1 Prinzipien optischer Filme
In diesem Artikel stellen wir die Prinzipien optischer Dünnfilme, häufig verwendete Designsoftware und Beschichtungstechnologie vor.
Das Grundprinzip, warum optische Filme einzigartige Funktionen wie Antireflexion, hohe Reflexion oder Lichtteilung erreichen können, ist die Dünnfilminterferenz von Licht. Dünne Filme bestehen normalerweise aus einer oder mehreren Gruppen abwechselnd übereinanderliegender Materialschichten mit hohem Brechungsindex und Materialschichten mit niedrigem Brechungsindex. Bei diesen Filmschichtmaterialien handelt es sich im Allgemeinen um Oxide, Metalle oder Fluoride. Durch Einstellen der Anzahl, Dicke und verschiedener Filmschichten des Films kann der Unterschied im Brechungsindex zwischen den Schichten die Interferenz von Lichtstrahlen zwischen Filmschichten regulieren, um die erforderlichen Funktionen zu erhalten.
Nehmen wir als Beispiel eine gängige Antireflexionsbeschichtung, um dieses Phänomen zu veranschaulichen. Um die Interferenz zu maximieren oder zu reduzieren, beträgt die optische Dicke der Beschichtungsschicht normalerweise 1/4 (QWOT) oder 1/2 (HWOT). In der folgenden Abbildung beträgt der Brechungsindex des einfallenden Mediums n0 und der Brechungsindex des Substrats ns. Daher kann ein Bild des Brechungsindex des Filmmaterials berechnet werden, das Interferenzunterdrückungsbedingungen erzeugen kann. Der von der oberen Oberfläche der Filmschicht reflektierte Lichtstrahl ist R1. Der von der unteren Oberfläche der Filmschicht reflektierte Lichtstrahl ist R2. Wenn die optische Dicke des Films 1/4 Wellenlänge beträgt, beträgt der optische Wegunterschied zwischen R1 und R2 1/2 Wellenlänge und die Interferenzbedingungen sind erfüllt, wodurch eine destruktive Interferenz erzeugt wird. Phänomen.
Auf diese Weise wird die Intensität des reflektierten Strahls sehr gering, wodurch der Zweck der Antireflexion erreicht wird.
2 Software für das Design optischer Dünnschichten
Um Technikern das Entwerfen von Filmsystemen zu erleichtern, die verschiedene spezifische Funktionen erfüllen, wurde Software für das Design dünner Filme entwickelt. Die Designsoftware integriert häufig verwendete Beschichtungsmaterialien und deren Parameter, Algorithmen zur Filmschichtsimulation und -optimierung sowie Analysefunktionen und erleichtert so den Technikern die Entwicklung und Analyse. Verschiedene Filmsysteme. Häufig verwendete Filmdesign-Software ist wie folgt:
A.TFCalc
TFCalc ist ein universelles Werkzeug für das Design und die Analyse optischer Dünnschichten. Es kann verwendet werden, um verschiedene Arten von Antireflexions-, Hochreflexions-, Bandpass-, Spektroskop-, Phasen- und anderen Filmsystemen zu entwerfen. TFCalc kann ein doppelseitiges Foliensystem auf einem Substrat entwerfen, mit bis zu 5.000 Folienschichten auf einer einzigen Oberfläche. Es unterstützt die Eingabe von Filmstapelformeln und kann verschiedene Arten von Beleuchtung simulieren: wie Kegelstrahlen, zufällige Strahlungsstrahlen usw. Zweitens verfügt die Software über bestimmte Optimierungsfunktionen und kann Methoden wie Extremwert- und Variationsmethoden zur Optimierung verwenden Reflektivität, Transmission, Absorption, Phase, Ellipsometrieparameter und andere Ziele des Filmsystems. Die Software integriert verschiedene Analysefunktionen, wie Reflektivität, Transmission, Absorption, Analyse der Ellipsometrieparameter, Verteilungskurve der elektrischen Feldintensität, Analyse der Reflexion und Transmissionsfarbe des Filmsystems, Berechnung der Kristallkontrollkurve, Analyse der Filmschichttoleranz und -empfindlichkeit, Ertragsanalyse usw. Die Bedienoberfläche von TFCalc ist wie folgt:
In der oben gezeigten Bedienoberfläche können Sie durch Eingabe von Parametern und Randbedingungen und Optimierung ein Filmsystem erhalten, das Ihren Anforderungen entspricht. Die Bedienung ist relativ einfach und leicht zu bedienen.
B. Essential Macleod
Essential Macleod ist ein komplettes Softwarepaket für die Analyse und Gestaltung optischer Filme mit einer echten Multi-Dokument-Bedienoberfläche. Es kann verschiedene Anforderungen an das Design optischer Beschichtungen erfüllen, von einfachen einschichtigen Filmen bis hin zu streng spektroskopischen Filmen. Darüber hinaus können Filter mit Wellenlängenmultiplex (WDM) und dichtem Wellenlängenmultiplex (DWDM) ausgewertet werden. Es kann von Grund auf neu entwerfen oder bestehende Designs optimieren und Fehler im Design überwachen. Es ist reich an Funktionen und leistungsstark.
Die Designoberfläche der Software ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
C. OptiLayer
Die OptiLayer-Software unterstützt den gesamten Prozess optischer Dünnschichten: Parameter – Design – Produktion – Inversionsanalyse. Es besteht aus drei Teilen: OptiLayer, OptiChar und OptiRE. Es gibt auch eine OptiReOpt Dynamic Link Library (DLL), die die Funktionen der Software erweitern kann.
OptiLayer untersucht die Bewertungsfunktion vom Entwurf bis zum Ziel, erreicht das Entwurfsziel durch Optimierung und führt eine Fehleranalyse vor der Produktion durch. OptiChar untersucht die Differenzfunktion zwischen den spektralen Eigenschaften des Schichtmaterials und seinen gemessenen spektralen Eigenschaften unter verschiedenen wichtigen Faktoren in der Dünnschichttheorie und erhält ein besseres und realistisches Schichtmaterialmodell sowie den Einfluss jedes Faktors auf das aktuelle Design und zeigt die Verwendung auf Was Welche Faktoren müssen bei der Gestaltung dieser Materialschicht berücksichtigt werden? OptiRE untersucht die spektralen Eigenschaften des Designmodells und die spektralen Eigenschaften des Modells, die nach der Produktion experimentell gemessen wurden. Durch technische Umkehrung erfassen wir einige Fehler, die während der Produktion entstehen, und geben sie an den Produktionsprozess zurück, um die Produktion zu steuern. Die oben genannten Module können über die Dynamic Link Library-Funktion verknüpft werden, wodurch Funktionen wie Design, Modifikation und Echtzeitüberwachung in einer Reihe von Prozessen vom Filmdesign bis zur Produktion realisiert werden.
3 Beschichtungstechnologie
Je nach Beschichtungsmethode kann sie in zwei Kategorien unterteilt werden: chemische Beschichtungstechnologie und physikalische Beschichtungstechnologie. Die chemische Beschichtungstechnik wird hauptsächlich in Tauchbeschichtung und Sprühbeschichtung unterteilt. Diese Technologie ist umweltschädlicher und weist eine schlechte Filmleistung auf. Sie wird nach und nach durch eine neue Generation der physikalischen Beschichtungstechnologie ersetzt. Die physikalische Beschichtung erfolgt durch Vakuumverdampfung, Ionenplattierung usw. Die Vakuumbeschichtung ist eine Methode zum Verdampfen (oder Sputtern) von Metallen, Verbindungen und anderen Filmmaterialien im Vakuum, um sie auf dem zu beschichtenden Substrat abzuscheiden. In einer Vakuumumgebung weisen Beschichtungsgeräte weniger Verunreinigungen auf, was eine Oxidation der Materialoberfläche verhindern und dazu beitragen kann, die spektrale Gleichmäßigkeit und Dickenkonsistenz des Films sicherzustellen, weshalb sie weit verbreitet ist.
Unter normalen Umständen beträgt 1 Atmosphärendruck etwa 10 hoch 5 Pa, und der für die Vakuumbeschichtung erforderliche Luftdruck beträgt im Allgemeinen 10 hoch 3 Pa und mehr, was zur Hochvakuumbeschichtung gehört. Bei der Vakuumbeschichtung muss die Oberfläche optischer Komponenten sehr sauber sein, daher muss auch die Vakuumkammer während der Bearbeitung sehr sauber sein. Derzeit besteht die Möglichkeit, eine saubere Vakuumumgebung zu erhalten, im Allgemeinen darin, Staubsaugen zu verwenden. Öldiffusionspumpen. Eine Molekularpumpe oder Kondensationspumpe wird verwendet, um Vakuum zu extrahieren und eine Hochvakuumumgebung zu schaffen. Öldiffusionspumpen benötigen Kühlwasser und eine Vorvakuumpumpe. Sie sind groß und verbrauchen viel Energie, was zu einer Verschmutzung des Beschichtungsprozesses führt. Molekularpumpen benötigen in der Regel eine Vorpumpe zur Unterstützung ihrer Arbeit und sind teuer. Im Gegensatz dazu verursachen Kondensationspumpen keine Umweltverschmutzung. Es erfordert keine Vorpumpe, weist einen hohen Wirkungsgrad und eine gute Zuverlässigkeit auf und eignet sich daher am besten für die optische Vakuumbeschichtung. Die Innenkammer einer herkömmlichen Vakuumbeschichtungsmaschine ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
Bei der Vakuumbeschichtung muss das Filmmaterial in einen gasförmigen Zustand erhitzt und dann auf der Oberfläche des Substrats abgeschieden werden, um eine Filmschicht zu bilden. Entsprechend den verschiedenen Beschichtungsverfahren kann es in drei Typen unterteilt werden: thermische Verdampfungserwärmung, Sputtererwärmung und Ionenbeschichtung.
Bei der thermischen Verdampfungserwärmung wird der Tiegel üblicherweise mit Widerstandsdraht oder Hochfrequenzinduktion erhitzt, sodass das Filmmaterial im Tiegel erhitzt und verdampft wird, um eine Beschichtung zu bilden.
Die Sputtererwärmung wird in zwei Arten unterteilt: Ionenstrahl-Sputtererwärmung und Magnetron-Sputtererwärmung. Beim Erhitzen durch Ionenstrahlsputtern wird eine Ionenkanone verwendet, um einen Ionenstrahl auszusenden. Der Ionenstrahl beschießt das Ziel in einem bestimmten Einfallswinkel und zerstäubt dessen Oberflächenschicht. Atome, die sich auf der Oberfläche des Substrats ablagern und einen dünnen Film bilden. Der Hauptnachteil des Ionenstrahlsputterns besteht darin, dass die beschossene Fläche auf der Targetoberfläche zu klein ist und die Abscheidungsrate im Allgemeinen niedrig ist. Beim Erhitzen durch Magnetronsputtern werden Elektronen unter der Wirkung eines elektrischen Feldes in Richtung des Substrats beschleunigt. Bei diesem Prozess kollidieren Elektronen mit Argongasatomen und ionisieren dabei eine große Anzahl von Argonionen und Elektronen. Die Elektronen fliegen auf das Substrat zu und die Argonionen werden durch das elektrische Feld erhitzt. Das Ziel wird unter der Wirkung des Ziels beschleunigt und bombardiert, und die neutralen Zielatome im Ziel werden auf dem Substrat abgelagert, um einen Film zu bilden. Magnetronsputtern zeichnet sich durch eine hohe Filmbildungsrate, niedrige Substrattemperatur und gute Filmhaftung aus und ermöglicht eine großflächige Beschichtung.
Unter Ionenplattieren versteht man ein Verfahren, bei dem Gasentladung zur teilweisen Ionisierung von Gas oder verdampften Substanzen verwendet wird und verdampfte Substanzen unter dem Beschuss von Gasionen oder verdampften Substanzionen auf einem Substrat abgeschieden werden. Bei der Ionenplattierung handelt es sich um eine Kombination aus Vakuumverdampfung und Sputtertechnologie. Es vereint die Vorteile von Aufdampf- und Sputterverfahren und kann Werkstücke mit komplexen Schichtsystemen beschichten.
4 Fazit
In diesem Artikel stellen wir zunächst die Grundprinzipien optischer Filme vor. Durch Festlegen der Anzahl und Dicke des Films sowie des Unterschieds im Brechungsindex zwischen verschiedenen Filmschichten können wir die Interferenz von Lichtstrahlen zwischen den Filmschichten erreichen und so die erforderliche Funktion der Filmschicht erhalten. Anschließend stellt dieser Artikel häufig verwendete Filmdesign-Software vor, um jedem ein erstes Verständnis des Filmdesigns zu vermitteln. Im dritten Teil des Artikels geben wir eine ausführliche Einführung in die Beschichtungstechnik und konzentrieren uns dabei auf die in der Praxis weit verbreitete Vakuumbeschichtungstechnik. Ich glaube, dass jeder durch die Lektüre dieses Artikels ein besseres Verständnis für optische Beschichtungen erlangen wird. Im nächsten Artikel werden wir die Beschichtungstestmethode der beschichteten Komponenten vorstellen, also bleiben Sie dran.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 10. April 2024
