膜系设计结构及调试

1、工艺部专题讲座膜系设计、结构及调试主要内容： 1. 膜系设计原理 2. 膜系结构 3. 调试过程光 学 设 计1 .宏 观 薄 膜 干 涉 理 论 干 涉 的 条 件 ： 同 一 光 源 发 出 、 频 率 相 同 、 振 动 方 向 相 同 、 路 径 不 同 、 相 位 差 恒 定干 涉 的 结 果 ： 相 长 和 相 消利 用 干 涉 现 象 ， 通 过 调 节 膜 厚 来 改 变 颜 色 或 反 射 率 的 分 析 （ 1 ） 叠 加 原 理 - 9 0 + 9 0 之 间 发 生 相 长 干 涉 ； 9 0 2 7 0 之 间 发 生 相 消 干 涉 （ 2 ） 界 面 反 射 光

2、线 的 相 位 变 化 当 光 线 由 光 疏 介 质 进 入 光 密 介 质 时 ， 界 面 处 的 反 射 光 线 会 有 1 8 0 的 相 位 变 化 （ 3 ） 进 入 光 密 介 质 被 压 缩 用 于 计 算 膜 层 1 / 4 波 长 的 光 学 厚 度 。 e g : 5 5 0 n m 处 得 到 一 个 1 / 4 波 长 厚 度 的 S i O 2 ( n = 1 . 4 5 ) 膜 层 的 计 算 ： 真 空 1 / 4 波 长 ： 5 5 0 4 = 1 3 7 . 5 在 S i O 2 中 被 压 缩 后 的 修 正 值 ： 1 3 7 . 5 1 . 4 5

3、= 9 4 . 8 在 5 5 0 n m 处 得 到 1 / 4 波 长 光 学 厚 度 ， S i O 2 的 膜 层 厚 度 应 该 约 为 9 5 n m 。举例：设计一个SiO2膜，尽可能地削弱在550nm处的反射分析： 两列光在界面处反射都有180相位变化，相互抵消，由路径带来的相位变化即为最终的相位变化； 尽可能削弱550nm处反射，相消干涉，180路径相位差，则需1/4波长光学厚度，因为1/4+1/4=1/2, 95nm 在275nm处，95nm厚的膜是半波的长度，1/2+1/2=1 路径差产生360相位差， 相长干涉，反射增强。 另外，如果膜厚超过95nm，那么最小反射率会红

4、移，即向更长波长方向，膜层的颜色也会发生变化 550nm处最小处时，发射颜色是蓝色和红色光线的中和，眼睛看起来为紫色。限制： 多次反射；多层膜；频散；2 .微 观 材 料 特 性 模 型 + 电 磁 理 论 （ 1 ） 基 础 理 论 ： 光 是 一 种 电 磁 波 能 量 材 料 具 有 一 定 形 式 的 微 观 结 构 ： 自 由 电 子 、 振 动 的 原 子 和 晶 格 、 能 级 结 构 等 光 作 用 用 材 料 上 ， 会 引 起 材 料 微 观 的 运 动 形 式 发 生 变 化 ， 反 过 来 影 响 光 波 的 电 磁 场 （ 2 ） 处 理 方 法 ： 光 电 磁 波

5、动 学 ， 波 动 方 程 表 示 材 料 根 据 不 同 的 材 料 类 型 ， 采 用 不 同 的 处 理 方 法 ， 经 典 传 播 理 论 中 处 理 原 子 或 晶 格 振 动 吸 收 的 物 理 偶 极 震 荡 模 型 ， 处 理 带 间 跃 迁 吸 收 的 量 子 力 学 模 型 等 两 者 先 联 系 ， 再 结 合 材 料 本 身 的 电 磁 性 质 方 程 ， 得 到 材 料 的 光 学 常 数 模 型 （ 3 ） 数 学 计 算 电 磁 学 方 程 和 光 的 波 动 方 程 加 上 数 学 推 导 ， 得 到 了 一 些 列 单 层 、 多 层 膜 的 反 射 率 、

6、透 过 率 、 吸 收 的 计 算 公 式 这 些 计 算 公 式 形 式 ：R = f ( 波 长 、 入 射 角 度 、 材 料 光 学 常 数 、 膜 层 厚 度 ) 以 上 这 些 是 构 成 薄 膜 设 计 的 计 算 基 础 ， 是 准 确 计 算 复 杂 膜 层 光 学 性 能 的 依 据 ， 也 是 软 件 模 拟 计 算 的 基 础 以 L o r e n t z 原 子 谐 振 子 模 型 为 例 说 明 ：在 外 电 场 作 用 下 ， 原 子 内 部 电 子 和 原 子 核 会 偶 极 化 ， 即 偏 离 正 常 位 置 ， 并 且 围 绕 平 衡 位 置 做周 期 运

7、 动 ， 在 此 过 程 中 彼 此 碰 撞 会 造 成 能 量 损 耗 ， 故 模 型 化 为 阻 尼 谐 振 器 。 电 子 受 到 加 速 力 、阻 力 、 回 复 力 以 及 光 辐 射 的 电 场 力 ， 综 合 电 子 的 位 移 和 受 力 总 结 得 到 以 下 方 程 ：代 入 光 的 波 动 方 程 ：得 到 电 子 的 位 移 表 达 式结 合 材 料 本 身 的 电 磁 性 质 方 程 ， 极 化 强 度 矢 量 ： 电 位 移 矢 量 ： 将 极 化 强 度Pr e s o n a n t 代 入 可 解 得 该 材 料 的 介 电 常 数 （ 即 光 学 常 数 ，

8、 折 射 率 与 其 为 平 方 关 系 ） 与 频 率 的 表 达 式 ：再 将 该 光 学 常 数 代 入 到 上 文 我 们 所 说 的 R = f (波长、入射角度、材料光学常数、膜层厚度) 晶格匹配 首先考虑光学性能，当力学性能出现问题是再考虑晶格匹配的问题，但一般情况下情况溅射膜层材料通常是多晶结构，晶格匹配比较容易满足，不做详细考虑。主要内容： 1. 膜系设计原理 2. 膜系结构 3. 调试过程 各种产品膜系结构玻璃基底底层介质层功能层阻挡层中间介质组合层功能层阻挡层顶层介质层双银双银low-Elow-E玻璃玻璃单银单银low-Elow-E玻璃玻璃玻璃基底底层介质层阻挡层功能层阻

9、挡层顶层介质层介质层： 提高附着力、改善透光性、调色阻挡层： 保护Ag层、增强接触性功能层： 红外反射、改善热性能玻璃基片 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 ZnAlO: Ag: 10-12 nm NiCr: 3-5 nm ZnSnO: SiN: 70-100 nm

10、30-50 nm 30-50 nm单银（低透）单银（高透）双银 各膜层的厚度范围 配靶产量要求节拍玻璃尺寸和间距工艺走速靶材溅射效率靶功率靶材配备数量例如： 要求年产量200万，生产玻璃尺寸24403660，按有效生产时间6500小时计： 节拍=（65003600）2000000（2.443.66） 104 S 可选90S节拍配置 考虑玻璃前后间距，玻璃长度按3.8m，90S节拍下的工艺速度计算： 工艺走速=3.8（9060）=2.5m/min 根据产品类型的膜层厚度，计算配备靶材的数量，以硅铝靶为例，溅射速率按1nm/kw.m/min 生产单银低透产品，第一层SiN厚度按40nm计算，根据膜

11、厚=溅射效率功率走速，假如硅铝 靶配100kw电源，实际可以开到60kw，每套硅铝靶溅射所得厚度计算为： 厚度=1602.5=24，所以要达到要求的40nm工艺厚度，需要配备2套靶材。 另外，配靶还要兼顾到生产不同产品的需求主要内容： 1. 膜系设计原理 2. 膜系结构 3. 调试过程 单靶均匀性1. 功率、气体、走速值的设定和依据 走速设为1m/min 功率使膜厚能达到使用公式的范围 气体满足生产工艺压力值 ？ 单靶均匀性2. 溅射效率值的获得 走速为1m/min，功率为1kw时的平均膜厚值 如右图： （61.23+57.79）/252.8=1.13 为配靶和生产时计算膜厚值提供依据 单靶均

12、匀性3. 由颜色值计算膜厚的公式 单靶均匀性材料的建立： 模型选择 单靶均匀性材料的建立： 初始值的设定 目前，我们确定膜层厚度和光学常数所用的是 全光谱拟合法，即在一定的波谱范围内使模拟 光谱和实测光谱进行拟合，一般采用的是自动 拟合，自动拟合选用的优化方法是单纯形法， 该优化方法可能并不具备全局搜索功能，所以 还是依赖于初始值的设定。 code中带有的fit on grid 功能 单靶均匀性材料的建立： 膜厚-颜色值数据的提取疑问：颜色值和光谱的标准问题 1 公式计算基准：D65 2标准观察者奥博泰在线测量角度10 2 公式中的颜色值是通过拟合光谱提取出来的，那么，在光谱拟合过程中所用的实

13、测光谱测试差别（奥博泰与perkin elma的区别） 单靶均匀性材料的建立： 膜厚-颜色值公式的拟合 产品调试1. 功率、气体、走速值的设定和依据 产品调试2. 根据热学性能确定Ag层3. 调整NiCr满足透过率要求 产品调试4. 根据颜色值变化调整某一层的功率或气体量来微调产品光谱曲线形状 产品调试5. 调整幅度的依据主要内容： 1. 膜系设计原理 2. 膜系结构 3. 调试过程主要内容： 1. 膜系设计原理 2. 膜系结构 3. 调试过程 各种产品膜系结构玻璃基底底层介质层功能层阻挡层中间介质组合层功能层阻挡层顶层介质层双银双银low-Elow-E玻璃玻璃单银单银low-Elow-E玻璃玻璃玻璃基底底层介质层阻挡层功能层阻挡层顶层介质层介质层： 提高附着力、改善透光性、调色阻挡层： 保护Ag层、增强接触性功能层： 红外反射、改善热性能 单靶均匀性2. 溅射效率值的获得 走速为1m/min，功率为1kw时的平均膜厚值 如右图： （61.2