光学镀膜产品常见问题分析与解决措施

在镀膜生产领域，产品质量的稳定性与可靠性至关重要。然而，膜强度不良、膜料点、膜色差异以及膜脏等问题频繁出现，严重制约了产品品质的提升与生产效率的提高。本文将对这些问题进行深入剖析，并提出针对性的精准解决方案，助力镀膜行业实现高质量发展。

一、膜强度不良

（一）成因解析

1. 基片与膜层结合缺陷
   • 杂质残留干扰
     
     ：在光学冷加工及清洗工序中，基片表面不可避免地会附着水汽、油汽、清洗液、抛光粉等有害杂质。光学冷加工造成的表面破坏层内，杂质更是难以通过常规手段彻底清除，对于亲水性强、吸附力高的基片，这种情况尤为突出。当膜料分子在这些杂质上堆积时，膜层与基片的附着受到严重影响，进而导致膜强度降低。
   • 基片特性影响
     
     ：基片的亲水性和吸附力若较差，无法为膜层提供良好的附着基础，使得膜强度难以达到理想状态。此外，硝材化学稳定性欠佳，在基片前加工流转过程中，其表面可能形成局部且极薄的腐蚀层或水解层。膜层镀覆在这些不良层上，吸附效果大打折扣，膜牢固度显著下降。
   • 表面局部污染
     
     ：基片表面存在的脏污、油斑、灰点、口水点等局部污染物，会破坏膜层的均匀附着，造成局部膜牢固度不良，进而影响整体膜强度。
2. 膜层应力危害
   • 应力产生机制
     
     ：薄膜成膜过程是物质形态的剧烈转变，在此过程中，膜层内部不可避免地会产生应力。在多层膜结构中，不同膜料的组合会导致各膜层产生不同类型的应力，包括张应力、压应力以及膜层与基片之间的热应力。
   • 应力破坏表现
     
     ：应力的存在对膜强度危害极大。轻度时，膜层的耐磨性能下降；严重时，会引发膜层龟裂或出现网状细道子，使膜层的完整性和功能性受到严重破坏。虽然减反膜层数相对较少，应力问题通常不明显，但部分特殊硝材镜片即使是减反膜也可能受应力困扰；而高反膜、滤光膜由于层数较多，应力成为常见的质量隐患。
3. 外层膜表面硬度不足
   
   ：减反膜的外层通常选用 MgF₂，其膜层剖面呈现较为松散的柱状结构，这使得表面硬度较低，在日常擦拭过程中极易被划伤，形成道子，降低膜层的防护性能和外观质量。
4. 其他影响因素
   • 真空与加热异常
     
     ：真空度过低（特别是在手动控制机台操作中容易出现）、真空室清洁不到位以及基片加热未达到要求，都会对膜强度产生负面影响。
   • 气体与膜料放气干扰
     
     ：在充入辅助气体时，如果膜料同时放气，会导致真空度急剧下降，分子自由程大幅缩短，从而使膜层的结合力减弱，牢固度降低。因此，镀前对膜料进行充分预熔放气，是避免蒸镀过程中膜料放气导致真空度过度下降、影响膜强度的关键措施。
5. 脱膜现象根源
   
   ：脱膜表现为点状、边缘或局部脱膜，其主要原因是膜内混入了脏污或污染物，破坏了膜层的连续性和附着力。

（二）精准对策

1. 基片全方位优化处理
   • 强化去油去污流程
     
     ：采用超声波清洗时，应着重优化去油功能，确保去油溶液的有效性和稳定性；若采用手擦方式，可先使用碳酸钙粉进行擦拭，再进行彻底清擦，以有效去除顽固污渍。
   • 完善镀前烘烤工艺
     
     ：在条件允许的情况下，将基片温度提升至 300℃以上，并保持恒温 20 分钟以上，以充分挥发水汽和油汽。但需注意，高温会使基片吸附能力增强，容易吸附灰尘，因此必须同步提高真空室的洁净度。同时，并非所有零件都适合高温烘烤，需根据硝材特性进行谨慎选择，防止出现膜强度降低和色斑等问题。
   • 安装冷凝设备辅助
     
     ：有条件的企业可安装冷凝机（PLOYCOLD），这不仅能显著提高机组真空抽速，还能有效帮助去除基片表面的水汽和油气，为高质量镀膜创造良好条件。
   • 提升蒸镀真空度标准
     
     ：对于 1 米以上的镀膜机，蒸镀启动真空应严格高于 3×10⁻³Pa，且镀膜机越大，对启动真空度的要求越高，以确保膜层的高质量沉积。
   • 运用离子源技术加持
     
     ：安装离子源，在镀前对基片表面进行轰击清洁，去除表面杂质和氧化物；在镀膜过程中，离子源辅助可增强膜层的密实度和附着力，显著提高膜强度。
   • 实施膜料去潮处理
     
     ：将待用膜料用培养皿盛放，放置在真空室中进行干燥处理，去除膜料中的水分，防止因膜料受潮影响镀膜质量。
   • 严格控制工作环境
     
     ：保持工作环境的干燥，特别是镜片擦拭和上伞工作区；在清洁工作环境时，要避免带入过多水汽，防止对基片和膜层产生不良影响。
   • 优化膜系设计匹配
     
     ：在多层膜设计时，充分考虑第一层膜与基片的匹配性。对于大部分基片，可选用对其吸附力良好的 Al₂O₃膜料；对于金属膜，第一层可考虑镀 Cr 或 Cr 合金，以增强膜层与基片的结合力。
   • 去除表面不良层
     
     ：采用研磨液（抛光液）复新工艺，去除镜片表面的腐蚀层（水解层），为膜层提供清洁、平整的附着表面。
   • 合理调整蒸发速率
     
     ：适当降低蒸发速率，有助于提高膜强度和膜表面的光滑度，使膜层更加均匀、致密。
2. 应力有效控制策略
   • 优化镀后烘烤与降温程序
     
     ：镀完最后一层膜后，延续 10 分钟的 “回火” 过程，使膜层结构充分稳定；同时，适当延长降温时间，进行退火时效处理，有效减少因真空室内外温差过大产生的热应力。
   • 严格控制基片温度
     
     ：在蒸镀高反膜、滤光膜时，严格控制基片温度，避免温度过高产生热应力，同时防止对氧化钛、氧化钽等膜料的光学稳定性造成负面影响。
   • 引入离子辅助镀膜技术
     
     ：在镀膜过程中采用离子辅助技术，通过离子的轰击作用，减少膜层内部应力，提高膜层质量。
   • 精心选择膜系匹配方案
     
     ：选择合适的膜系，如五层减反膜可采用 Al₂O₃ – ZrO₂ – Al₂O₃ – Al₂O₃ – ZrO₂ – MgF₂的组合，ZrO₂也可选用 SV – 5（一种 ZrO₂ TiO₂混合膜料）或其他混合高折射率膜料，以优化膜层性能，减少应力产生。
   • 精准调整蒸发速率
     
     ：适当减小蒸发速率，如 Al₂O₃控制在 2.5Å/s，ZrO₂为 3Å/s，MgF₂为 6Å/s，使膜料分子均匀沉积，降低应力积累。
   • 实施充氧反应镀工艺
     
     ：对氧化物膜料全部进行充氧反应镀，根据不同膜料的特性精确控制氧进气量，改善膜层结构和性能。
3. 外层膜性能提升措施
   • 添加 SiO₂防护层
     
     ：在膜系设计允许的情况下，在外层添加 10nm 左右的 SiO₂层，镀后进行几分钟的离子轰击，可有效提高膜层的牢固度，但需注意表面会略微变粗。
   • 优化环境存储条件
     
     ：镜片出真空室后，放置在干燥、洁净的环境中，防止快速吸潮导致表面硬度降低，影响膜层性能。
4. 其他问题针对性解决
   
   ：镀前对膜料进行充分预熔放气，避免蒸镀中膜料放气造成真空度过度下降，确保膜层的高质量沉积，提高膜强度。
5. 脱膜问题解决方法
   
   ：通过提高基片的洁净度，从源头上减少膜内脏污和污染物的混入，有效解决脱膜问题。

二、膜料点

（一）成因洞察

膜料点是指在蒸镀过程中，大颗粒膜料点随着膜料蒸汽分子一同蒸镀到基片表面，形成点状突起。严重时，这些突起会成片出现，大颗粒甚至可能打伤基片表面，影响产品质量和性能。不同膜料具有不同的蒸发特性，其中非升华材料（熔点温度小于蒸发温度，由固态先熔化成液态再蒸发）最容易产生膜料点。这是因为液态膜料在继续加热时会沸腾，膜料中的气泡溢出，大大增加了飞溅膜料点的可能性，有时在预熔阶段就会出现较大的飞溅现象。此外，膜料受潮后，在预熔或蒸镀时水汽逸出，也会引发飞溅，产生膜料点。

（二）解决策略

1. 膜料严格筛选与处理
   • 精选优质膜料
     
     ：选择杂质含量少、纯度高的膜料，从源头上减少膜料点的产生。
   • 精准控制膜料颗粒
     
     ：对于易飞溅的膜料，根据其特性选择合适颗粒大小的产品，优化蒸发过程。
   • 精细筛滤膜料
     
     ：在镀前使用网筛对膜料进行筛选，去除大颗粒杂质，确保膜料的均匀性。
   • 精心预熔操作
     
     ：MgF₂必须熔透一次蒸镀所需的全部膜料，Ta₂O₅和 TiO₂则要进行彻底熔透，避免因预熔不充分导致膜料点出现。
2. 设备维护与操作优化
   • 严防膜料污染
     
     ：当使用一把电子枪镀制多种膜料时，要防止坩埚转动过程中膜料掺杂以及挡板掉下膜料渣造成污染。一旦发现坩埚膜料有污染，必须立即更换，确保膜料的纯净度。
   • 保持设备清洁
     
     ：定期对蒸发舟、坩埚等设备进行清洁，尽量使其保持干净状态，减少杂质对膜料的影响。
   • 优化蒸发速率
     
     ：根据膜料特性选择合适的蒸发速率，并确保速率曲线平滑。对于非升华材料，应严格控制蒸发速率，避免过高导致膜料飞溅。
   • 彻底膜料去潮
     
     ：将待用膜料用培养皿盛放，放置在真空室中进行干燥处理，去除膜料中的水分，防止因受潮引发膜料点。

三、膜色差异

（一）成因分析

1. 整罩均匀性问题（伞差）
   • 修正板故障
     
     ：均匀性修正板（补正板）出现问题，无法对膜料的沉积进行有效调整，导致整罩上、中、下膜色不一致，分光测试曲线呈现明显差异。
   • 伞片变形影响
     
     ：长期使用的伞片可能发生变形，改变了膜料在基片上的沉积路径和分布，使得原本均匀的膜色逐渐变得不均匀。
   • 膜料状况不均
     
     ：膜料的蒸发状态不一致，特别是升华和半升华膜料被打偏、挖坑等情况，会严重影响整罩和单片的均匀性。手工预熔时，不同操作人员的手法差异会导致膜料状况各不相同，进一步加剧膜色差异。
2. 单片膜色不均匀
   • 基片与伞片不匹配
     
     ：基片凹凸严重，与伞片曲率差异较大，使得基片上部或下部法线与蒸发源构成的蒸发角差异显著，导致镜片各部位接受膜料的条件不同，膜厚差异明显，从而造成膜色不均匀。
   • 遮挡与污染问题
     
     ：镜片被镜圈（碟片）边缘部遮挡，或者镜圈（碟片）表面脏污在蒸镀时污染镜片，都会影响膜料的均匀沉积，导致膜色差异。

（二）解决对策

1. 整罩均匀性提升措施
   • 精准调整修正板
     
     ：对修正板进行精细调整，充分考虑高低折射率膜料的平衡兼容。当有两个蒸发源时，在条件允许的情况下，为每个蒸发源独立配置修正板，避免相互干扰，确保膜料均匀沉积。
   • 采用先进行星夹具
     
     ：条件许可时，采用行星夹具，通过其独特的运动方式，使基片在蒸镀过程中均匀接受膜料，有效改善整罩均匀性。
   • 伞片整形与管理优化
     
     ：对变形的伞片进行整形，先加工一个强度较高的 R 基模，然后在基模上对伞片进行精确整形。在订购伞片时，合理选择伞片的厚度和原材料，防止伞片变形；同时，加强伞片的摆放管理，避免因摆放不当导致变形。
   • 优化膜料蒸发状况
     
     ：在电子枪蒸镀升华、半升华材料时，严格控制工艺参数，避免将膜料打塌、挖坑。对于能够自动预熔的膜料，尽量采用自动预熔方式，减少人为因素对膜料状况的影响。
2. 单片膜色均匀性改善方法
   • 选用适配设备与夹具
     
     ：条件允许时，使用行星夹具；选择伞片平坦（R 大）的机台，减少因基片与伞片曲率差异导致的膜色不均匀。
   • 定制专用修正板
     
     ：根据伞片孔位分布和基片形状，制作专门的锯齿形修正板，对膜料的沉积进行精准调整，改善单片膜色均匀性。
   • 合理调整蒸发源位置
     
     ：将蒸发源往真空室中间移动，优化基片各部位与蒸发源的相对位置，使膜料更均匀地沉积在基片上，改善单片膜色均匀性。
   • 优化镜圈（碟片）设计与清洁
     
     ：对镜圈（碟片）进行优化设计，防止其对镜片造成遮挡；注意旋转伞架相应部位对边缘镜片的部分遮挡问题；定期清洁镜圈（碟片），避免其在蒸镀时污染镜片；同时，改善膜料蒸发状况，确保膜料均匀分布。

四、膜脏（白压克）

（一）成因探究

膜脏是指膜层内或膜外存在各种脏污，包括灰尘点、白雾、油斑、指纹印、口水点等。这些脏污的来源广泛，可能是生产环境中的灰尘、操作人员的不当接触、设备清洁不彻底等，严重影响膜层的外观和性能。

（二）解决思路

全面、系统地检讨生产过程中的每一个环节，从原材料采购、设备维护、人员操作到环境管理，制定严格的质量控制标准和操作规范，杜绝脏污染的产生。通过加强人员培训、优化生产流程、提高设备清洁度和环境洁净度等措施，确保膜层的清洁度，提升镀膜产品的质量和可靠性。