（光学工程专业论文）光学薄膜在lcos光学系统中的应用.pdf

光学薄膜在l c o s 光学系统中的应用 t h e a p p l i c a t i o no f t h i nf i l mi nt h el c o s o p t i c a ls y s t e m 学科专业：光学工程 研究生：黄科 指导教师：王剑副教授 天津大学精密仪器与光电子工程学院 二零零八年五月 摘要 l c o s 显示是l c d 与c m o s 集成电路有机结合的反射型新型显示技术，l c o s 作 为新型显示器件具备大屏幕、高亮度、高分辨率、省电等诸多优势，其应用产品 被许多人所看好，l c o s 可能是h d t v ( h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 的背投影技 术发展的主要方向，在大屏幕投影显示中具有重要地位，由于经济和轻便，成为 c r t 技术大屏幕投影电视机的主要竞争者。与穿透式h t p s l c d ( h i g h t e m p e r a t u r ep o l y s i l i c o n l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 及d l p ( d i g i t a ll i g h t p r o j e c t o r ) 相比，l c o s 具有下列优势：光利用效率高、体积小、分辨率高、制 造技术较成熟。 近年来，l c o s 显示技术的迅猛发展和产业化，极大的促进了光学薄膜的发 展，同时也对光学薄膜提出了更多更高的要求。论文针对l c o s 显示技术的要求， 对系统中的光学薄膜进行了深入的研究和探讨。论文主要包括以下几个方面内 容： 第一章简要介绍了光学薄膜的历史和发展以及l c o s 显示技术的发展现状。 阐述了光学薄膜、光学薄膜设计和光学薄膜制备技术的历史和发展现状，并详细 讨论了l c o s 显示技术的优势及其面临的问题。 第二章回顾了光学薄膜设计的理论基础。从麦克斯韦方程组出发，阐述了单 色平面电磁波的基本性质，以此为基础讨论了光学薄膜的理论计算和分析方法， 为l c o s 光学系统光学薄膜的设计奠定了基础。 第三章深入分析研究了应用于l c o s 光学系统中所需的光学薄膜系统，并完 成了各类薄膜的设计计算。l c o s 光学系统所需的薄膜是一个复杂、高精度、种 类繁多的薄膜系统，包含：应用于彩色分光镜和合光镜的截止滤光片、应用于偏 振分束镜的偏振分光膜、在照明系统中所需的冷光膜，此外还有宽带增透膜、各 波段增透膜和高反膜。运用m a s s 设计软件完成了各种薄膜的设计计算，获得了 性能优良、工艺性好、满足设计要求的优良薄膜结构。 第四章主要讨论研究了薄膜的制各工艺。在光学薄膜研究中，只要特性要求 合理，总能设计出适用的多层膜结构。其关键问题在于多层膜的实际制备，这涉 及到设计制备误差宽容的膜系结构；选择合适的薄膜材料和制备工艺；精确控制 各层薄膜的厚度和折射率，以得到预期的光学和机械特性。为了验证所设计薄膜 的性能，开展了大量的工艺实验研究。在实际制备中，由于仪器设备和时间的限 制，仅制备了一些具有代表性的薄膜，如宽带增透膜、高反膜和截止滤光片，并 检测了所镀薄膜的特性，获得了较好的实验结果。 第五章简短对全文进行了总结，并对下一步的工作进行了展望。 关键词：光学薄膜，l c o s ，增透膜，高反膜，截止滤光片，冷光膜，偏振分束 膜 a b s t r a c t l c o sd i s p l a yi st h eo r g a n i ci n t e g r a t i o no fl c da n dc m o si n t e g r a t e dc i r c u i tt h e r e f l e c t i o no fan e wd i s p l a yt e c h n o l o g y l c o sa san e wl a r g e - s c r e e nd i s p l a y , h i g h - i n t e n s i t y , h i g h - r e s o l u t i o n ，e n e r g ys a v i n g ，a n dm a n y o t h e ra d v a n t a g e s ，i t s a p p l i c a t i o n sa r em a n yp r e f e r e n c e s l c o sm a yb ea r e a rp r o j e c t i o nh d t vt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n tt h em a i nd i r e c t i o n i nl a r g e - s c r e e np r o j e c t i o nd i s p l a yh a sa ni m p o r t a n t p o s i t i o n ，a st h ee c o n o m i ca n dl i g h t ，i tb e c a m et h eb i g s c r e e np r o j e c t i o nt e c h n o l o g y c r tt v sm a i nc o m p e t i t o r s a n dt h et r a n s m i s s i o nh t p s - l c da n dd l pc o m p a r i s o n ， l c o sh a st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：ah i g h e f f i c i e n c y ，s m a l ls i z e ，h i g hr e s o l u t i o n ， m a t u r em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s ，l c o sd i s p l a yt e c h n o l o g ya n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to f i n d u s t r i a l i z a t i o na n dg r e a t l yp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to ft h eo p t i c a lf i l m s ，b u ta l s ot o o p t i c a lf i l m sm a d eh i g h e rr e q u i r e m e n t s l c o sd i s p l a yt e c h n o l o g yp a p e r sf o rt h e r e q u i r e m e n t so f t h es y s t e mo fo p t i c a lf i l m sf o ra ni n - d e p t hs t u d ya n dd i s c u s s i o n p a p e r , i n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： c h a p t e rib r i e f l yi n t r o d u c e dt h eo p t i c a lf i l mh i s t o r ya n dd e v e l o p m e n to fl c o s d i s p l a yt e c h n o l o g ya n dt h ed e v e l o p m e n t o ft h es t a t u sq u o f i r s to fo p t i c a lf i l m s ， o p t i c a lt h i nf i l mt e c h n o l o g ya n do p t i c a ld e s i g nt e c h n o l o g yo ff il mh i s t o r ya n d d e v e l o p m e n to ft h es t a t u sq u ow a so n ，a n dt h e nd i s c u s s e di nd e t a i ll c o sd i s p l a y t e c h n o l o g ya n dt h ea d v a n t a g e so ft h ep r o b l e m sf a c e d c h a p t e r1 1w er e v i e w e dt h ed e s i g no ft h eo p t i c a lf i l mt h e o r e t i c a lb a s i s s t a r t i n g f r o mm a x w e l l s e q u a t i o n s ，as i n g l ep l a n e o nt h ef u n d a m e n t a ln a t u r eo f e l e c t r o m a g n e t i cw a v e s ，a st h eb a s i sf o rd i s c u s s i o no ft h eo p t i c a lf i l m so ft h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n sa n da n a l y s i sm e t h o d s ，l c o so p t i c a ls y s t e mf o r o p t i c a lf i l ml a i d t h e f o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g n c h a p t e ri llo fo u ri n - d e p t ha n a l y s i so ft h el c o so p t i c a ls y s t e mu s e di nt h e o p t i c a lt h i nf i l ms y s t e m s ，a n dc o m p l e t e dt h ed e s i g no fv a r i o u st y p e so ff i l mt e r m s l c o sf i l ms y s t e mf o rt h eo p t i c a ls y s t e mi sac o m p l e x ，h i g h p r e c i s i o n ，aw i d ev a r i e t y o ff i l m s i ti n c l u d e s ：e d g ef i l t e r su s e di nc o l o rs p e c t r o s c o p e ，p o l a r i z i n gb e a mf i l m s u s e di np o l a r i z i n gb e a mm i r r o r , c o l dl i g h tf i l mu s e di nl i g h t i n gs y s t e m t h e r ei sa l s o b r o a d b a n da n t i r e f l e c t i o nc o a t i n g ，v a r i o u sw a v eb a n da n t i r e f l e c t i o nc o a t i n ga n d h i g h r e f l e c t i o nf i l m w eu s em a s sd e s i g ns o f t w a r et oc o m p l e t et h ed e s i g no fav a r i e t y o ff i l m s ，t h ep e r f o r m a n c ew a se x c e l l e n t ，w i t hg o o dt e c h n o l o g yt om e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t so ft h ef i n es t r u c t u r eo ff i l m s i nc h a p t e ri vw em a i n l yd i s c u s s e do nt h ep r e p a r a t i o no ft h ef i l m i no p t i c a lf i l m s ， a sl o n ga st h ec h a r a c t e r i s t i c so far e a s o n a b l er e q u e s t ，t h et o t a lc a nb ed e s i g n e dt of i t t h em u l t i - l a y e rs t r u c t u r e t h ek e yp r o b l e ml i e si nt h ea c t u a lp r e p a r a t i o no f m u l t i - l a y e r f i l m ，w h i c hi n v o i v e st h ed e s i g no fe r r o rt o l e r a n c eo ft h em e m b r a n es t r u c t u r e s ；c h o o s e as u i t a b l ef i l mm a t e r i a la n dp r e p a r a t i o np r o c e s s ；p r e c i s ec o n t r o lo fa l ll e v e l so ff i l m t h i c k n e s sa n dr e f r a c t i v ei n d e x i s e x p e c t e dt o b et h eo p t i c a la n dm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s i no r d e rt ov e r i f yt h ed e s i g no ft h ep e r f o r m a n c eo ff i l m s ，t h el a r g e a m o u n to ft h ee x p e r i m e n t a ls t u d y i nt h ea c t u a lp r e p a r a t i o n ，s i n c et h ee q u i p m e n ta n d t i m ec o n s t r a i n t s ，o n l yar e p r e s e n t a t i v eo fan u m b e ro ff i l m s ，s u c ha sb r o a d b a n d a n t i r e f l e c t i o n c o a t i n g s ，h i g h r e f l e c t i o nf i l ma n de d g ef i l t e r s ，a n dd e t e c t e db yt h e p l a t i n go ft h ef i l m ，w a sam o r eg o o dr e s u l t i nt h ec h a p t e rvw eg i v eab r i e fs u m m a r yo ft h ef u l lt e x t t h en e x ts t e pa n dt h e w o r ko ft h ef u t u r e k e yw o r d s ：t h i nf i l m ，l c o s ，a n t i r e f l e c t i o nc o a t i n g ，h i g h r e f l e c t i o nf i l m ， e d g ef i l t e r ，c o l dl i g h tf i l m ，p o l a r i z i n gb e a mf i l m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：熏乐斗 签字日期： 上。召年石月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：羲朱、斗 导师签名： 签字日期：2 召年月岁日 。 签字日期： 日 一 ，) 月1-年，乡g撕 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光学薄膜的回顾与发展现状 光学薄膜是现代光学仪器和各种光学器件的重要组成部分，它通过在各种光 学材料的表面镀制一层或多层薄膜，利用光的干涉效应来改变透射光或反射光的 光强、偏振状态和相位变化。它可以镀制在光学塑料、光纤、晶体等各种材料表 面上，但最主要的还是光学玻璃。它的光学厚度可从几个纳米到几十甚至上百个 微米。 光学薄膜的牢固性、光学稳定性都可以做得相当好，成本又比较低，由于是 镀制在光学材料的表面，几乎不增加体积和重量，因此是改变系统光学参数的首 选方法，甚至可以说没有光学薄膜就没有现代的光学仪器和各种光学器件。在两 百多年的发展过程中，光学薄膜形成了一套完整的光学理论薄膜光学，发展 了自成体系的膜系设计方法，设计并制造了各类光学薄膜：从功能上可分为减反 膜、分光膜、高反膜、截止滤光片、通带滤光片等等：从薄膜性质可分为均匀介 质和非均匀介质薄膜：从应用波段可分为x 射线薄膜、紫外薄膜、可见光薄膜、红 外薄膜等。 回顾历史，光学薄膜的最早萌芽是1 7 世纪“牛顿环”的发现，但那时还不 能对此现象做出圆满的解释，直至u 1 8 0 1 年杨( y o u n g ) 在世界上第一次阐述光的干 涉原理之后，这种现象才得到了完满的解释。薄膜光学的真正起步应该从1 8 1 7 年夫琅和费( f r a u n h o e r ) 用酸蚀法在世界上制得第一批减反膜和在1 8 9 9 年出现的 法布里珀罗( f a b r y - p e r o t ) 标准具算起，法布里珀罗标准具现在是带通 滤光片的基本结构形式。 1 8 7 3 年，麦克斯韦的巨著电磁通论口1 出版，此书从理论上和本质上证明 了光是电磁波，为波动光学的发展，也为薄膜光学的发展奠定了理论基础。 但是，直至i 1 9 世纪末，人们还没有解决实际制备各种薄膜的工艺方法和膜系 的计算分析手段，因此2 0 世纪以前是薄膜光学发展的早期阶段。， 1 9 3 0 年油扩散泵的发明，使光学薄膜的制备进入了工业化生产的阶段；接着 在实验室里制造出了单层反射膜、减反膜、分光膜和金属的法布里珀罗干涉 滤光片。 在上述实验和制造设备发展的推动下，从2 0 世纪4 0 年代开始，薄膜光学进入 全面发展时期，相继提出了各种薄膜光学理论和膜系计算方法，1 9 5 6 年瓦施切克 第一章绪论 ( v a s i c e k ) 发表了第一本薄膜光学专著薄膜光学( o p t i c so ft h i nf i l m s ) 口1 。 到了6 0 年代，激光、空间技术和光谱技术的飞速发展对光学薄膜提出了更高的要 求，比如激光器中的高反射镜等，同时电子计算机的推广应用使得光学薄膜的计 算和分析有了良好的工具，因此推动了光学薄膜的飞速发展。1 9 6 9 年麦克劳德 ( m a c l e o d ) 用干涉矩阵解释和计算光学薄膜，出版了他的专著薄膜光学滤波器 ( t h i nf i l mo p t i c a lf i l t e r s ) h 1 。接着，在1 9 7 6 年尼特尔( k n i t l ) 发表了他的专 著薄膜光学( o p t i c so ft h i nf il m s ) 哺1 。1 9 8 6 年，麦克劳德再版了他的专著， 提出了用导纳图( a d m i t t a n c ed i a g r a m ) 哺1 的方法来分析膜系的特性，并且用它来 解释膜系监控的一系列问题。这些专著都从理论上、实验上全面讨论了薄膜光学 的一些问题，形成了一套完整的光学薄膜从特性计算、设计、监控和测试到结构 特性、稳定性、光学损耗、抗激光损伤特性等分析手段。 进入9 0 年代以后，随着显示技术和光通信技术的迅猛发展和逐渐产业化，对 于光学薄膜的发展起到了很大的促进和推动作用。在投影显示系统中，要在越来 越小的体积中做到越来越高的投影亮度和高对比度，对其中的分色合色薄膜要求 波长定位更精确，以得到高纯度的r g b 三原色。由于入射光有一定的锥角，要求 同一个分色或合色镜片的中心和边缘做到不同的光学厚度。对于影响整机对比度 的偏振分光薄膜( p b s ) ，要求做到宽光谱、大角度、高p 分量透射率和高消光比口1 。 在光通信系统中，波分复用滤光片要求做到近似矩形的带通滤光片，通带的宽度 对一个1 0 0 0 h z 的滤光片仅0 4 纳米左右。光放大器( e d f a ) 的增益补偿滤光片要求 在c 波段4 0 n m 左右的范围内做到一条特定的透过率曲线，这也是光学薄膜从来没 有遇到过的要求。色散补偿滤光片在数据传输率提高的时候，比如到4 0 g b s 的时 候，显得非常关键呻3 。高频激光产生的非常短的脉冲在光学薄膜中引起的瞬时效 应需要一种新的设计方法，因为薄膜的作用不仅仅是保持脉冲原来的形状，而且 需要提高脉冲的矩形度甚至使得脉冲的频率更高。除此以外，宽光谱大角度的减 反膜，金属膜表面等离子体谐振探测器，多峰梳状光学滤光片( i n t e r l e a v e s ) 等 等，所有这一切对光学薄膜的设计、制备、监控、测试都提出了很高的要求，对 光学薄膜这个产业的发展提出了严峻的挑战。从总体看就是要求膜系光学特性的 波长定位更为准确，达到1 个纳米甚至0 1 彻以下，要求薄膜的厚度越来越大，比 如对一个5 0 g h z 的波分复用滤光片需要做到光学厚度6 0l im 以上，而光放大器增益 补偿滤光片的光学厚度也在3 0 - 4 0um 。 无论是从历史还是从现状来看，光学薄膜在光学仪器、光电设备和光学器件 中都是不可缺少的关键技术，而且在近年来又得到迅猛的发展，因此对光学薄膜 的设计、制备、监控、测试等方面都提出了新的挑战。 第一章绪论 1 2 光学薄膜设计技术的回顾与发展状况 一般的多层膜都是在特定的玻璃基片上间隔镀制折射率不同的几种材料，使 其达到具有某种光学性能，圈1 1 是在玻璃基片上间隔镀制高折射率为h 和低折射 率为l 的数层薄膜，大部分多层膜都类似这样的结构，只不过层数、所用材料、 每层的厚度等不同而已。 一玻璃基板 图卜l 光学薄膜的一般多层膜结构 利用2 0 世纪4 0 年代以来出现的以经典的电磁场理论为基础的薄膜光学理论 和膜系计算方法，特别是特征导纳矩阵计算方法，计算一个给定膜系结构的性能， 如透射率，反射率，相位等特性，是非常方便的。反过来，如果给出一个光学特 性指标，来求出每一层薄膜的厚度、折射率，找到一个既符合应用要求，又能够 满足现有制各工艺条件的膜系结构却不是一件容易的事。因为目前町用的光学薄 膜材料非常有限，也就是说这个折射率衅r 有限，另外，薄膜的层数从几层至数 百层，设计中的数学计算相应也繁杂，有时候非常困难。目前，绝大部分膜系的 设计都是先根据实际情况确定材料，然后计算符合光学特性指标的膜系结构和每 一层的几何厚度。 早期的薄膜设计使用的是试凑_ _ 圭、图解法，但这只能解决一些简单的问题。 随着优化技术和计算机技术的发展，薄膜设计以后又逐步发展了各种各样的解析 设计方法”1 ，如：矢量作图法、等效界面法”、虚设层法、切比雪夫( c h e b y c h e v ) 多项式法、对称膜系的等效折射率法”、势透射率诱导”1 和导纳圈法1 等基本 的分析手段，对传统的减反膜，增反膜带通滤光h 等膜系进行具体分析和试探， 从而设计出符合要求的的膜系，这些方法有很多非常理想的范例。经过多年发展， 一些种类的膜系，如减反膜类、增反膜类等膜系已经有了很好的基本结构。 m 圈 第一章绪论 杨( y o n g ) 和希利( s e e l e y ) n 列根据电路网络设计理论，把光学多层膜看成 电路网络，在膜系设计理论中引入网络设计理论，利用电路网络系统成熟的理论 和方法来进行光学薄膜设计。应用傅立叶变换( f o u r i e rt r a n s f o r m s ) 的方法u 钉 可以按要求的光谱特性得出膜系的折射率分布，也能够进行光学薄膜设计，但令 人难堪的是，由于目前可用的光学薄膜材料非常有限，制备薄膜技术目前难以进 行任意折射率材料的合成，这种方法虽难以实用，但它可以提供一种很好的启发 作用。 光学薄膜的设计目的是得到符合应用要求的一组多层膜的每层厚度和折射 率值，早在1 9 5 8 年，鲍梅斯特n 刀( b a u m e i s t e r ) 提出把光学薄膜的设计问题作为 优化问题来处理，2 0 世纪7 0 年代以后，随着计算机技术的迅速发展和各种计算技 术的应用，光学薄膜的计算机辅助优化设计逐渐成为一种最广泛应用的膜系设计 方法。光学薄膜的计算机辅助优化设计方法可以分为两类：一类从一个或一组初 始结构出发，不改变膜系的层数，仅改变每层的厚度和折射率，应用各种优化设 计方法，对厚度和折射率进行优化，从而找到最优解。另一类是不需要初始解而 通过不断增加层数来进行膜系的自动合成来达到应用要求( s y n t h e s i s ) 。 近1 0 多年来，通信网络、显示技术的飞速发展，为光学薄膜膜系设计技术提 供的更大的舞台，传统的膜系自动设计中的可寻优变量、优化算法、评价函数等 都被赋予了新的概念。 1 9 9 2 年，俄罗斯的t i k h o n r a v o v 提出n e e d l e 膜系设计方法n 钔，它的最大优 点是既可优化膜系的厚度和折射率，又可优化膜系的层数，使光学薄膜自动设计 中的可寻优变量从两个变成三个，也增大了光学薄膜优化设计寻优的维数，使所 设计的膜系能在多维参数空间中获取更加理想的特性参数n 喇1 。 加拿大的d o b r o w o l s k i 提出了多级优化设计光学薄膜的概念堙】，其基本原 则是将多种优化方法组合、交叉使用，以便获得膜系设计在全搜索域中的最优解， 而不至于陷入其局部最优解中。在传统的优化设计中，都需要事先给出一个初始 设计，才能获得理想的设计结果。现在，多种先进的优化算法都被引入到膜系设 计中，只要我们采用多级优化策略，先通过基于d a r w i n i a n 的进化思想的遗传法 陟3 u ( g e n e t i ca l g o r i t h m sm e t h o d ) 或n e e d l e 法、全面搜索法( c o m p r e h e n s i v e s e a r c hm e t h o d ) 、求总极值法m 啪1 ( g l o b a le x t r e m em e t h o d ) 等优化方法进行 初级优化，再采用t u n n e l i n g 法m 嗡1 或模拟退火法1 ( s i m u l a t e da n n e a l i n g m e t h o d ) 、p o w e l l 共轭搜索法m 1 ( p o w e l lc o n j u g a t es e a r c hm e t h o d ) 、单纯形 法町( n e l d e r - m e a ds i m p l e xm e t h o d ) 、模式搜索法m 3 ( p a t t e r n ) 、最小阻尼二 乘法“妇( d a m p e dl e a s t s q u a r e sm e t h o d ) 、r o s e n b r o c k 旋转坐标法m 1 ( r o t a t i n g c o o r d i n a t e s e sm e t h o d ) 等各种优化方法对初级优化结果进一步寻优，找出膜系 4 第一章绪论 设计的最优解或者相对最优解。膜系设计工作有两个方面h 幻，一是膜系结构设计， 二是对计算所得的膜系进行误差分析，找到对工艺要求比较宽松的膜系，也就是 比较容易做的膜系。最早估算多层膜误差的方法是希文思( h e n v e n s ) 提出的， 他设计了种四分之一膜系的误差分析方法，他的结果表明，膜层中各层膜的厚 度误差，在5 时还不影响膜系总的反射率，但会引起最大反射率波长的移动。莱 斯勃格( l i s s b e r g e r ) 提出的多层膜误差分析方法，可用来估算多层膜的微小误 差对光在多层膜中反射引起位相变化的影响；在f - p 滤光片中对误差最敏感的是 间隔层，其次是间隔层两边的膜层，离开间隔层越远，对膜层厚度的变化越不敏 感。鲍梅思特( b a u m e i s t e r ) 提出，在要求的光谱区域内，计算最终的反射率对 各层厚度的偏导数，从而得到表征膜层厚度变化的灵敏度。这种方法的优点是可 同时指明哪一层膜对误差最敏感，以及从误差的观点来讲哪个光谱区域最苛刻 等。 膜厚控制常常是关系到薄膜制备成败的关键，各类薄膜的制备过程千差万 别，各种工艺因素对膜层折射率和膜厚的监控精度影响错综复杂，因此要建立一 个能对每种工艺的每一误差进行分析的计算程序是十分困难的。因此，一般监控 误差的分析都是围绕这两者展开的。麦克劳德( m a c l e o d ) 等人提出了一种方便的 误差分析方法，从膜厚监控观点出发，通过在膜系中引入服从正态分布的随机误 差，按各层折射率和膜厚的随机误差连续计算滤光片的光学特性。与前面的分析 方法相比，这种方法更符合实际情况。 现在，许多膜系设计工作者都在致力可在实际生产中获得较高成品率，而不 是仅仅在理论上具有理想光学特性参数的光学薄膜的设计方法。他们基于系统化 的设计思想m j ，以不同于传统思路 4 5 - 4 6 】的形式构造膜系设计评价函数，提出了诸 如模拟成品率的介入评价函到47 1 、评价函数的模糊输入【4 引、非在线质量控制策 吲4 州等方法对评价函数进行改进，以便搜寻出那些对于薄膜实际生产或使用过程 中的不可控因素具有较大的宽容性的膜系结构。 1 3 薄膜制备技术的发展状况 目前在工业及研究领域中主要采用的薄膜制备技术，包括有物理气相淀积 ( p v d ) 、化学气相淀积( c v d ) 以及溶液成膜等几大类方法h 引。其中，物理气相淀积 和化学气相淀积技术应用最为广泛。 化学气相淀积( c v l ) ) 的基本原理是通过气相物质在高温下经化学反应而生成 固态物质并淀积在基板上的成膜方法。c v d 可以分为四种基本淀积技术咖1 ：常压 化学气相淀积( a t m o s p h e r i cp r e s s u r ec v d ) 、低压化学气相淀积( l o wp r e s s u r e 第一章绪论 c v d ) 、金属有机物化学气相淀积( m e t a lo r g a n i cc v d ) 和等离子化学气相淀积 ( p l a s m ae n h a n c ec v d ) 。 高温是c v d 法的重要特征，有些化学反应的温度高达1 0 0 0 左右。这样的温 度是一般基板材料所无法忍受的。而且由于反应发生在基板表面的高温区，气相 反应的副产物可能进入膜内而影响膜层质量。在这种情况下，等离子c v d 技术的 发展使问题得到了解决。p e c v d 技术是在等离子放电时，产生高速运动的自由电 子。这种高能电子的温度高于1 0 4 k ，使得只有在高温下才能发生的反应可以在较 低温度下产生。等离子c v d 技术主要用于无定形和介质膜的镀制。 制备光学薄膜通常采用物理气相沉积法( p h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，p v d ) ： 有传统的真空蒸镀法( v a c u u me v a p o r a t i o n ，v e ) ，包括电阻蒸镀、电子束蒸镀， 也有新出现的荷能离子镀方法，包括离子辅助沉积( i o na s s i s t e dd e p o s i t i o n ， 简称i a d ) 、等离子辅助沉积( p l a s m aa s s i s t e dd e p o s i t i o n ，简称p i a d ) 、磁控溅 射、离子束溅射( i o nb e a ms p u t t e r i n g ，简称i b s ) 、低压反应离子镀( l o w - p r e s s u r er e a c t i v ei o np l a t i n g ，l v r i po rr l v i p ) 等。 近几年，随着光通信等领域不断发展，促进了薄膜制备设备的发展，薄膜制 备的i a d 法、p i a d 法、i b s 法、磁控溅射法等已经在工业界广泛应用。i b s 方式可 获得较高的膜层填充度，它也是目前较流行的光学薄膜制备方式之一，它的镀膜 速度则比上述方式慢，完成一次4 腔的d w d m 滤光片的镀膜工艺，需5 0 多个小时， 同样的膜系，i a d 法工艺仅需1 2 个小时左右。虽然这样，由于制备出的插入损耗 小，仍受到一部分人的欢迎。，各式镀膜法如下所述。 1 3 1 电阻蒸镀与电子束蒸镀 真空蒸镀法是在真空( 1 0 。3 p a ) 条件下通过加热使薄膜初始材料汽化，材 料的蒸汽沉积在温度较低的基片上，形成所需要的薄膜( 如图卜2 所示) ，是最 基本的成膜方法之一。它的发展主要体现在蒸发源技术上：早期用的都是电阻蒸 发源，即用钨、钼、钽等难熔金属或石墨做成电阻蒸发器，材料放在蒸发器中， 由于温度有限和高温下材料与蒸发器化学反应的原因，可供使用的镀膜材料很 少：后来出现了电子枪蒸发源，材料放在有水冷的坩埚里，通过聚焦的高能电 子束轰击进行局部加热，解决了温度和反应的问题，扩大了材料的选择范围。 真空蒸镀法具有较长的历史，在实验室里研究得比较透彻，形成了许多成 熟的工艺。这种方法沉积速率高，沉积面积大，生产效率高，另外设备和操作也 比较简单，是实验室和工业生产中制备薄膜的主要技术手段。不过，真空蒸镀法 的缺点也是非常突出的，用这种方法制备的薄膜：聚集密度小( 0 8 o 9 5 ) ，折 射率比块体数值偏低；容易吸附残余气体和水汽，光学吸收大，时效性差； 6 第一章绪论 表面、界面不平整，体内散射、表面散射大；应力高，各向异性；硬度低，附 着力小，牢固性差。 图1 - 2 真空蒸镀示意图 薄膜的宏观性质取决于其微观结构炳。研究证实，在真空蒸镀法中，大 部分材料的薄膜采取的是岛状生长模式，在形成薄膜的过程中，单体在基片表 面的迁徙能力非常关键，它对薄膜的结构有直接影响。由于蒸气粒子的入射动能 很低( 仅具有热运动动能，o 1 e v ) ，在基片表面的迁移率非常有限，再加上有 择优生长方向和阴影效应( 当蒸汽斜入射时，已沉积的原子对未填充点的遮挡) ， 最后形成的膜层内部呈“柱体+ 孔洞”状疏松结构，与块体材料大相径庭，这是 造成上述薄膜性能缺陷的根本原因。为了改善薄膜的性能，通常在蒸镀时给基片 加热或照射紫外线，镀后在空气中进行烘烤处理，不过这些措施的使用范围和 效果都非常有限，无法从根本上解决问题。后面将要介绍的几种荷能离子技术由 于在材料气化、飞行、入射、沉积成膜的某一阶段使材料粒子能量增加而基本消 除了薄膜的q 柱体+ 孔洞”结构，使薄膜性能大为改善。 1 3 2 离子辅助沉积 传统的电子束( e b ) 方式薄膜制备方式容易形成柱状结构，为了获得高填充 度( p a c k i n gd e n s i t y ) 的膜层，通常会采用离子( i o n ) 照射基板，经i o n 照射后， 第一章绪论 由于i o n 的能量使基板形成活性核，同时促进核成长及核凝缩( c o a l e s c e n c e ) ， 进而获得高填充度的薄膜。电子束( e b ) 蒸发源与离子等离子枪( p l a s m ag u n ) 的组合又可分为离子辅助( i a d ，i o n a s s i s t e dd e p o s i t i o n ) 及离子度( i p ，i o n p l a t i n g ) ，这两种方法常用于有耐环境需求的通信元件薄膜制备。 i a d 是在真空蒸镀薄膜的同时，用具有一定能量、方向和束流密度的大面积 均匀离子束轰击基片，使薄膜改性。离子束是由单独的气体放电离子源产生的， 离子的能量、束流密度、入射方向可以独立调节，离子的种类则由使用的工作气 体决定，可以是惰性气体( 一般是氩气) ，也可以是反应气体( 一般是氧气) 或者二 者的混合物。 宽束离子源技术发展很快，目前射频激励的离子源畸2 1 已逐渐投入使用，它不 需要灯丝，可使用0 。、h 2 等反应气体，出口有圆形的，也有矩形的。由于i a d 技术 的沉积面积太小，目前主要用于实验室进行基础研究或小批量新产品开发。 1 3 3 等离子辅助沉积( p i a d ) 等离子辅助沉积是目前在镀制光通信用各类滤光片的的主要方法之一。 等离子源是由一个l a b 6 热阴极、柱状的阳极筒和一个磁场线圈组成，安装在 真空室的底部中央位置。其工作原理是：l a b 6 阴极被石墨灯丝加热器间接加热， 热阴极受热后发射热电子，在阴极及阳极间加上直流电压，同时充入惰性气体， 通常用氩，由于辉光放电产生等离子体，又由于阳极周围是由螺旋管线圈的磁场 围绕着，等离子体就在磁场的作用下沿螺线向工件盘运动，由于等离子体的作用， 反应气体、蒸发材料的分子或原子也被离化，产生了离子镀的过程。等离子源相 对真空室是电绝缘的，由于电子迁移率高，电子首先到达基片和真空室壁，使阳 极与基片和真空室壁产生一个自偏压，基片相对于离子源为负电位，离化后的离 子在电场作用下得到了加速，这样就增加了膜料粒子在基片表面沉积的迁移力， 提高了膜层的密度，减小了水汽的浸入。这样一个过程与a p s 之间形成一个均匀 的等离子体区，由于较高的等离子区密度，反应气体( 氧气) 通过等离子源上方 的环形喷头充入，被激活和部分离化，蒸发物也部分被离化。这样淀积物气体分 子的能量被提高，分子之间的作用力又降低了对气压的要求，这些都有利于薄膜 生长，提高薄膜性能。另外，离子源与基片间的负偏压取决于真空度、提供的放 电电压、磁场的强度等因素有关，在使用中可根据工艺要求来控制离子能量。此 离子源可用于蒸镀氧化物、低价氧化物、硫化物、氟化物、半导体以及金属材料 等。除此之外，由于等离子体源的可作用l m 2 范围，故可满足大面积均匀薄膜的 制备，并有助于提高产量。 第一章绪论 1 3 4 离子束溅射 i b s 是用高能量( - 一i k e v ) 的离子轰击靶( 薄膜原材料) ，产生溅射作用，溅出 的粒子( 主要是中性粒子) 沉积到附近的基片上成膜。由于溅射粒子的动能( 几 e v - - - , 十几e v ) 比蒸发粒子的动能( t o 1 e v ) 大得多，再加上通入反应气体，有效 地克服了电阻蒸镀与电子束蒸镀的缺点，薄膜光学、机械性能大为改善。还可以 再装一个低能宽束离子源，同时实施i a d i 艺，即用高能离子轰击靶，用低能离 子轰击基片，这称为双离子束溅射( d i b s ) 。 i b s 的优点是膜层结构致密，硬度高，附着力强，而且非常干净。其局限性是 沉积速率略低，均匀区面积较小( 直径3 0 0 m m 左右) ，制备的d w d m 滤光片只能在这 个面积中的某一环状区域选取。 1 3 5 磁控溅射 磁控溅射是用高能离子轰击靶材，溅射出的粒子在基片上沉积成膜。离子由 气体放电( d c 或r f ) 产生，用磁场约束电子，提高电离率。直流激励可以制备金 属膜，射频激励还可以制各介质膜。 由于溅射出的粒子动能很高，使得膜层结构致密，硬度高，附着力强。几年 前，磁控溅射系统只能制备金属膜，制各的介质膜不能满足要求，其缺点是工作 压强较高，膜层易被污染，一般没有光学厚度监控系统，不适于制备多层介质 膜。2 0 0 1 年，美国的s c iv a c u m 公司率先推出d w d m 滤光片镀膜系统，其后西欧、 日本的一些公司相继推出自己的光学镀膜系统，利用这些系统制备的薄膜，膜层 致密、硬度高、附着力强，可批量制备( s c iv a c u m 公司制备直径l o o m m 面积的d w i ) m 滤光片可达1 2 片) 等优点，不足之处是：制备时间长，对工艺条件要求极高，如 对靶材的表面的形貌变化都需仔细考虑。 目前，电阻蒸镀、磁控溅射一般用于简单金属膜的制备：在多层介质膜领域， 电子束蒸镀是常规技术，离子辅助沉积也已经比较普及，低压反应离子镀、等离 子辅助沉积主要用于高质量薄膜的工业化生产，离子束溅射沉积则能做出目前 性能最好的激光膜。离子束溅射沉积和磁控溅射沉积时，真空室通适量的反应气 体，形成反应溅射，例如，磁控溅射沉积金属钽时，在一定条件下，通入适量的 氧气，沉积五氧化二钽薄膜，沉积方式变为反应磁控溅射。 1 4lc0s 显示技术现状及发展 l c o s 显示是l c d 与c m o s 集成电路有机结合的反射型新型显示技术，l c o s 第一章绪论 作为新型显示器件具备大屏幕、高亮度、高分辨率、省电等诸多优势，其应 用产品被广大消费者和业内人士看好