膜系設計結(jié)構(gòu)及調(diào)試

1、工藝部專題講座膜系設計、結(jié)構(gòu)及調(diào)試主要內(nèi)容： 1. 膜系設計原理 2. 膜系結(jié)構(gòu) 3. 調(diào)試過程 光學設計光學設計宏觀薄膜干涉理論宏觀薄膜干涉理論 干涉的條件：同一光源發(fā)出、頻率相同、振動方向相同、路徑不同、相位差恒定干涉的結(jié)果：相長和相消利用干涉現(xiàn)象，通過調(diào)節(jié)膜厚來改變顏色或反射率的分析 （1）疊加原理 -90+90之間發(fā)生相長干涉；90270之間發(fā)生相消干涉 （2）界面反射光線的相位變化 當光線由光疏介質(zhì)進入光密介質(zhì)時，界面處的反射光線會有180的相位變化 （3）進入光密介質(zhì)被壓縮 用于計算膜層1/4波長的光學厚度。 eg:550nm處得到一個1/4波長厚度的sio2(n=1.45)膜層的

2、計算： 真空1/4 波長： 5504=137.5 在 sio2 中被壓縮后的修正值： 137.51.45=94.8 在550nm處得到1/4波長光學厚度，sio2的膜層厚度應該約為95nm。舉例：設計一個sio2膜，盡可能地削弱在550nm處的反射分析： 兩列光在界面處反射都有180相位變化，相互抵消，由路徑帶來的相位變化即為最終的相位變化； 盡可能削弱550nm處反射，相消干涉，180路徑相位差，則需1/4波長光學厚度，因為1/4+1/4=1/2, 95nm 在275nm處，95nm厚的膜是半波的長度，1/2+1/2=1 路徑差產(chǎn)生360相位差， 相長干涉，反射增強。 另外，如果膜厚超過95

3、nm，那么最小反射率會紅移，即向更長波長方向，膜層的顏色也會發(fā)生變化 550nm處最小處時，發(fā)射顏色是藍色和紅色光線的中和，眼睛看起來為紫色。限制： 多次反射；多層膜；頻散；微觀材料特性模型微觀材料特性模型+電磁理論電磁理論 （1） 基礎理論： 光是一種電磁波能量 材料具有一定形式的微觀結(jié)構(gòu)：自由電子、振動的原子和晶格、能級結(jié)構(gòu)等 光作用用材料上，會引起材料微觀的運動形式發(fā)生變化，反過來影響光波的電磁場 （2） 處理方法： 光電磁波動學，波動方程表示 材料根據(jù)不同的材料類型，采用不同的處理方法， 經(jīng)典傳播理論中處理原子或晶格振動吸收的物理偶極震蕩模型， 處理帶間躍遷吸收的量子力學模型等 兩者先

4、聯(lián)系，再結(jié)合材料本身的電磁性質(zhì)方程，得到材料的光學常數(shù)模型 （3）數(shù)學計算 電磁學方程和光的波動方程加上數(shù)學推導，得到了一些列單層、多層膜的反射率、透過率、吸收的計算公式 這些計算公式形式：r = f (波長、入射角度、材料光學常數(shù)、膜層厚度) 以上這些是構(gòu)成薄膜設計的計算基礎，是準確計算復雜膜層光學性能的依據(jù)，也是軟件模擬計算的基礎 以lorentz原子諧振子模型為例說明：在外電場作用下，原子內(nèi)部電子和原子核會偶極化，即偏離正常位置，并且圍繞平衡位置做周期運動，在此過程中彼此碰撞會造成能量損耗，故模型化為阻尼諧振器。電子受到加速力、阻力、回復力以及光輻射的電場力，綜合電子的位移和受力總結(jié)得到

5、以下方程：代入光的波動方程：得到電子的位移表達式結(jié)合材料本身的電磁性質(zhì)方程，極化強度矢量： 電位移矢量： 將極化強度presonant 代入可解得該材料的介電常數(shù)（即光學常數(shù)，折射率與其為平方關系）與頻率的表達式：再將該光學常數(shù)代入到上文我們所說的 r = f (波長、入射角度、材料光學常數(shù)、膜層厚度) 晶格匹配 首先考慮光學性能，當力學性能出現(xiàn)問題是再考慮晶格匹配的問題，但一般情況下情況濺射膜層材料通常是多晶結(jié)構(gòu)，晶格匹配比較容易滿足，不做詳細考慮。主要內(nèi)容： 1. 膜系設計原理 2. 膜系結(jié)構(gòu) 3. 調(diào)試過程 各種產(chǎn)品膜系結(jié)構(gòu)玻璃基底底層介質(zhì)層功能層阻擋層中間介質(zhì)組合層功能層阻擋層頂層介質(zhì)

6、層雙銀雙銀low-elow-e玻璃玻璃單銀單銀low-elow-e玻璃玻璃玻璃基底底層介質(zhì)層阻擋層功能層阻擋層頂層介質(zhì)層介質(zhì)層： 提高附著力、改善透光性、調(diào)色阻擋層： 保護ag層、增強接觸性功能層： 紅外反射、改善熱性能玻璃基片 sin: 30-40 nm sin: 35-50 nm nicr: 3-5 nm ag: 7-10 nm nicr: 3-5 nm玻璃基片 sin: znsno: zno: ag: 7-10 nm nicr(o): 3-5 nm sin: 30-50 nm 30-50 nm玻璃基片 sin: znsno: zno: ag: 6-8 nm nicr: 3-5 nm zn

7、alo: ag: 10-12 nm nicr: 3-5 nm znsno: sin: 70-100 nm 30-50 nm 30-50 nm單銀（低透）單銀（低透）單銀（高透）單銀（高透）雙銀雙銀 各膜層的厚度范圍 配靶產(chǎn)量要求節(jié)拍玻璃尺寸和間距工藝走速靶材濺射效率靶功率靶材配備數(shù)量例如： 要求年產(chǎn)量200萬，生產(chǎn)玻璃尺寸24403660，按有效生產(chǎn)時間6500小時計： 節(jié)拍=（65003600）2000000（2.443.66） 104 s 可選90s節(jié)拍配置 考慮玻璃前后間距，玻璃長度按3.8m，90s節(jié)拍下的工藝速度計算： 工藝走速=3.8（9060）=2.5m/min 根據(jù)產(chǎn)品類型的膜

8、層厚度，計算配備靶材的數(shù)量，以硅鋁靶為例，濺射速率按1nm/kw.m/min 生產(chǎn)單銀低透產(chǎn)品，第一層sin厚度按40nm計算，根據(jù)膜厚=濺射效率功率走速，假如硅鋁 靶配100kw電源，實際可以開到60kw，每套硅鋁靶濺射所得厚度計算為： 厚度=1602.5=24，所以要達到要求的40nm工藝厚度，需要配備2套靶材。 另外，配靶還要兼顧到生產(chǎn)不同產(chǎn)品的需求主要內(nèi)容： 1. 膜系設計原理 2. 膜系結(jié)構(gòu) 3. 調(diào)試過程 單靶均勻性功率、氣體、走速值的設定和依據(jù) 走速設為1m/min 功率使膜厚能達到使用公式的范圍 氣體滿足生產(chǎn)工藝壓力值 ？ 單靶均勻性濺射效率值的獲得 走速為1m/min，功率為

9、1kw時的平均膜厚值 如右圖： （61.23+57.79）/252.8=1.13 為配靶和生產(chǎn)時計算膜厚值提供依據(jù) 單靶均勻性由顏色值計算膜厚的公式 單靶均勻性材料的建立：模型選擇 單靶均勻性材料的建立：初始值的設定 目前，我們確定膜層厚度和光學常數(shù)所用的是 全光譜擬合法，即在一定的波譜范圍內(nèi)使模擬 光譜和實測光譜進行擬合，一般采用的是自動 擬合，自動擬合選用的優(yōu)化方法是單純形法， 該優(yōu)化方法可能并不具備全局搜索功能，所以 還是依賴于初始值的設定。 code中帶有的fit on grid 功能 單靶均勻性材料的建立：膜厚-顏色值數(shù)據(jù)的提取疑問：顏色值和光譜的標準問題 1 公式計算基準：d65 2標準觀察者奧博泰在線測量角度10 2 公式中的顏色值是通過擬合光譜提取出來的，那么，在光譜擬合過程中所用的實測光譜測試差別