光学镀膜洁净生产线的设计与优化

光学镀膜洁净生产线的设计与优化

王勇义

412723198911065911

摘要：近年来，我国社会迅速发展，促进了各个行业的进步。光学薄膜生产线各工序的洁净度应根据洁净度对工序质量的影响程度来确定，并将相近工序置于同一空调系统。一个面积较大的洁净生产线必然由多个空调系统构成，物料流转对各系统的洁净度有重要影响，因此生产线布局应尽可能做到单向流。整个洁净镀膜生产线还应考虑施工成本和运行成本，在保障基本要求的前提下进行全面优化。

关键词：光学镀膜；洁净生产线；设计优化

引言

光学薄膜是指利用光学干涉原理在光学玻璃基底上镀制的一层或多层介质或金属薄膜，以改变光线传递特性，包括光的反射、透射、吸收、偏振等。光学薄膜器件是各种光学仪器、图像显示产品、光学存储设备的核心部件。目前，光学镀膜及胶合工序通常在千级洁净等级环境下完成。

1光学薄膜器件制造工艺流程

精密光学薄膜器件的面型精度通常要求0.001~0.100μm，角精度秒级，表面粗糙度达到0.0125μm，甚至更高。若精密光学薄膜器件出现表面缺陷，势必会增加光学表面的散射和对入射光的吸收，继而直接影响整个光学系统的性能，而表面颗粒物是导致器件表面出现缺陷的重要原因之一。首先利用超声波清洗机的超声波空化作用和清洗剂的清洁脱水作用，实现玻璃表面的高度洁净，然后将清洁好的基片装到镀膜卡具上，利用光的干涉原理在光学零件表面上沉积一层（或多层）金属（或介质）薄膜，最后根据光学薄膜器件结构，使用环氧树脂胶对多片光学薄膜镜片半成品黏合，并将组合的滤光片装配在金属外壳中。

精密光学薄膜器件的镀膜及胶合过程对生产环境的空气洁净度要求非常高。其中，基片组装、光学镀膜、胶合装配工序均需要在洁净环境下完成，以避免光学薄膜器件出现表面缺陷，继而影响器件乃至整个光学系统的性能，同时在超声清洗工艺环节用到的洗剂及脱水剂、镀膜过程用到的硫（氟）化物等镀膜材料以及在装配胶合工序用到的酒精乙醚均会对生产环境造成污染，需要进行局部排风收集处理后排放。

2基于真空金属镀膜的手印显现技术

2.1基于蒸发镀膜的手印显现技术

真空蒸发镀膜显现手印的基本原理是在真空环境下将金属或金属化合物加热并蒸发，使气态的原子或分子沉积在物证表面形成薄膜，进而显现出手印。根据镀料的蒸发次数，基于真空蒸发镀膜的手印显现技术可以分为两步蒸镀法和一步蒸镀法。

（1）基于两步蒸镀的手印显现技术

Au和Zn是两步蒸镀显现手印最常用的镀料组合。Au/Zn两步蒸镀的主要过程为：第一步，蒸发Au，使Au粒子沉积在背景客体上形成无色的Au薄膜，作为下一步Zn沉积的成核位点，同时部分Au粒子渗透进手印残留物内部；第二步，蒸发Zn，Zn只沉积在Au表面，在客体表面形成银灰色的Zn膜，增强了手印残留物与背景客体的对比度，形成手印的负像图像。

但是Au/Zn蒸发镀膜对塑料表面的手印显现效果较差，并且Au较为昂贵。为了开发出成本较低的高效真空镀膜手印显现技术，学者们尝试在不同客体表面进行Ag/Zn、Cu/Zn、Al/Zn等组合的蒸发镀膜研究，发现这些金属组合在特定客体表面的手印显现效果都优于Au/Zn组合，如Ag/Zn组合对Cu与不锈钢表面，Cu/Zn组合对塑料客体表面，以及Al/Zn组合对照相纸表面等潜手印的显现效果都优于Au/Zn组合。

（2）基于一步蒸镀的手印显现技术

基于一步蒸镀的手印显现技术只需要蒸发一次镀料，使用的镀料主要为熔点低、价格相对低廉的物质(如ZnO、Ag、Cu等)，具有操作简单、成本较低、对客体耐高温性要求低等优点，逐渐被研究人员重视。

直接将ZnO蒸发沉积在聚对苯二甲酸乙二酯(PET)材质的客体表面，不需要Au作为成核位点，可以直接显出潜手印，对陈旧手印的显现效果甚至优于Au/Zn蒸发镀膜。通过一步蒸镀Ag显现深色织物(包括绸缎、涤纶、聚酯棉和棉花)上的潜手印。结果表明，绸缎和涤纶上的手印显现效果最好，由于Ag膜的颜色较浅，因此对深色织物上潜手印的显现效果比采用二步蒸镀Au/Zn时更好。通过一步蒸镀Ag显现被水浸泡过的聚氯乙烯(PVC)上的潜手印，获得了比二步蒸镀Au/Zn更多的纹线细节。先通过一步蒸镀Cu在聚合物纸币上沉积一层很薄(低于1.6nm)的Cu膜来显现手印，接着使用明胶提取器提取含有铜沉积物的手印残留物，再用红氨酸处理以增强手印的显现效果。该法的优点是沉积的薄膜非常薄，不会影响纸币的重新使用。

2.2基于溅射镀膜的手印显现技术

溅射镀膜显现手印是指在真空条件下，采用辉光放电使惰性气体离子高速冲击靶材料，沉积在待检材料表面而形成薄膜。相对于蒸发镀膜，溅射镀膜具有以下优点：（1）镀膜过程温度较低(在100℃以下)，适合塑料等材料表面的手印显现；（2）沉积的薄膜均匀；（3）溅射用的靶材料种类繁多，几乎所有金属、化合物或介质都可以作为靶材料。

使用直流金属溅射工艺，分别以Cu、Zn、Pt和Au作为靶材，在PVC基底上实现潜手印显现，发现以Pt为溅射靶材时潜手印的显现效果最好。选择Cu和Au为靶材，通过磁控溅射沉积显现了不锈钢基板上的老旧手印，发现Au膜对陈旧手印的显现效果更好。通过磁控溅射沉积显现PET表面的潜手印，研究了Cu、Cr和Al三种金属及其膜厚对手印显现效果的影响。结果表明，Cu膜的显现效果比Cr膜和Al膜要好，控制薄膜厚度为10~20nm时能得到更多的纹线细节。

3镀膜生产线优化设计

目前，整个洁净生产线共分为3个等级，理论上相同净化等级的空间应该划分在同一个空调系统中。但3个等级的空间交错排布，因此不能直接按净化等级来划分空调系统，必须在满足使用要求的前提下进行优化。系统优化可以从两方面考虑：首先是工程的角度要避免不同的空调系统交叉，否则管道施工难度增加，提高建设成本；其次是相近的工作区尽可能在同一个空调系统，减少人流物流对洁净度的影响。             

首先，将冷水机、纯水机及空压机等辅助设备纳入镀膜设备区，构成一个独立的空调系统，负载面积约500m2，洁净等级均为ISO8级，但辅助设备区可以适当减配或者减少回风作为该空调系统的泄压区。设备区设计为ISO8级，比镀膜区低2级，镀膜区相对设备区是正压，有助于保障镀膜区的洁净度。另外，镀膜设备操作人员需要经常出入设备区维护设备，设备区设计为ISO8级可减少人员出入对镀膜区洁净度的影响。

其次，将基片预处理区、超声清洗区、检验装片区和镀膜操作区纳入一个空调系统，面积约500m2，洁净等级为ISO6级。由于基片预处理、超声清洗对洁净度需求不需要那么高，而且容易产生污染物，所以这两个区域的高效口和回风口数量可以适当减少。检验装片区可配置超净台以进一步提高局部工作区的洁净度，镀膜作业的基片装载区也可以设置FFU以提高关键区域的洁净度。

生产线其余的区域纳入另一个空调系统，面积约700m2，洁净等级均统一到ISO7级，有利于调整不同工作区面积的大小。光学零件间的组装过程可采用超净台提高局部区域的洁净度，而走廊和更衣室可作为空调系统的泄压区，保障该空调系统相对镀膜区的低压。

综上，整个镀膜洁净生产线经过优化后，3个空调系统面积相近，可采用相同或者相近的空调机组。3个净化系统中间洁净度高，边缘洁净度低，气压平衡容易实现，运行过程有保障。重点区域洁净度局部提高解决方案比较容易实现，与生产实际符合度高。

结语

净化生产线是一个系统工程，能耗大是其最大的不足，如何在保障生产环境的前提下低成本地使用好净化生产线需要从多方面入手。生产线布局设计是一个方面，空调系统的设计和施工是另一个方面，而使用过程中的管理、定期检测、维护保养则是更重要的方面。

参考文献

[1]王娟.10万级大面积、大跨度洁净空调厂房设计[J].福建建筑,1997(4):40-42.

[2]伊伟奇,李浩,李超,等.ISO6级洁净室换气次数确定方法的实验研究[J].建筑节能(中英文),2023,51(4):71-76.

[3]李晓燕,马军.药品生产及包装洁净车间空调净化系统设计[J].包装工程,2004(3):76-79.