干涉滤光片的设计与制造实验报告班级：姓名：学号：一、玻璃(折射率为1.52)表面制备ITO 薄膜(折射率为1.9)，当薄膜光学厚度为0λ/4(0λ取500nm)时，理论计算ITO 薄膜在0λ处的透过率，并判断该薄膜是增透膜还是增反膜。

1、薄膜在0λ处透过率的计算讨论光线正入射,各介质吸收系数k=0的情况,图1 薄膜透过率计算光路图πλλπλπδλλ=∙=∆==∙==∆22224222101nh n 上表面的光程差光线在介质、由于光线正入射且不考虑介质吸收率，故在薄膜n 1上表面的反射系数r 1,玻璃基板n 2上表面的反射系数r 2计算公式如下：1711952.19.152.19.1,2999.119.112121101021=+-=+-=-=+-=+-=n n n n r n n n n r依据单层膜反射率计算公式：2211222212122cos 12cos r r r r R r r r r δδ++=++1660.0,21==R r r 代入得，将πδ8340.0-1==R T1n 2n r 1 r 22、薄膜功能判断1)对比不镀膜的情况若未向玻璃基板上镀ITO 薄膜，则玻璃基板表面的反射系数为631352.1152.112200-=+-=+-=n n n n r ，由于光线正入射，故玻璃表面反射率为0426.0)6313(|r |22===R ,小于镀膜时的反射率0.1660，故该模型中ITO 薄膜为增反膜。

2）从薄膜表面光线的干涉情况考虑：由于n 1>n,,故光线1在薄膜与玻璃的界面反射时产生半波损失，所以1、2光线在薄膜上表面的实际相位差为πππδ2'=+=，这表明，1、2光线在薄膜表面经干涉加强，即薄膜表面反射光加强，这是增反膜的原理。

二、简述窄带滤光片的作用及工作原理并设计如下滤光片(给出膜系结构及设计曲线)：入射介质0n ＝1；出射介质g n ＝1.52；入射角0θ＝︒0；中心波长0λ＝450nm ，中心波长透过率大于85%，透射光谱的半宽度小于50nm 。

使用n H ＝2.0（Si 3N 4）， n L ＝1.48（SiO 2）。

答：1、窄带滤光片的作用：让光源中某一窄带光谱的光波以尽可能高的透射率通过，而使其他光谱范围的光波衰减，以获得单色性良好的准单色光。

2、工作原理：窄带滤光片是由两块内表面镀有高反射膜（介质或金属膜）的相互平行的高平面度玻璃板或石英板组成，在内表面之间形成多次反射以产生多光束之间的干涉。

其原理可由多光束干涉极大值条件来解释，即：图2 多光束干涉),2,1,0(2sin 422 ==-=ΛN N i n dM πλπϕ当相干光束数目很大时，对于确定的n 、d 、i 值，光源中只有严格满足上述条件的波长成分才能基本无衰减地透过，微小偏离上述条件的波长成分将由于近似相消干涉而衰减，于是实现了窄带滤波。

当入射角i=0°时，透射波长可表示为：N dnN 2=λ。

这说明干涉滤光片透射光波的光谱也是一种“沟槽光谱”。

3、滤光片设计：方案1 (HL)2HLL(HL)2H (12层)图3 方案1设计曲线所得数据如下：中心波长450nm 处的透过率为95.74%,大于85%；该透过率的一半为47.87%，对应的波长分别约为436.2nm 和 464.7nm ，故透射光谱的半宽度约为28.5nm,小于50nm。

该设计合题意。

分析半宽度时也可用此方法：如图，425nm处对应透过率为24.48%,475nm 处对应的透过率为27.76%,两处透过率均小于47.87% ,故透射光谱的半宽度一定小于475-425=50nm。

方案2 (HL)2H(HL)2H （10层）图4 方案2设计曲线所得数据如下：中心波长450nm处的透过率为95.74%,大于85%；该透过率的一半为47.87%，对应的波长分别约为429.0nm和473.1nm，故透射光谱的半宽度约为44.1nm,小于50nm。

该设计合题意。

同样，分析半宽度时也可用此方法：如图，425nm处对应透过40.37%,475nm 处对应的透过率为44.78%,两处透过率均小于47.87% ,故透射光谱的半宽度一定小于475-425=50nm。

三、简述窄带滤光片的制备过程，给出实际滤光片的测试结果(中心波长、峰值透过率，光谱半宽度)，利用干涉理论分析实际结果和理论设计值的差别及产生差别的原因。

答：本次实验采用方案1，即(HL)2HLL(HL)2H，制备干涉滤光片的方法为等离子体增强化学气相沉积法，英文缩写为PECVD，实验设备如图：（一）制备过程1、清洗镀膜机（图5），安装监控片，将待蒸发的薄膜材料放入蒸发容器中；2、清洗玻璃基片，由于设计要求不高，镜片只用酒精进行擦拭；3、根据膜系设计的结果将设计参数置入镀膜机的控制系统；然后在控制系统的监控下镀膜机镀膜机全自动镀制干涉滤光片。

设备具体操作如下： 1）开机a) 开机前准备：打开总电闸、电脑、空压机、冷却水、液氮阀门（罐上阀门和气路版阀门）。

b) 开机：弹起设备紧急制动，按下绿色电源按钮，打开PC 端控制软件；启动泵。

2）沉积工艺过程a)工艺前准备：确认工艺需要的气体源，打开相应阀门（反应气体和高纯氮）；本次实验需要N 2/SiH 4、N 2、NH 3、N 2O 等气体。

b)加热器预热：chamber 抽真空至base pressure （默认6mTorr ）后在软件chamber 界面温度区输入预加温度，依次按run ，stop （至300℃约二十分钟）。

c) Recipe 设置：在recipe 界面点击automatic 编辑确定工艺步骤及详细参数（气体流量，气压，温度，高低频功率及时间，工艺沉积时间）； 首先，根据单层膜H 与L 的几何厚度、沉积速度，以及系统给出的时间，计算出在H 层与L 层几何厚度下，需要PECVD 反应的沉积时间。

Si3N4 100nm ——60s SiO2 300nm ——80s 56.250nm ——33.75s 76.014nm ——20.27s (近似取整) 56nm ——34s 76nm ——21s得出反应时间之后，还要确定反应的温度，高低电压以及其持续时间等。

将所有数据输入到控制PECVD设备的软件中，编辑好每一层单层膜制备的数据。

需要注意的是，由于中间为LL两层相同单层膜，可以直接将时间调整为两倍。

图6为H单层膜编辑页面（数据非最终设定值）：图6 H层参数编辑页面图7为L单层膜编辑页面（数据非最终设定值）：图7 L层参数编辑页面d)Condition：确定并设定工艺参数后以此工艺在condition wafer上进行10-20分钟的预沉积，此时应当打开尾气处理系统（喷淋和燃烧）；e)沉积操作：放入沉积衬底，依次按设定好的recipe点击run自动进行；f)工艺完成后及时取出样品保存。

图8 制备完成的样品 3）关机a)确定取出样品后关闭传送舱盖，抽至真空状态。

b)关闭所有气路，高纯氮瓶口阀门和气路板阀门，特气柜应当关闭气动阀）。

关闭尾气处理系统；c)按下设备红色按钮并按下制动阀门，关闭电脑，总电源，冷却水，空压机。

4、滤光片参数性能检测1) 从镀膜机室取出干涉滤光片，在图6所示的分光光度计中测试滤光片的光学特性，扫描区间是380nm~800nm,；2) 将测得的滤光片透过率曲线和设计的曲线进行比较和分析。

（二）测试结果将干涉滤光片放在分光光度计内进行性能检测，扫描区间是380nm~800nm 。

扫描结果如下图。

滤光片实际测量所得性能参数如下：中心波长：457nm峰值透过率：77.6%光谱半宽度：28nm（472nm——444nm）而用软件分析理论所得透过率曲线图如下：理论性能参数为： 中心波长：450nm 峰值透过率：95.68%光谱半宽度：28.5nm(436.2nm ——464.7nm) （三）对比理论与实际的差异由曲线图走势来看，实际曲线与理论分析十分接近，形状基本相符，但具体性能参数上有一些差别，表现为：1、实际中心波长比理论中心波长大7nm ；2、实际峰值透过率远比理论峰值透过率低18.08%；3、光谱半宽度与理论值基本相符。

（四）分析差异产生的原因 1、中心波长向右漂移7nm 由干涉滤光片的基本原理出发：由分析得知，波长满足如下关系的光会经干涉得极大值：πλπϕN i n d M 2sin 4220=-=∆由0=i ，得中心波长N dn N 2=λN 取1即为所求中心波长，可看出，若dn 即介质光学厚度增大,则会导致中心波长增大。

此次所制备的滤光片中部为SiO 2（L 层），H 层为Si 3N 4。

由分析知，H 层或L 层光学厚度nd 的增大均会导致中心波长的增大。

故以下从两方面分析可能原因： （1）d 增大：① 由于某些因素导致实际沉积时间过长。

如，实际沉积时间大于理论值——本次实验H层与L层所设置的沉积时间均为近似取整后的结果，单层H层设为34s，单层L层设为21s。

而较为精确计算所得为H层沉积33.75s ，L层沉积20.27s。

这表明H、L层的实际沉积时间均略大于理论精确所得时间，故沉积厚度大于理论值。

或者在实际操作中由于设备不够精确的原因，导致沉积的时间大于设置时间，从而使薄膜厚度大于理想值。

②沉积速率在某个时间段过快。

经查阅相关资料，可能情况之一为：SiO2膜淀积开始时自偏压较大，淀积速率较快，随着淀积的进行，自偏压逐渐降低，淀积速率变慢。

一定时间后，自偏压不再变化，SiO2的淀积速率趋于稳定。

故在稳定之前，由于自偏压过大导致淀积速率大于预设值，从而导致最终淀积厚度大于预设值。

（2）n增大：由于反应过程不完全或反应条件出现偏差、干扰等各种可能因素，导致所制备SiO2、Si3N4膜中混有杂质，这样的话，介质层所对应的折射率就有可能大于理论值，影响了光学膜的光学厚度。

（3）工作条件相关参数的影响PECVD设备制造滤光片时相关工作参数的偏移，如气体流量、气压、温度、高低频功率及时间等均会对薄膜的沉积速率以及折射率等特性产生一定的影响，从而导致薄膜的光学厚度dn增大。

经查阅资料，得到关于窄带滤光片制作过程工作参数、工作条件对生成膜特性的影响的实验数据报告。

如图为一定条件下，用控制变量法研究温度、射频功率、反应气压以及气体流量比等工艺参数对SiO2薄膜光学性能的影响。

nnn n由图可知，上述自变量的改变均会对薄膜沉积速率、折射率产生一定影响。

其中，沉积速率的变化直接影响薄膜的厚度。

故可知，实际工作中，诸如上述的条件参数若相对于理论设置值有所偏差，则会影响最终制成的薄膜的光学厚度dn ，这可能是本次实验所制备薄膜dn 增大的原因。

2、实际峰值透过率远比理值低答：中心透过率的定义是中心波长透过的最大光强度与入射光强度的比值，即0I I T TMM =。