膜系設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)及調(diào)試課件

工藝部專題講座膜系設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)及調(diào)試工藝部專題講座膜系設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)及調(diào)試1主要內(nèi)容：1.膜系設(shè)計(jì)原理2.膜系結(jié)構(gòu)3.調(diào)試過程主要內(nèi)容：1.膜系設(shè)計(jì)原理2光學(xué)設(shè)計(jì)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；90°~270°之間發(fā)生相消干涉

（2）界面反射光線的相位變化

當(dāng)光線由光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)時(shí)，界面處的反射光線會有180°的相位變化

（3）進(jìn)入光密介質(zhì)被壓縮

用于計(jì)算膜層1/4波長的光學(xué)厚度。eg:550nm處得到一個(gè)1/4波長厚度的SiO2(n=1.45)膜層的計(jì)算：

真空1/4

波長：550÷4=137.5

在

SiO2

中被壓縮后的修正值：

137.5÷1.45=94.8

在550nm處得到1/4波長光學(xué)厚度，SiO2的膜層厚度應(yīng)該約為95nm。光學(xué)設(shè)計(jì)3舉例：設(shè)計(jì)一個(gè)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(xué)厚度，因?yàn)?/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(qiáng)。

另外，如果膜厚超過95nm，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(shí)，發(fā)射顏色是藍(lán)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；膜系設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)及調(diào)試ppt課件4微觀材料特性模型+電磁理論

（1）

基礎(chǔ)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(yùn)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(xué)，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(xué)模型等

兩者先聯(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(xué)常數(shù)模型

（3）數(shù)學(xué)計(jì)算

電磁學(xué)方程和光的波動方程加上數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得到了一些列單層、多層膜的反射率、透過率、吸收的計(jì)算公式

這些計(jì)算公式形式：R=f(波長、入射角度、材料光學(xué)常數(shù)、膜層厚度)

以上這些是構(gòu)成薄膜設(shè)計(jì)的計(jì)算基礎(chǔ)，是準(zhǔn)確計(jì)算復(fù)雜膜層光學(xué)性能的依據(jù)，也是軟件模擬計(jì)算的基礎(chǔ)

膜系設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)及調(diào)試ppt課件5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(yùn)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(fù)力以及光輻射的電場力，綜合電子的位移和受力總結(jié)得到以下方程：代入光的波動方程：得到電子的位移表達(dá)式結(jié)合材料本身的電磁性質(zhì)方程，極化強(qiáng)度矢量：

電位移矢量：

將極化強(qiáng)度Presonant

代入可解得該材料的介電常數(shù)（即光學(xué)常數(shù)，折射率與其為平方關(guān)系）與頻率的表達(dá)式：再將該光學(xué)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(xué)常數(shù)、膜層厚度)R=f(波長、入射角度、材料光學(xué)常數(shù)、膜層厚度)6晶格匹配

首先考慮光學(xué)性能，當(dāng)力學(xué)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(xì)考慮。晶格匹配7主要內(nèi)容：1.膜系設(shè)計(jì)原理2.膜系結(jié)構(gòu)3.調(diào)試過程主要內(nèi)容：1.膜系設(shè)計(jì)原理8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)層雙銀low-E玻璃單銀low-E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(hù)Ag層、增強(qiáng)接觸性功能層：

紅外反射、改善熱性能各種產(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9玻璃基片SiN:30-40nmSiN:35-50nmNiCr:3-5nmAg:7-10nmNiCr:3-5nm玻璃基片SiN:ZnSnO:ZnO:Ag:7-10nmNiCr(O):3-5nmSiN:30-50nm30-50nm玻璃基片SiN:ZnSnO:ZnO:Ag:6-8nmNiCr:3-5nmZnAlO:Ag:10-12nmNiCr:3-5nmZnSnO:SiN:70-100nm30-50nm30-50nm單銀（低透）單銀（高透）雙銀各膜層的厚度范圍玻璃基片SiN:30-40nm10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2440×3660，按有效生產(chǎn)時(shí)間6500小時(shí)計(jì)：

節(jié)拍=（6500×3600）÷[2000000÷（2.44×3.66）]≈104S——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(jì)算：

工藝走速=3.8÷（90÷60）=2.5m/min

根據(jù)產(chǎn)品類型的膜層厚度，計(jì)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(jì)算，根據(jù)膜厚=濺射效率×功率÷走速，假如硅鋁

靶配100kw電源，實(shí)際可以開到60kw，每套硅鋁靶濺射所得厚度計(jì)算為：

厚度=1×60÷2.5=24，所以要達(dá)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)品的需求配靶11主要內(nèi)容：1.膜系設(shè)計(jì)原理2.膜系結(jié)構(gòu)3.調(diào)試過程主要內(nèi)容：1.膜系設(shè)計(jì)原理12單靶均勻性功率、氣體、走速值的設(shè)定和依據(jù)

走速——設(shè)為1m/min

功率——使膜厚能達(dá)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13單靶均勻性濺射效率值的獲得

走速為1m/min，功率為1kw時(shí)的平均膜厚值

如右圖：

（61.23+57.79）/2÷52.8=1.13

為配靶和生產(chǎn)時(shí)計(jì)算膜厚值提供依據(jù)單靶均勻性14單靶均勻性由顏色值計(jì)算膜厚的公式單靶均勻性15單靶均勻性材料的建立：模型選擇

單靶均勻性16單靶均勻性材料的建立：初始值的設(shè)定

目前，我們確定膜層厚度和光學(xué)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(shí)測光譜進(jìn)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(shè)定。

code中帶有的fitongrid功能

單靶均勻性17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(biāo)準(zhǔn)問題1公式計(jì)算基準(zhǔn)：D652°標(biāo)準(zhǔn)觀察者——奧博泰在線測量角度10°2公式中的顏色值是通過