薄膜原理與技術(shù)大作業(yè)

1、薄膜原理與技術(shù)課程作業(yè)041211031120111054楊帥授課教師：蔣玉蓉薄膜原理與技術(shù)課程作業(yè)一、簡(jiǎn)述寬帶減反射膜在光學(xué)儀器中的作用，并設(shè)計(jì)如下膜系：入射介質(zhì)no = 1;出射介質(zhì)ng = 1.52;入射角o = 0 ；參考波長(zhǎng)o =580nm;設(shè)計(jì)要求：400440nm光譜段反射率小于2%; 440640nm光譜段反射率小于0.5%; 640700nm光譜段反射率小于2%。減反膜的作用：減少介質(zhì)間界面反射。界面反射會(huì)引起光學(xué)系統(tǒng)的光能量 損失；加劇光學(xué)系統(tǒng)的雜散光干擾，加大系統(tǒng)噪聲；在高功率激光系統(tǒng)中，界 面反射可能引起反激光，損傷光學(xué)元件，所以為減少光能損耗，提高成像質(zhì)量， 照相機(jī)、

2、電視機(jī)、顯微鏡等等中的光學(xué)鏡頭都鍍有減反膜。 為盡量減弱反激光， 高功率激光系統(tǒng)中的透射光學(xué)元件表面也鍍減反膜。膜系結(jié)構(gòu)：Y D24TLT2.130X 0- 22S4-2.004¥ 03063H-1.56SMFVMTlrn層幾何厚度(nm)1.9000DOtW1,3600Slo.oo(1300O.DOOO圖INK膜料名400420440 4Q 4500520540 5W 550652064C6&3 5O 700液* (nmj波卡RSRPR偏腿0RsCRpRO差RTA400.000.0181730.0181730.000000307.29307.290.000.0181730.

3、9818270.000000410.000()112520.0112520.000000321.73321.730.000.0112520.9887480.000000420.00O(X)65530.0065530.0OOQOO339.09339.09OOO0.0065530.993447OoOQOOO430.000.0037450.0037450.0000001.321.320.000.0037450.9962550.000000440.00OOo24030.002403O.QOQOOO29.842984OOO0.0024030.997597OOOooOORSR偏振度RSRPRAI440.0

4、00.0024030.0024030.00000029.8429.840.000.0024030.9975970.000000460.00OOO23980.002398O.OOQOOO88.1688.16OoO0.0023980.997602OOoOoOO480.00OoO36530.0036530.00000012345123.450.000.0036530.9963470.000000 I500.000.0044680.00446S0.000000145.48145.48OoO0.0044680.995532OooOoOO520.000.0042500.0042500.0000001&am

5、p;2.15162.150.000.0042500.9957500.000000540.00OoO3139OoO313&0.000000176.50176.50OoO0.0031390.996861OooOOoO560.000.001657OOOl 6570.000000190.50190.500.000.0016570.998343OoOOOOo I580.00OoOo4360.0004360.000000209.32209.32OoOOOO04360.999564OOOOOOO600.00OOOoO54D.0000540.000000323.21323.21OoO I0.00005

6、40.999946OOOOoOO620.00OOOO9400.000940O.OOQOOO122215.220.000.0009400.9990600.000000640.000.0033510.0033510.00000031.6631.660.000.0033510.996&490.000000波卡RSRPR偏腿C RSC RPFW差I(lǐng)RI640.000.0033510.0033510.00000031.6631.660.000.0033510.996490.000000650.000.0051600.0051600.00000036.6036.600.000.0051600.99

7、48400.000000660.000.0073690.0073690.00000041.0241.020.000.0073690.9926310.000000670.000.0099650.0099650.00000045.0845.080.000.0099650.9900350.000000680.000.0129320.0129320.00000048.8848.880.000.0129320.9870680.000000690.000.0162440.0162440.00000052.4652.460.000.0162440.9837560.000000700.000.0198750.

8、019750.00000055.8755.870.000.0198750.9801250.000000二、設(shè)計(jì)帶通濾光片：入射介質(zhì)no = 1.52;出射介質(zhì)ng = 1.52;入射角o = 0 ;中心波長(zhǎng)o =550nm;中心波長(zhǎng)透過率T550nm 98% ,通帶半寬度小于5nm。膜系結(jié)構(gòu)：K珈虛HtoOWHttalLlDSHimLiooHlGlLlWHlfflHl 曲L1.ffl9O9!99LH優(yōu)化結(jié)果:94.608L*97.8780.32S4a*-3.0640.3509b*9 792幾何厚度（nm光標(biāo) 140002597OO-95-»0-8580-75-70-65-55-50-

9、45-厶0_35-30-25-.20-.15-).10-.G0545546應(yīng)力孌形里MPVNnm膜料名99.638 ÷H 23850jOOOX)TO257.652 4-L .3800OOOJO囹MgF2-IOOOOOOEEElRTIl547548549550波長(zhǎng)（nm>551S52553555).05-技長(zhǎng)FbF俟扌辰度0 HS0用冃移羞RA400 DO0.7402620.74262OOOOOOD127 0212702OODD7402620 2597J80.OOOOOQ415.000.4562240.45S224ODoDOoo310 ao310000.00045B-2240.5

10、41776o.DOnODQ43OrDa0.306009Qr96S0D DODOOU5D 1350. Uaso&sagOW3191OOtXJOOO445.000.S732960.873296OOOOOOO1634163.49 OD 872960 1267040.0000460.000.9996230.999623OODOOoO13D47130.47 00D99&S23OoOD3770.DOOODO475.00.&999650.9999G5DDOOODO74143. 74Q.&0.9M-9G50.000035O.DODOO490.000.999860.999E60O

11、oDOOo1S1.34161 340 OO0.999-986Oo140.000505 000.9999fi50.999S5OoOOooD172 12172.12Ot)DD999-S50.000150.ODOOOO520.00Oa9957D.9S9957D.DODOOG182 771&2.T7OOO0 9 9&957OOoOD430.DODO535.000.&994000.9994000 OODOCO196. &5196 5.DOQ.99400O.D6QO0.OOOODQ550.D0ODlBl560.016156OOOOOOO346. U346.14a.M)0 0

12、161560 983344OOOOOoO565.000.985430.9985430.000000185 95H 85-95DOO099543OOOI3570.0000005SUW0,?99S14Q,9S9S140,000000oo,ZgFQGQQ.5S140WQ166QJUOoe595 00OagBgD0.9998900 OOOOOO210L210.00.MD99&S9QOWOlID0. OOOOOQ610.000.99S640.959S64ODOOOOD218922132 00D99&S640.00D1360.DOOOOO625 OOD.997040.9S97E14O DD

13、DODO227 83227.S3.M997040.000296D.DODO OG640 000.987850.993785D ODDOOO237.50237 &0 000.9&7850 012150.OOOODO655 DO0.9903250.980325OoDOOOO250 89250. as 10.00 9D325ODI9675 0.000000670.000.4l63SD.4l63D.OODOOO250 5225162QOO0 9415380 058362D.DODODB冊(cè)M0.7U44S0.973445UWOUOo257,59267.QJCO0,976443U,Q215

14、52700 DO0.966284D.9662E40 000000284 8&2B4&6 ¢0096&2840.0337160.000000三、設(shè)計(jì)一個(gè)中性分光膜：入射介質(zhì)no = 1.0;出射介質(zhì)ng = 1.52;入射角。=45 ; 440640nm光譜段R 50% 3%。膜系結(jié)構(gòu)：5層 膛采結(jié)'2,17L.S4H0.94Lt16H0.82L優(yōu)化結(jié)果：Y51.159L*76 776K.324-1.511Y 3455b*6 079E 幾何厚J(r/ 216214 24S.42B :23S501.3800應(yīng)力壓力MPVm入期介質(zhì)岀射介質(zhì) 長(zhǎng)1 ” OCW

15、1.520045 04407640p7&&Jfc- Imnmnm).51-470600620630640I 光標(biāo)"440 0 5271 '466.5 0.4882£510520530560570).52-).50-4rRSRPR偏振度CRsCRpR相移差RT440.000.5511990.3945480.165637321.15323.622.460.4723730.527127450.000.5511570.4065450.151000337.08336.26359.180.4783510.521149460.000.5537140.4150710

16、.143110352.26348.07355.810.4843920.515608470.000.5590240.4208900.1409656.J8359.03352.650.4899570.510043480.000.5666700.4246230.14323419.349.20349.860.4956510.504349490.000.57593G0.4266840.14835631.1518.66347.520.5013070.498693500.000.5353710.4270550.15678941.9327.57345.640.5064630.493537510.000.5961

17、820.4262990.16614851.6935.93344.230.5112400.43S760520.000.6060580.4241650.17655660.6143.S5343.24Q.5151110.4S4889530.000.6153640.4210460.18749163.7351.34342.620.5182050.481795540.000.6233370.4170180.19870276.1458.46342.32G.5204270.479573550.000.6310310.4117770.21025382.9765.27342.300.5214040.47859656

18、0.000.6371760.4058230.22181689.2571.75342.510.5215000.478500570.000.641S400.3987010.23366695.0878.00342.920.5202710.479729580.000.6445860.3899120.246182100.5984.08343.500.5172490.482751590.000.6453510.3794460.259471105.8190.03344.230.5123980.487602600.000.6444940.3678440.27327S110.7395.80345.070.506

19、1690.493831610.000.6443400.3581020.2S5541115.11101.07345.960.5012210.498 刀 9620.000.6426970.3473&00.298264119.27106.18346.910.4950440.504956630.000.6398000.3360330311290123.20111.12347.920.4879170.5120B3640.000.6356800.3240950.324644126.94115.8934 8 950.4798870520113波長(zhǎng)(nm)四、簡(jiǎn)述干涉截止濾光片通帶波紋產(chǎn)生的原因及消除

20、方法并設(shè)計(jì)如下 要求分色鏡：入射介質(zhì)no = 1出射介質(zhì)ng = 1.52,入射角。=0 ,截至波長(zhǎng)e 580nm 5nm，在 420 550nm, T 90%, Tmin 85%, 在600 700nm, R 90% O產(chǎn)生波紋的原因：1. 等效光學(xué)導(dǎo)納失配（波紋的幅度）（R1-R2 0）o2. 等效位相厚度隨波長(zhǎng)變化。波紋消除方法：選取適當(dāng)?shù)哪は担沟迷谕干鋷?nèi)的等效折射率等于基質(zhì)的折射率即使R仁R21. 改變基本周期的膜層厚度，使等效折射率更接近于預(yù)期值。同樣要求基片折射 率要低，反射損耗小。這種方法對(duì)于可見光可以，紅外區(qū)損耗較大。2. 在多層膜的每一側(cè)加鍍匹配層（ /4層），使它與基質(zhì)

21、以及入射介質(zhì)匹配。插 入層相當(dāng)于多層膜界面的減反膜。膜系結(jié)構(gòu)：朋孫皿訓(xùn)迦牡陋頁(yè)制 柳血刑it汛Imi泌汁血洲料M優(yōu)化結(jié)果:I光標(biāo)2as光標(biāo)=575.4-7011535 20-.0740HT 玻抵5m：Y 29.1S3耳 0.6209y 3644L' 50.94 S擴(kuò) 71.612b* 5£280層12幾何厚度Grn)31.384 Y98 214 ÷MPvNnmnmnmnm2.1000 :0.0000 ÷ZnOL3300HDOMO÷MgF21NK臆料啟li+ 丘回¾統(tǒng)計(jì)分乎平均值最大值J最大值疲長(zhǎng)點(diǎn)最小值最小值減長(zhǎng)點(diǎn) Rs 1Q.012S

22、23.9754645420 018652424F " I0.012 S23.9754 &45420.016652424R0.0128293.9754645420 016652424TSQ.9S717199S334842496 024536542TP0.88717199,93334842496024536542T198717199.9S334S42496 024536I542AOooODOOOoDOOOo420OOODDOD420液長(zhǎng)SB： M ¢2CE r 到 550m波長(zhǎng)范凰：從SOO Hrn到7D0 葉 I J 匚返旦平均值最大值最犬值波長(zhǎng)點(diǎn)最小值最小值迪長(zhǎng)點(diǎn)R

23、S0.99916199.972391657994342726000.99916199.97239165799 434272&0(FS0.09916199.9723&165799 434272&D0TsOLOOoa3905657236000.02760657L TP0.00053&0.5657236000.027605657TOLoOOB3915657288000 02760&857A0.0DOM)DIOQOooD000OooOoDO6D0五、簡(jiǎn)述光電極值法監(jiān)控原理及其監(jiān)控精度提高的措施。監(jiān)控原理：由多光束干涉原理可知，膜系反射率呈周期性變化， 當(dāng)膜層的光

24、學(xué)厚度為監(jiān)控波長(zhǎng)的四分之一整數(shù)倍時(shí)反射率出現(xiàn)極值。 利用膜層沉積過程中反射率（或透射率）隨膜厚變化的這種規(guī)律，通 過光電膜厚監(jiān)控儀測(cè)沉淀過程中反射率（或透射率）出現(xiàn)的極值點(diǎn)，來監(jiān)控四分之一波長(zhǎng)的整數(shù)倍的膜系精度提高的措施： 硬件設(shè)備的改進(jìn)， 如采用雙光路光強(qiáng)信號(hào)測(cè)量 透反射率值代替光路測(cè)量值來監(jiān)控膜厚， 可克服由于光波動(dòng)及探測(cè)器 波動(dòng)、漂移帶來的的影響：引入過正控制技術(shù)，即利用兩極值點(diǎn)間的 監(jiān)控精度高于極值點(diǎn)的監(jiān)控精度的特點(diǎn)，將停鍍點(diǎn)移到極值點(diǎn)之后， 根據(jù)鍍膜檢測(cè)過程中各層膜極值點(diǎn)的偏移量來修正理論計(jì)算的過正 量，提高監(jiān)控精度 六、簡(jiǎn)述薄膜微觀結(jié)構(gòu)的特征及其表征方法， 介紹一種薄膜微觀結(jié)構(gòu) 觀

25、測(cè)原理 特征：呈現(xiàn)柱狀加空穴結(jié)構(gòu)；柱狀幾乎垂直與基板表面生長(zhǎng)，而且上下端尺寸幾 乎相同；層與層之間有明顯的界限， 上層柱體與下層柱體并不完全連續(xù)。 薄膜微 觀結(jié)構(gòu)中還有很晶體缺陷。X-射線光電子能譜 （XPS）原理：其原理是用 X 射線去輻射樣品，使原子或分子的內(nèi)層電子或價(jià)電子受激發(fā) 射出來。被光子激發(fā)出來的電子稱為光電子?？梢詼y(cè)量光電子的能量， 不同元 素種類、不同元素價(jià)態(tài)、不同電子層（1s, 2s, 2p 等）所產(chǎn)生的能量即XPS不同。 以光電子的動(dòng)能為橫坐標(biāo)，相對(duì)強(qiáng)度（脈沖 /s ）為縱坐標(biāo)可做出光電子能譜圖。 從而獲得試樣有關(guān)信息。被激發(fā)的電子能量可用下式表示：KE = hv - BE

26、 - F specFspec= 譜學(xué)功函數(shù)或電子反沖能譜學(xué)功函數(shù)極小，可略去， 得到KE = hv - BE七、介紹光學(xué)薄膜在通訊行業(yè)或顯示器產(chǎn)業(yè)中的一種應(yīng)用。 光學(xué)薄膜技術(shù)一直是光學(xué)領(lǐng)域中不可忽略重要基礎(chǔ)技術(shù)，而且品質(zhì)要求也 越來越高， 加上近年來在資訊顯示及光通訊科技快速發(fā)展之下， 不論是在顯示設(shè) 備中分、合色元件，又或是在光通訊主、被動(dòng)元件開發(fā)制程上，薄膜制造技術(shù)都 是不可忽略重要技術(shù)。在顯示器技術(shù)、光通訊技術(shù)、生醫(yī)光電技術(shù)上，薄膜技術(shù) 有其決定性的影響。光學(xué)薄膜與鍍膜技術(shù)的應(yīng)用從精密光學(xué)設(shè)備、 顯示器設(shè)備到日常生活中的光 學(xué)薄膜的應(yīng)用都比較廣泛。比方說，平時(shí)戴的眼鏡、數(shù)位相機(jī)、各式家電

27、用品， 或者是鈔票上的防偽技術(shù)， 皆能被稱之為光學(xué)薄膜技術(shù)應(yīng)用的延伸。 倘若沒有光 學(xué)薄膜技術(shù)作為發(fā)展基礎(chǔ)， 近代光電、 通訊或是雷射技術(shù)發(fā)展速度， 將無法有所 進(jìn)展，這也顯示出光學(xué)薄膜技術(shù)研究發(fā)展重要性。一般來說， 要使用多層薄膜時(shí)， 必須根據(jù)設(shè)計(jì)者需求， 借用高低折射率薄膜 堆疊技術(shù)，做為各類型光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)之用， 才能達(dá)到事先預(yù)期后評(píng)估的光學(xué)特性。 比方說：減反射鏡、高反射鏡、分光鏡、截止濾光鏡、帶通濾光鏡、帶止濾光鏡 等；而在電腦分析軟、 硬體發(fā)展健全的今日， 不僅使光學(xué)薄膜在設(shè)計(jì)上變得更為 便捷，且光學(xué)薄膜技術(shù)研究發(fā)展也將更為快速。就目前設(shè)計(jì)端而言， 若以合理特性范圍來考量， 光學(xué)薄膜

28、制作門檻已經(jīng)降低 不少，技術(shù)困難點(diǎn)也很少出現(xiàn)， 通常只要在合理要求范圍之內(nèi)， 設(shè)計(jì)者不難發(fā)出 適用的光學(xué)多層膜結(jié)構(gòu)。 不過，光學(xué)薄膜最主要關(guān)鍵問題， 在于薄膜鍍膜工藝技 術(shù)的改善。 這關(guān)系到要如何精準(zhǔn)地掌控每一層薄膜厚度與折射率， 才能獲得預(yù)期 光學(xué)性質(zhì)和機(jī)械特性，甚至在制造量產(chǎn)化及成本降低都有其助益。另外，包括： 薄膜材料開發(fā)（包括：材料測(cè)試、化學(xué)純度、材料創(chuàng)新、材料型式）、先進(jìn)鍍膜 技術(shù)開發(fā)（包括：真空鍍膜機(jī)、監(jiān)控技術(shù)）及薄膜的量測(cè)分析（膜層設(shè)計(jì)、厚度 誤差分析技巧）等，都是光學(xué)薄膜工程上所要面對(duì)到的首要課題。不過，在光學(xué)薄膜技術(shù)應(yīng)用上， 由于技術(shù)本身被歸納為廣泛應(yīng)用性質(zhì)， 不容 易以某一

29、或單一產(chǎn)品作為載具并加以區(qū)分； 因此，光學(xué)薄膜產(chǎn)品技術(shù)， 最終應(yīng)用 則是在許多光學(xué)元件上， 若以光學(xué)元件各個(gè)相關(guān)應(yīng)用市場(chǎng)來探究， 更可看出主要 附加價(jià)值與相關(guān)性。人們對(duì)于顯示器畫面尺寸及影像品質(zhì)及輻射量多少的要求日漸嚴(yán)苛， 顯示器 尺寸也從14吋、20吋、29吋、32吋，變到了更大尺寸，顯示屏也從 CRT屏幕 發(fā)展到LCD屏幕或投影屏幕。因?yàn)槌^40吋CRT顯示器動(dòng)輒超過100公斤、厚 度也超過35吋；因此，在一般CRT顯示器生產(chǎn)過程中，40吋以上就是一個(gè)技術(shù) 瓶頸。目前要打破尺寸瓶頸技術(shù)， 就是利用投影技術(shù)來達(dá)成， 借用光學(xué)技術(shù)放大 顯示器尺寸，使其機(jī)身厚度變薄，體積變得更為輕盈。對(duì)于投影機(jī)

30、產(chǎn)業(yè)而言， 必須快速對(duì)應(yīng)到燈源進(jìn)步程度， 以及更高亮度、 對(duì)比 度、體積更小、重量更輕等要求。揭開投影機(jī)顯示技術(shù)中重要光學(xué)關(guān)鍵零組件， 就像是光學(xué)引擎、 光閥、偏光轉(zhuǎn)換 器等開發(fā)技術(shù)， 對(duì)投影顯示技術(shù)中的影像品質(zhì)有著關(guān)鍵性影響。 舉例來說， 在光 學(xué)引擎的偏振分光稜鏡便是光學(xué)引擎中， 不可或缺的光學(xué)元件， 其可見光波要求 在420680nm范圍（入射角范圍約30°之內(nèi)），才能大幅度地分開P偏振光及S 偏振光，并維持P偏振光穿透率Tp> 90%以上及消光比達(dá)到Tp/Ts > 500以上， 這是因?yàn)橄獗仍礁呒癟P穿透率也就越高，影像對(duì)比度才會(huì)更好，色彩一致性 越高，獲得較高的光能利用率。在光學(xué)引擎中要用到大量偏振、分光及濾光元件，這些都需要依賴光學(xué)薄膜、 鍍膜技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，不過這些元件鍍膜技術(shù)要求層級(jí)很高，導(dǎo)致生產(chǎn)困難度加大。 一般來說，目前發(fā)展投影機(jī)技術(shù)，包括：LCD DLP (MEME、LCo熨種發(fā)展技術(shù)。影像成形技術(shù)，則分為穿透式LCD及反射式DLP LCOS而在投影機(jī)系統(tǒng)中, 便需要運(yùn)用光學(xué)薄膜濾光片新的開發(fā)技術(shù)，