膜系设计、结构及调试PPT课件

工艺部专题讲座 膜系设计 结构及调试 1 主要内容 1 膜系设计原理2 膜系结构3 调试过程 2 2020 4 6 光学设计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 3 2020 4 6 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 4 2020 4 6 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 5 2020 4 6 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 6 2020 4 6 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 7 2020 4 6 主要内容 1 膜系设计原理2 膜系结构3 调试过程 8 2020 4 6 各种产品膜系结构 9 2020 4 6 单银 低透 单银 高透 双银 各膜层的厚度范围 10 2020 4 6 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 11 2020 4 6 主要内容 1 膜系设计原理2 膜系结构3 调试过程 12 2020 4 6 单靶均匀性功率 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 13 2020 4 6 单靶均匀性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 14 2020 4 6 单靶均匀性由颜色值计算膜厚的公式 15 2020 4 6 单靶均匀性材料的建立 模型选择 16 2020 4 6 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 17 2020 4 6 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 18 2020 4 6 单靶均匀性材料的建立 膜厚 颜色值公式的拟合 19 2020 4 6 产品调试功率 气体 走