低辐射玻璃膜层材料光学常数的提取

引言

采用磁控溅射法生产离线低辐射（Low-E）镀膜玻璃，产品质量依赖于膜层结构和工艺参数的调整。单银Low-E膜系结构简单，膜层材料少，工艺人员凭借长期总结的经验，不需要依赖软件模拟就可以调试出光学性能符合要求的产品。随着人们节能意识和节能要求的提升，双银甚至三银Low-E开始逐步取代单银成为新一代中、高档建筑幕墙使用的节能玻璃产品。但双银和三银产品的膜系复杂，并且还伴随有膜层不均匀、大角度色差等问题，调试过程不能单靠经验，需要借助于软件模拟对膜层结构和工艺参数调试提供指导，而软件模拟的前提是建立准确的材料光学常数数据库。随着材料科学和真空溅射等技术的发展，不仅对于双银和三银Low-E产品，更对于其他一些高附加值的特殊光学薄膜而言，准确提取膜层材料的光学常数都将起着关键性的作用。

2 提取光学常数的方法原理

光学常数的测量和提取方法有很多种[1]，如光切法、波导法、光谱法、椭圆偏振法等。其中光谱拟合法能同时得出薄膜厚度和光学常数，再加上该方法对膜层的非破坏性，因此成为薄膜光学常数提取的主要方法。本文即是采用这种方法对低辐射玻璃膜层所用介质材料SixNy和ZnAlOx的光学常数进行提取。

图1 多光束干涉

光谱法的理论基础是薄膜干涉。当光束照射到平行平面薄膜上时，在薄膜的上下表面发生多次反射[2]，因而产生一组反射光束和一组透射光束，如图1所示。这些光束形成干涉效应，最终影响薄膜的反射率和透射率。不同薄膜材料的特性不同，反射率和透射率值的大小不同。通过数学推导并结合麦克斯韦电磁场理论，可得到反射率和透射率与入射角、波长、膜厚、折射率之间的关系式。式1所示即为单层薄膜反射率的函数关系式，其中no、n和ng分别为入射介质、膜层和基片折射率。由该式可看出，在设定波长范围，固定入射角的条件下，反射率和透射率与薄膜的厚度（d）和光学常数（n）有着唯一对应的关系，这就是光谱法提取光学常数的原理，该方法同时也可以得到薄膜的厚度。

（1）

另外，准确计算反射率和透射率，还要考虑色散现象。即材料的折射率随波长的变化关系。这与不同材料的晶体结构、能态结构等相关[3]。光学和材料学领域的学者结合电磁学理论、经典物理学的偶极震荡理论、材料本身的电子跃迁及量子理论，总结并改进得到了许多模型[4-6]来描述不同类型材料的色散现象。例如Lorentz oscillator模型， Interband transitions模型，Drude模型等。

本文使用code薄膜设计软件进行模拟，根据软件自身所带的材料模型种类以及SixNy和ZnAlOx的光学特性，在380～2500nm范围内，均为其选择Dieletric Background + Kim Oscillator + OJL Interband Transition的模型组合。在完成构建材料模型和膜系结构之后，以实测光谱数据为标准曲线进行光谱拟合，从而提取光学常数和膜厚，最终通过比较拟合膜厚值与实测膜厚值来验证所提取光学常数的准确性。

3实验部分

3.1样片制备

样片制备在沙河某条北玻SE2540磁控溅射镀膜生产线上完成。玻璃基片均采用南玻6mm白玻。使用1000mm×2440mm的半大片镀膜，然后裁去边缘，取中间部分裁成100mm×100mm小样片以便实验室测试。为了使后续的拟合效果更加准确，单层膜的厚度镀制得比较厚，约为200～400nm。为了达到此厚度范围，溅射时设置较低的工艺走速，且多靶同开，往复多次镀膜。

SixNy单层膜样片的制备：采用欧莱硅铝靶，根据溅射室的实际工艺配置，同时开3根硅铝靶（每根靶的使用程度或者说累积功率各不相同），每根功率为50kW；工艺走速为0.8m/min，往复走2次；工艺气体配比Ar：N2=600：800sccm。

ZnAlOx单层膜样片的制备：采用欧莱锌铝靶，根据溅射室的实际工艺配置，同时开2根锌铝靶（每根靶的使用程度或者说累积功率各不相同），每根功率为40kW；工艺走速为1.3m/min，往复走2次；工艺气体配比Ar：O2=450:800sccm。

3.2光谱测试

3.2.1玻璃基片的光谱测试数据

表1 玻璃基片的透过率(T)光谱数据

波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率
(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)
380	83.1130	740	80.8344	1100	71.4875	1460	77.6993	1820	81.0839	2180	78.9267
420	88.2175	780	78.2893	1140	71.6225	1500	78.9054	1860	80.9193	2220	77.1298
460	89.1345	820	76.0941	1180	71.9403	1540	79.8618	1900	80.7619	2260	77.8093
500	89.8013	860	74.7004	1220	72.2778	1580	80.6549	1940	80.7093	2300	78.5232
540	89.6028	900	73.3670	1260	72.8752	1620	81.1420	1980	80.6181	2340	78.7526
580	88.7973	940	72.4542	1300	73.6685	1660	81.4504	2020	80.5009	2380	78.4992
620	87.2472	980	71.9011	1340	74.6612	1700	81.5546	2060	80.4881	2420	78.1212
660	85.2987	1020	71.5299	1380	75.6209	1740	81.4943	2100	80.4380	2460	77.0399
700	83.1817	1060	71.4314	1420	76.3056	1780	81.3159	2140	80.1420	2500	75.9466

表2 玻璃基片的反射率(R)光谱数据

波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率
(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)
380	8.8490	740	7.7126	1100	6.9090	1460	7.1440	1820	7.3950	2180	7.1133
420	9.0653	780	7.4408	1140	6.8164	1500	7.3524	1860	7.3623	2220	6.8416
460	8.9888	820	7.0704	1180	6.9024	1540	7.3561	1900	7.3150	2260	7.1036
500	8.9163	860	7.4870	1220	6.8780	1580	7.3749	1940	7.2480	2300	6.9603
540	8.7267	900	7.1453	1260	6.9171	1620	7.4544	1980	7.1830	2340	7.0180
580	8.5524	940	7.0748	1300	6.9639	1660	7.4195	2020	7.2173	2380	6.5496
620	8.3482	980	6.8809	1340	6.9229	1700	7.4046	2060	7.2792	2420	7.3975
660	8.1163	1020	6.9033	1380	6.9633	1740	7.4289	2100	7.2945	2460	6.7775
700	7.8990	1060	6.8666	1420	7.0981	1780	7.4016	2140	7.1950	2500	7.0091

3.2.2 SixNy单层膜样片的光谱测试数据

表3 SixNy单层膜样片的透过率(T)光谱数据

波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率
(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)
380	69.3110	740	76.0510	1100	59.7670	1460	73.7700	1820	71.7880	2180	65.9030
420	65.6030	780	69.7370	1140	61.5250	1500	74.6860	1860	70.9500	2220	64.4320
460	79.7320	820	63.8380	1180	63.3530	1540	75.2350	1900	70.1510	2260	64.4290
500	82.7370	860	59.9230	1220	65.1930	1580	75.4840	1940	69.4940	2300	64.9830
540	73.6460	900	57.3310	1260	66.8630	1620	75.4200	1980	69.0040	2340	65.1250
580	70.9370	940	56.2040	1300	68.5280	1660	75.0100	2020	68.3950	2380	64.8990
620	74.3610	980	56.1760	1340	70.1650	1700	74.3710	2060	68.0310	2420	64.1300
660	78.9700	1020	56.8500	1380	71.5170	1740	73.6210	2100	67.6220	2460	63.3420
700	79.8970	1060	58.1490	1420	72.5180	1780	72.6960	2140	67.0630	2500	62.8060

表4 SixNy单层膜样片的膜面反射率(R coat)光谱数据

波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率
(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)
380	12.0890	740	9.2421	1100	15.8790	1460	7.2343	1820	15.4210	2180	20.6260
420	26.1490	780	13.3880	1140	13.5000	1500	7.8747	1860	16.1030	2220	20.8520
460	12.2910	820	17.6720	1180	11.4050	1540	8.8155	1900	16.9840	2260	21.3410
500	12.1600	860	21.5220	1220	9.5560	1580	9.7634	1940	17.7940	2300	21.5030
540	22.9130	900	22.8690	1260	8.1448	1620	10.7590	1980	18.3010	2340	21.5530
580	25.0580	940	22.9520	1300	7.1951	1660	11.7630	2020	18.8330	2380	22.1740
620	19.4730	980	22.0790	1340	6.5793	1700	12.7800	2060	19.4400	2420	22.4730
660	11.9130	1020	20.4050	1380	6.3498	1740	13.6460	2100	19.8850	2460	22.3870
700	7.9379	1060	18.3290	1420	6.6100	1780	14.5080	2140	20.2600	2500	21.6130

表5 SixNy单层膜样片的玻面反射率(R glass)光谱数据

波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率
(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)
380	10.3920	740	8.8055	1100	11.2800	1460	7.1799	1820	13.0640	2180	16.1580
420	24.0300	780	11.1540	1140	10.1400	1500	7.6201	1860	13.4140	2220	15.8750
460	11.6240	820	13.3810	1180	9.1073	1540	8.2753	1900	14.0390	2260	16.3580
500	11.5280	860	15.3170	1220	8.2267	1580	8.9563	1940	14.5370	2300	16.7110
540	21.7340	900	15.5410	1260	7.4757	1620	9.7760	1980	14.9140	2340	16.7720
580	23.4380	940	15.2490	1300	7.0404	1660	10.4590	2020	15.2870	2380	17.0020
620	17.8440	980	14.5260	1340	6.7112	1700	11.2240	2060	15.7370	2420	16.9940
660	11.1340	1020	13.6060	1380	6.6267	1740	11.8240	2100	16.1000	2460	16.3690
700	7.8603	1060	12.5210	1420	6.8386	1780	12.5060	2140	16.3230	2500	16.1840

3.2.3 ZnAlOx单层膜样片的光谱测试数据

表6 ZnAlOx单层膜样片的透过率(T)光谱数据

波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率
(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)
380	39.2180	740	74.1950	1100	68.4490	1460	68.2810	1820	69.9660	2180	68.7860
420	66.6740	780	74.3890	1140	67.6730	1500	68.9790	1860	69.8250	2220	67.3240
460	84.1960	820	74.1300	1180	67.0650	1540	69.6470	1900	69.6840	2260	67.9870
500	87.5950	860	73.8260	1220	66.6860	1580	70.1070	1940	69.7040	2300	68.7900
540	81.8200	900	73.0890	1260	66.4600	1620	70.4070	1980	69.7270	2340	69.3550
580	76.6540	940	72.1880	1300	66.5200	1660	70.4480	2020	69.6570	2380	69.1180
620	73.9950	980	71.2050	1340	66.7950	1700	70.4800	2060	69.7750	2420	68.5480
660	73.3830	1020	70.2220	1380	67.1800	1740	70.3610	2100	69.9000	2460	67.7060
700	73.6350	1060	69.2790	1420	67.4780	1780	70.1700	2140	69.7370	2500	67.1900

表7 ZnAlOx单层膜样片的膜面反射率(R coat)光谱数据

波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率
(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)
380	14.1700	740	15.0730	1100	10.7420	1460	18.7470	1820	20.3380	2180	19.1740
420	23.2300	780	11.9080	1140	11.9080	1500	19.1720	1860	20.1620	2220	19.0980
460	10.9630	820	9.4379	1180	13.0820	1540	19.5750	1900	20.2420	2260	19.0020
500	9.9718	860	8.1047	1220	14.1090	1580	19.7930	1940	20.2380	2300	18.6240
540	16.3420	900	7.1842	1260	15.2030	1620	20.0520	1980	20.0410	2340	18.6430
580	21.0620	940	7.0925	1300	16.0720	1660	20.2120	2020	19.8770	2380	18.4130
620	22.3750	980	7.5807	1340	16.7750	1700	20.3650	2060	19.8050	2420	18.0620
660	21.0720	1020	8.3749	1380	17.4670	1740	20.3050	2100	19.7020	2460	17.5260
700	18.2960	1060	9.5941	1420	18.1290	1780	20.3560	2140	19.5730	2500	17.7530

表8 ZnAlOx单层膜样片的玻面反射率(R glass)光谱数据

波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率	波长	透过率
(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)	(nm)	(％)
380	11.1970	740	13.2320	1100	9.3864	1460	15.2860	1820	17.2090	2180	15.7200
420	21.6990	780	10.4560	1140	10.0390	1500	15.8470	1860	16.9940	2220	15.1960
460	10.5260	820	8.6296	1180	10.7990	1540	16.3850	1900	17.0420	2260	15.4840
500	10.3820	860	7.9614	1220	11.4030	1580	16.7810	1940	16.9870	2300	15.2340
540	16.7980	900	7.3407	1260	12.0870	1620	17.1320	1980	16.8510	2340	15.0050
580	20.8660	940	7.2758	1300	12.8120	1660	17.2640	2020	16.6550	2380	14.9160
620	21.3210	980	7.5718	1340	13.4670	1700	17.4000	2060	16.5250	2420	14.5730
660	19.3420	1020	8.0226	1380	13.9730	1740	17.2660	2100	16.4240	2460	14.1430
700	16.2920	1060	8.7369	1420	14.5310	1780	17.2870	2140	16.2350	2500	14.0780

4 膜厚测试

使用XP-200台阶仪测试单层膜样片的膜层厚度，每个样片测试7次，取平均值，结果如下：

表9 台阶仪测试膜厚结果

样片	膜层厚度
SixNy单层膜样片	325.9±10.8nm
ZnAlOx单层膜样片	232.5±5.7nm

5提取光学常数和膜厚

5.1玻璃基片光学常数的提取

采用code软件自带的辅助应用程序directdf提取玻璃基片的光学常数。将表1、表2所示玻璃的透过率和反射率数据依次导入，该程序则自动生成玻璃的光学常数，如图2所示（图中红色线为折射率虚部，蓝色线为折射率实部），并自动添加进code的材料数据库database中。

图2 玻璃基片的光学常数提取结果

5.2 SixNy光学常数和膜厚的提取

使用code软件提取光学常数的步骤依次为：在material中添加材料，玻璃直接从database中导入，SixNy采用Dieletric Background + Kim Oscillator + OJL Interband Transition模型组合自行建立；在layer stacks中构建膜层结构air-SixNy-glass-air; 在spectrum 中建立需要拟合的反射光谱和透射光谱，并导入测试光谱数据形成标准曲线；在fit parameters 中导入光学常数模型中的所有参数及其初始值；最后点击start用软件自带的单纯形法（downhill）进行自动拟合，结果如下（图示光谱T\R coat\R glass中的红色线为导入的标准光谱曲线，蓝色线为拟合的光谱曲线）：

图3 SixNy样片光谱拟合及光学常数和膜厚的提取

5.3 ZnAlOx光学常数和膜厚的提取

提取步骤同上，结果如下（图示光谱T\R coat\R glass中的红色线为导入的标准光谱曲线，蓝色线为拟合的光谱曲线）：

图4 ZnAlOx样片光谱拟合及光学常数和膜厚的提取

6 结论

SixNy的实测膜厚为325.9nm，拟合膜厚为343.1nm，误差为5.28％；ZnAlOx的实测膜厚为232.5nm，拟合膜厚为233.0nm，误差为0.22％。二者误差都特别小，均低于6％，这说明拟合过程比较准确，光谱法提取的光学常数具有一定的准确性。