以采用热蒸发工艺镀制Ni80Cr20时工艺稳定性和重复性较差，蒸镀条件对薄膜的中性度有很大影响。本文从实验出发，研究了真空度对电子束蒸发Ni80Cr20膜中性度的影响。

1镍、铬及Ni80Cr20光学特性

中性度[4]是中性密度滤光片的一项重要技术指标，是指在某一波长范围内，光密度（optical density，OD）随波长变化的差异程度，它是一个衡量密度片对不同波长光的衰减程度的量。标准《线性渐变中性滤光片》（JB/T 11532—2013）将可见区400～700 nm间的中性程度定义为“标准中性度”，计算方式如下。

对于任意一条实测的光密度曲线（如图1所示），其中性度可按下式计算：

ND=（Dmax-Dmin）2Davg×100%

（1）

式中Dmax、Dmin和Davg分别为光密度测试曲线的最大值、最小值和平均值。

标准中性度适合于可见区波段中性度的评价，对于其他波段或者特殊波段范围的中性度评价可参考文献[5]。总之，中性密度滤光片的中性度数值越低，表示光密度对波长越不敏感，密度片的中性度越好。

由于蒸镀合金容易分馏，为镀制出中性度良好的Ni80Cr20薄膜，需要先对镍和铬的光学特性以及镍、铬的成份变化对Ni80Cr20薄膜的影响进行研究。镍和铬的光谱特性可以直接用膜系设计软件计算出来，而Ni80Cr20需要按照洛伦兹洛伦茨公式先计算出其折射率n和消光系数k，生成新的薄膜材料，再用软件进行计算。我们用麦克劳德软件计算了不同厚度时的镍、铬和Ni80Cr20三种材料在400～700 nm间的光密度曲线，列举部分曲线如图2所示。通过计算我们发现，镍和铬的光学特性正好相反，铬在短波具有较高的光密度，而镍在长波具有较高的光密度，如果镀膜时能准确控制镍铬合金膜的成份，那么在任意光密度都能获得最佳的中性度。

2Ni80Cr20高、低真空度的镀膜实验

为减少膜料分子与残留气体分子之间的碰撞和反应，以提高成膜质量，通常希望镀膜时的真空度越高越好。而實际镀膜生产过程既需要考虑成膜质量也需要兼顾生产效率，通常只固定本底真空度，而忽略设备在一个清洁周期内镀膜真空度的差异。由于镀制Ni80Cr20膜不需要使用离子源或者充入其他气体，所以镀膜真空度与本底真空度是正相关的，但不线性相关。在本底真空度不是很高的情况下，残留气体就占有一定的气体分压，就会影响合金蒸发过程和改变薄膜成份，甚至会与膜料分子发生反应。

为研究真空度对蒸镀Ni80Cr20膜的影响，我们在7×10-4 Pa和4×10-3 Pa的本底真空度条件下分别镀制了OD 0.4和OD 2.0两个光密度的实验样品，镀膜过程的真空度为2×10-3～3×10-3 Pa和7×10-3～8×10-3 Pa。其他实验条件为：EPD500电子枪蒸发镀膜机，烘烤温度120 ℃，电子枪铜坩埚30 mL，Ni80Cr20整块料填满坩埚。

我们先对实验结果进行光谱检测，将测试数据与理论曲线进行比较，如图3所示。对图3（a），高真空度时中性度为8.4%，低真空度时中性度为4.0%，低真空度时优于高真空度。对图3（b），高真空度时中性度为7.4%，低真空度时中性度为10%，低真空度时劣于高真空度。实验得出两点结果：对于OD 0.4的膜，低真空度的中性度较好，但都比理论值好，对于OD 2.0的膜，高真空度的中性度较好，但都比理论值差；晶体膜厚控制仪测量的厚度相同，但低真空度的薄膜光密度比高真空度的低。

为进一步分析实验结果与理论曲线的差异，我们采用了X射线能谱分析的方法对薄膜的成分进行了分析。为了获得准确的分析结果，在玻璃基底和硅基底上同时进行镀膜，玻璃基底的膜用于光学性能检测，硅基底的膜用于成份分析，以消除其他元素的影响。成份检测结果如表1和图4所示。

从镍铬含量比来看，OD 0.4时铬的成份略高于基材，而OD 2.0时铬的成份有较大提高。从氧含量来看，高真空度时氧含量低于低真空度时的氧含量。

3实验结果分析

3.1真空度对镍、铬比例影响

表2[6]给出了镍和铬在不同真空度时的饱和蒸汽压，可以看到，在相同的温度条件下，铬的饱和蒸汽压比镍约大一个量级，所以铬比镍容易蒸发。结合合金的蒸发速率公式[78]和有气体残留的蒸发速率公式[9]，可得出有气体残留的合金膜蒸发速率公式如下：

WA=4.376×10-4NA（PA-P残留）MAT

（2）

式中：PA为蒸发物质A在温度T时的饱和蒸汽压；MA为分子量；NA为摩尔百分数；P残留为本底真空度。

根据式（2）可以计算出不同蒸发温度下Ni80Cr20合金中镍和铬的蒸发速率或者速率之比。根据实验条件，蒸发温度约1 500 ℃，计算结果为：7×10-4Pa时铬、镍蒸发速率比为2.656∶1；4×10-3Pa时为2.664∶1。从计算结果看，低真空度时铬的比例会略高，这与成份检测结果相符。根据前面对镍、铬光学特性的分析，铬含量的增加将提高薄膜在短波区域的光密度。对于OD 0.4的膜，铬含量增加将改善膜的中性度，含量越高，改善越明显，所以低真空度的膜中性度优于高真空度。而对于OD 2.0的膜，铬增加使中性度变得更差，所以低真空度的膜中性度差于高真空度。

3.2蒸镀方式对镍、铬比例的影响

OD 0.4的膜层很薄，镀膜时间很短，铬优先蒸发，所得到的膜层铬含量会增加，中性度优于理论值。而OD 2.0的膜层较厚，镀膜时间较长，初期蒸发时铬浓度高，但到后期则与材料本身有关。如果是用一次镀膜基本用完的小块膜料，整个膜料都处于熔融状态，那么膜材中铬成份会逐步减少，膜层中铬的浓度会降低，最后达到膜材相当的比份。但是对于重复使用的大块膜料，蒸发过程只有部分膜料处于熔融状态，那么熔融态的膜料中的铬会不断得到补充[10]，补充多少与膜料的温度有关，在这种条件下，还将获得高浓度铬的膜层。本实验采用了大块镍铬合金材料，故OD 2.0时铬的比例比OD 0.4时的铬还高。

3.3真空度对氧含量的影响

金属镀膜会存在一定的氧化现象，镀膜真空度高，残余气体少，被氧化就少；真空度低，残余气体多，被氧化就多，这可从氧成份占比得到印证。由于氧化铬和氧化镍在可见区基本透明，在膜厚相同的条件下，含氧化物多的膜光密度自然就低，所以低真空度的光密度比高真空度的低。另外，由于氧化铬和氧化镍长波透射率偏高[1112]，因此，对于OD 0.4的薄膜，在短波区域由于铬含量增加提高了光密度，在长波区域由于氧化的原因降低了光密度，所以低真空时中性度优于高真空度；对于OD 2.0的薄膜，中性方向与OD 0.4相反，在短波区域光密度增加而在长波区域减少，更加恶化了膜层的中性度，所以高真空度时中性度更佳。

4结论

用电子枪蒸镀金属合金其蒸镀结果受镀膜工艺影响很大，为获得重复一致的结果，必须严格控制镀膜工艺。真空度对金属膜的氧化有重大影响，在大多数情况下，镀制金属膜的真空度越高越好。但对于“薄”膜（光密度低于1），由于其中性特性是短波光密度低于长波，故可以借助氧化的作用提升光谱中性度，而对于“厚”膜（光密度大于2），需尽量减少氧化，减少铬的占比来提升中性度。

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