膜系设计、结构及调试

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-90°~+90°之间发生相长干涉；90°~270°之间发生相消干涉（2）界面反射光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180°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。eg:550nm处得到一个1/4波长厚度的SiO2(n=1.45)膜层的计算：真空1/4波长：550÷4=137.5在SiO2中被压缩后的修正值：137.5÷1.45=94.8在550nm处得到1/4波长光学厚度，SiO2的膜层厚度应该约为95nm。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、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Lorentz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Presonant代入可解得该材料的介电常数（即光学常数，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low-E玻璃单银low-E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2440×3660，按有效生产时间6500小时计：节拍=（6500×3600）÷[2000000÷（2.44×3.66）]≈104S——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÷（90÷60）=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=1×60÷2.5=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）/2÷52.8=1.13为配靶和生产时计算膜厚值提供依据•单靶均匀性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fitongrid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：D652°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测光谱测试差别（奥博泰与perkinelma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