机刻光栅铝薄膜纳观沉积模拟分析及其刻划研究

发布时间：2020-09-12 14:40

　　机械刻划光栅属于超精密加工领域,是由刻划机在厚铝薄膜(10-15μm)毛坯上刻划出大量具有周期性的凹槽制备而成。铝薄膜采用真空蒸镀方法获得,79g/mm中阶梯衍射光栅的刻深在3-5μm之间。受真空镀制工艺影响,铝薄膜沉积吸附及生长方式直接决定了薄膜内部微观结构的不同,进而导致其力学性能、表面形貌及光学反射特性不一,同时受基底效应的影响,光栅刻划成槽过程变得更加复杂。本文首先从铝薄膜镀制形成机理出发,基于第一性原理,使用CASTEP软件包建立铝原子吸附模型,计算不同表面吸附位置的吸附能,确定铝原子沉积过程为放热过程。针对镀膜过程中温度持续升高现象,采用分步镀制工艺和连续镀制工艺获得铝薄膜样本,通过AFM、XRD及纳米压痕测试等实验手段,获得了不同镀制工艺下铝薄膜样本力学性能与表面形貌特征等方面的差异,为揭示厚铝薄膜真空镀制生长机理提供了方法与参考。其次,针对机刻光栅深度大、受基底影响及材料隆起规律复杂性问题,本文采用有限元模拟无基底铝薄膜压入过程和有基底铝薄膜压入过程,结合量纲分析理论,研究并获得了槽底回弹量与隆起高度的变化规律。最后,采用分步镀制工艺铝薄膜进行真实刻划试验,对槽底角及刻划刀侧面材料隆起进行分析,该项研究为进一步揭示光栅刻划成槽机理,改善成槽质量提供了参考。
【学位单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG146.21;TB383.2
【部分图文】：

物理形态,衍射光栅,光栅

一个环节的深入研究与改善，对逐步提高机刻光栅质量具有重要的现实意义。光栅毛坯通常由三部分组成：玻璃基底、中间镀铬层和铝薄膜。中间极薄镀铬的存在主要是为了增加薄膜与基底的吸附力，同时由于机刻光栅刻槽深，考虑到基效应与镀铬层的存在，即形成了玻璃—铬—铝膜的“三明治”式膜坯结构，使光栅械刻划过程的研究变得更加复杂。

衍射光栅,光栅

原理图,真空蒸镀,原理图,气相沉积

刻光栅是由金刚石刀具在铝薄膜上刻划出大量呈周期性排列的凹槽而成，铝备是光栅机械刻划工艺流程的第一步,铝薄膜镀制过程形成的微观组织结构身的力学属性，影响刻划成槽质量和光学反射特性，因此有必要了解镀制过膜的生长机理。膜的制备方法及特点膜可以由很多种方法制备，通常将其分为气相沉积、液相沉积、固相沉积三其中以气相沉积为主。通过物理和化学方法可以实现气相沉积[27-29]。常用的有：真空蒸镀、离子镀膜、溅射镀制、分子束外延、电弧等离子体镀等。常气相沉积方法有热化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、低压化学气热丝化学气相沉积、金属有机化学气相沉积和化学束外延等。理气相沉积技术广泛应用于光学、航空航天、机械、电子、建筑等众多薄膜，该技术具有耗材少、工艺过程简单、无污染、成膜均匀致密的特点。机刻膜采用物理气相沉积技术中的真空蒸镀方法获得，真空蒸镀原理图如图 2.1

【参考文献】