CN112163183B - 一种指定折射率的ito制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种指定折射率的ITO制作方法，通过专利提供的光度法折射率计算方法，计算当前镀膜工艺下的ITO折射率，对比相邻介质的折射率，通过调整ITO镀膜工艺使ITO折射率与相邻材料的折射率相等，解决现有技术中由于ITO面电阻不同，即ITO膜厚会不同导致的IM必须随着ITO膜厚不同而变化，从而增加了IM的设计工作量和生产成本的问题，去掉了IM频繁设计和生产调试的成本，使减反增透技术在显示领域更加普及，低反射使显示屏在阳光下的可读性更好。
Description
技术领域
本发明属于光学玻璃生产领域，更具体地，涉及一种指定折射率的ITO制作方法。
背景技术
不同镀膜工艺下ITO薄膜呈现非结晶、微结晶、结晶等多种状态，势必造成ITO折射率多变；在人眼最敏感的波段550nm，ITO折射率从1.6到2.2大幅变化；另外，同种镀膜工艺条件下，ITO折射率随着膜厚增加而变小。对于不同的产品，ITO面电阻规格不同，ITO面电阻大、ITO膜厚薄；ITO面电阻小、ITO膜厚厚，这样ITO的折射率也会不同。
减反增透是触控、显示、通信技术等领域的重要需求。如果ITO折射率随着面电阻变化，对减反增透的设计造成困难，增加了生产成本。
对于显示LCD屏，主要的反射来源于液晶盒内ITO与液晶的反射。液晶盒结构为：玻璃/SiO2（TFT型LCD没有SiO2）/ITO/液晶/ITO/SiO2（TFT型LCD没有SiO2）/玻璃；如果要进行减反增透处理，结构调整为：玻璃/IM/ITO/液晶/ITO/IM/玻璃，其中IM为光学匹配层，起减反增透作用。
对于不同的显示要求，ITO面电阻不同，也就是ITO膜厚会不同。ITO膜厚，IM势必要随着ITO膜厚不同而变化。这样增加了IM的设计工作量和生产成本。
如果ITO的折射率与液晶相同，此时LCD液晶盒的结构变为：玻璃/IM/液晶/IM/玻璃，液晶不变的情况下，IM是唯一的。这样去掉了IM频繁设计和生产调试的成本，使减反增透技术在显示领域更加普及，低反射使显示屏在阳光下的可读性更好。
本发明提供了一种方法，通过ITO折射率计算与ITO镀膜工艺调整，使镀制ITO膜层折射率满足制作要求，以达到增反减透的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种指定折射率的ITO制作方法，解决现有技术中由于ITO面电阻不同，即ITO膜厚会不同导致的IM必须随着ITO膜厚不同而变化，从而增加了IM的设计工作量和生产成本的问题。
为了实现上述的技术特征，本发明采用的技术方案是：一种指定折射率的ITO制作方法，它包括如下步骤：
步骤S1：用台阶仪测量ITO的厚度d；利用分光光度计测试基板的透过率与反射率；
步骤S2：利用基于VBA的基板光学常数计算方法计算基板的折射率ns和消光系数ks；
步骤S3：利用分光光度计测试ITO的透过率T与反射率R；
步骤S4：计算ITO的折射率n，单层膜的计算方法如下：
（1）建立单层膜折射率n的超越方程：
t11=cos(2*π*n*d/λ)；
t12=sin(2*π*n*d/λ)/n；
t21=sin(2*π*n*d/λ)*n；
t22=cos(2*π*n*d/λ)；
R=((t11*n0-t22*ns)^2+(n0*ns*t12-t21)^2)/((t11*n0+t22*ns)^2+(n0*ns*t12+t21)^2)；
式中λ为光波长，π为圆周率，n0为环境折射率，ns由步骤2计算得出，R由步骤3实测得出；
（2）根据上述超越方程，利用光度法折射率计算方法，对波段内不同波长进行逐点计算，求出波段内每个波长对应的折射率n的解；
（3）引入折射率色散模型，利用折射率色散模型处理（2）中产生的多解，得到波段内每个波长的唯一对应折射率n；
步骤S5：将相邻材料根据实际需要涂抹在基板上，制成测试样品；相邻材料包括液晶或光学胶；
步骤S6：利用分光光度计测量测试样品的反射率光谱Ry；
步骤S7：计算相邻材料折射率ny；计算方法如下：
a．通过界面反射定理计算R0s、Rsy和Ry0，计算公式如下：
R0s=(n0-ns)^2/(n0+ns)^2；
T1=1-R0s；
T2=T1*(1-As)；
Rsy=T2*(ny-ns)^2/(ny+ns)^2+ T3*(ny-ns)^2/(ny+ns)^2+……+ Tn*(ny-ns)^2/(ny+ns)^2；
b．建立相邻材料折射率ny的超越方程并求解：
Ry=R0s+Rsy+Ry0；
式中As是基板的吸收率，As=1-Ts-Rs；
c．根据上述超越方程，利用光度法折射率计算方法，对波段内不同波长进行逐点计算，得出波段内每个波长对应的折射率ny的解；
d．利用折射率色散模型处理c中产生的多解，得到波段内每个波长的唯一对应折射率ny；
步骤S8：调整ITO镀膜工艺，在对应波长下，使n=ny；调整方法如下：
方法一：调整ITO镀膜时的Ar：O2比例，使ITO的折射率变化曲线改变，从而使n=ny；
方法二：调整每个ITO阴极功率配比方式，使ITO的折射率变化曲线改变，从而使n=ny；ITO镀膜采用多个阴极，功率配比方式包括从小到大或从大到小中的一种；
步骤S8所述的ITO镀膜工艺的调整方法包括方法一或方法二中的一种或多种。
所述光度法折射率计算方法包括如下步骤：
（1）建立评价函数：
△E=abs（M-M0）；
（2）设定偏差值N；设置变量x，先对x赋初值，将x带入超越方程求解M0；
超越方程包括单层膜折射率n的超越方程或相邻材料折射率ny的超越方程；x为对应相应超越方程的单层膜折射率n或相邻材料折射率ny；M0为对应的n或ny计算出的ITO反射率R0或计算出的测试样品的反射率光谱Ry0；
（3）将R0或Ry0带入评价函数计算△E；M为仪器测量出的ITO反射率R或测试样品的反射率光谱Ry；
（4）当（△E-N）>0时，按x=x*1.005增大x，重新计算△E；当新的△E呈增大趋势时，按比例x=x*（1- △E/1200）缩小x，计算新的△E；；当新的△E呈减小趋势时，继续按x=x*1.005的比例增大x；
（5）重复上述计算，直至（△E-N）<0时，程序结束，输出x。
所述折射率色散模型设置方法如下：
a．建立函数n(λ)=a+c/(λ-b)；
b．带入三个不同波长λ1、λ2、λ3计算得到的n值(λ1) 、n(λ2) 、n(λ3)，解三元方程得到a、b、c的值；得到折射率色散模型。
所述基于VBA的基板光学常数计算方法计算基板的折射率ns和消光系数ks的方法如下：
步骤S1：得到基板透射率和反射率的计算公式：
取一块未镀膜的待测试基板，厚度为d（单位:mm），在光波长λ（单位:nm）时，折射率为ns，消光系数为ks，空气折射率为1，可计算如下值：
吸收系数αs=4*π*ks*d*1000000/λ；
基板与空气的界面透射率Tas=4*ns/(ns+1)^2；
基板与空气的界面反射率Ras==(ns-1)^2/(ns+1)^2；
最终基板的透射率Ts=(Tas^2*EXP(-αs)/(1-Ras^2*EXP(-2*αs)))*100；
最终基板的反射率Rs=(Ras+(Tas^2*Ras*EXP(-2*αs)/(1-Ras^2*EXP(-2*αs))))*100；
步骤S2：使用分光光度计测试基板的实际透射率光谱Ts%和反射率光谱Rs%；
步骤S3：建立方程组：
Ts%=Tas^2*EXP(-αs)/(1-Ras^2*EXP(-2*αs))
Rs%=Ras+(Tas^2*Ras*EXP(-2*αs)/(1-Ras^2*EXP(-2*αs))
如上由两个幂函数和指数函数的混合方程式中，厚度d和光波长λ可以测得；有两个未知数折射率ns和消光系数ks；然后基于VBA搜索程序对该混合方程组进行求解；
步骤S4：建立评价函数：
△T=abs（Ts%*100-Ts）；
△R=abs（Rs%*100-Rs）；
△E=△T+△R；
步骤S5：通过Excel VBA编制程序搜索满足△E≈0的ns和ks；程序主要步骤如下：
a．设定一个预定的偏差值T；将光学常数ns和ks初始化赋值；初始值由现有的光学常数振子模型数据库中取近似值；
b．将ns和ks代入步骤S1计算出Ts和Rs；再将Ts和Rs代入步骤S4的方程组得到△E；计算ks的程序与计算ns的程序相同；
c．当（△E-T）<0时，程序结束，输出此时的ns和ks值；当（△E-T）>0时，则进入指令d；
d．将ns的初始赋值增大至ns*（1+ △E/2400），计算出新的△E，判断△E变化情况，当△E减小，转到指令e，当△E增大，转到指令f；
e．将ns的初始赋值增大至ns*1.005，转到指令b；
f．将ns的初始赋值减小至ns*（1- △E/1200），转到指令b；
g．当（△E-T）<0时，或者循环次数达到设定次数时，结束该程序，得到一个准确的ns值。
本发明的有益效果是：
1，基板、薄膜ITO、相邻材料（如：液晶等）折射率计算全部可采用本专利提供的计算方法进行程序化，计算效率高。
2，提供了多种ITO镀膜工艺调整方案，用于调整ITO的折射率使其与相邻材料的折射率趋于相同，多种方案可以同时采用，加大了ITO折射率调节空间。
3，引入了反比例函数模型作为折射率色散模型，相较于现有的TFCalc、EssentialMacleod、Filmstar、Filmaster、Autofilm等薄膜折射率光度法计算软件的固定折射率色散模型，本专利提供的折射率色散模型可以进行人工设定，便于应对复杂的应用环境。
4，本发明的计算方法适用于紫外、可见光、红外波段等一切光度计能测试的波段，应用范围广。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明；
图1为本发明中实施例中计算波段内每个波长对应的ITO折射率n的示意图；
图2为为本发明实施例中计算波段内每个波长对应的相邻材料折射率ny的示意图；
图3为本发明中利用方法一调整ITO镀膜时的ITO的折射率变化曲线；
图4为本发明中利用方法二调整ITO镀膜时的ITO的折射率变化曲线。
具体实施方式
如图1~图4中, 一种指定折射率的ITO制作方法，它包括如下步骤：
实施例1：
步骤S1：用台阶仪测量ITO的厚度d；利用分光光度计测试基板的透过率与反射率；
步骤S2：利用基于VBA的基板光学常数计算方法计算基板的折射率ns和消光系数ks；
步骤S3：利用分光光度计测试ITO的透过率T与反射率R；
步骤S4：计算ITO的折射率n，单层膜的计算方法如下：
（1）建立单层膜折射率n的超越方程：
t11=cos(2*π*n*d/λ)；
t12=sin(2*π*n*d/λ)/n；
t21=sin(2*π*n*d/λ)*n；
t22=cos(2*π*n*d/λ)；
R=((t11*n0-t22*ns)^2+(n0*ns*t12-t21)^2)/((t11*n0+t22*ns)^2+(n0*ns*t12+t21)^2)；
式中λ为光波长，π为圆周率，n0为环境折射率，ns由步骤2计算得出，R由步骤3实测得出；
（2）根据上述超越方程，利用光度法折射率计算方法，对波段内不同波长进行逐点计算，求出波段内每个波长对应的折射率n的解；
（3）引入折射率色散模型，利用折射率色散模型处理（2）中产生的多解，得到波段内每个波长的唯一对应折射率n；
步骤S5：将相邻材料根据实际需要涂抹在基板上，制成测试样品；相邻材料包括液晶或光学胶；
步骤S6：利用分光光度计测量测试样品的反射率光谱Ry；
步骤S7：计算相邻材料折射率ny；计算方法如下：
b．通过界面反射定理计算R0s、Rsy和Ry0，计算公式如下：
R0s=(n0-ns)^2/(n0+ns)^2；
T1=1-R0s；
T2=T1*(1-As)；
Rsy=T2*(ny-ns)^2/(ny+ns)^2+ T3*(ny-ns)^2/(ny+ns)^2+……+ Tn*(ny-ns)^2/(ny+ns)^2；
b．建立相邻材料折射率ny的超越方程并求解：
Ry=R0s+Rsy+Ry0；
式中As是基板的吸收率，As=1-Ts-Rs；
c．根据上述超越方程，利用光度法折射率计算方法，对波段内不同波长进行逐点计算，得出波段内每个波长对应的折射率ny的解；
d．利用折射率色散模型处理c中产生的多解，得到波段内每个波长的唯一对应折射率ny；
步骤S8：调整ITO镀膜工艺，在对应波长下，使n=ny；调整方法如下：
如图3所示，方法一：调整ITO镀膜时的Ar：O2比例，使ITO的折射率变化曲线改变，从而使n=ny；图中三条曲线由上至下分别为Ar：O2=295:5；Ar：O2=297:3；Ar：O2=299:1；
方法二：调整每个ITO阴极功率配比方式，使ITO的折射率变化曲线改变，从而使n=ny；ITO镀膜采用多个阴极，功率配比方式包括从小到大或从大到小中的一种；图中两条曲线由上至下分别为从小到大的功率配比方式和从大到小的功率配比方式；
步骤S8所述的ITO镀膜工艺的调整方法包括方法一或方法二中的一种或多种。
所述光度法折射率计算方法包括如下步骤：
（1）建立评价函数：
△E=abs（M-M0）；
（2）设定偏差值N；设置变量x，先对x赋初值，将x带入超越方程求解M0；
超越方程包括单层膜折射率n的超越方程或相邻材料折射率ny的超越方程；x为对应相应超越方程的单层膜折射率n或相邻材料折射率ny；M0为对应的n或ny计算出的ITO反射率R0或计算出的测试样品的反射率光谱Ry0；
（3）将R0或Ry0带入评价函数计算△E；M为仪器测量出的ITO反射率R或测试样品的反射率光谱Ry；
（4）当（△E-N）>0时，按x=x*1.005增大x，重新计算△E；当新的△E呈增大趋势时，按比例x=x*（1- △E/1200）缩小x，计算新的△E；；当新的△E呈减小趋势时，继续按x=x*1.005的比例增大x；
（5）重复上述计算，直至（△E-N）<0时，程序结束，输出x。
所述折射率色散模型设置方法如下：
a．建立函数n(λ)=a+c/(λ-b)；
b．带入三个不同波长λ1、λ2、λ3计算得到的n值(λ1) 、n(λ2) 、n(λ3)，解三元方程得到a、b、c的值；得到折射率色散模型。
实施例2：
所述基于VBA的基板光学常数计算方法计算基板的折射率ns和消光系数ks的方法如下：
步骤S1：得到基板透射率和反射率的计算公式：
取一块未镀膜的待测试基板，厚度为d（单位:mm），在光波长λ（单位:nm）时，折射率为ns，消光系数为ks，空气折射率为1，可计算如下值：
吸收系数αs=4*π*ks*d*1000000/λ；
基板与空气的界面透射率Tas=4*ns/(ns+1)^2；
基板与空气的界面反射率Ras==(ns-1)^2/(ns+1)^2；
最终基板的透射率Ts=(Tas^2*EXP(-αs)/(1-Ras^2*EXP(-2*αs)))*100；
最终基板的反射率Rs=(Ras+(Tas^2*Ras*EXP(-2*αs)/(1-Ras^2*EXP(-2*αs))))*100；
步骤S2：使用分光光度计测试基板的实际透射率光谱Ts%和反射率光谱Rs%；
步骤S3：建立方程组：
Ts%=Tas^2*EXP(-αs)/(1-Ras^2*EXP(-2*αs))
Rs%=Ras+(Tas^2*Ras*EXP(-2*αs)/(1-Ras^2*EXP(-2*αs))
如上由两个幂函数和指数函数的混合方程式中，厚度d和光波长λ可以测得；有两个未知数折射率ns和消光系数ks；然后基于VBA搜索程序对该混合方程组进行求解；
步骤S4：建立评价函数：
△T=abs（Ts%*100-Ts）；
△R=abs（Rs%*100-Rs）；
△E=△T+△R；
步骤S5：通过Excel VBA编制程序搜索满足△E≈0的ns和ks；程序主要步骤如下：
a．设定一个预定的偏差值T；将光学常数ns和ks初始化赋值；初始值由现有的光学常数振子模型数据库中取近似值；
b．将ns和ks代入步骤S1计算出Ts和Rs；再将Ts和Rs代入步骤S4的方程组得到△E；计算ks的程序与计算ns的程序相同；
c．当（△E-T）<0时，程序结束，输出此时的ns和ks值；当（△E-T）>0时，则进入指令d；
d．将ns的初始赋值增大至ns*（1+ △E/2400），计算出新的△E，判断△E变化情况，当△E减小，转到指令e，当△E增大，转到指令f；
e．将ns的初始赋值增大至ns*1.005，转到指令b；
f．将ns的初始赋值减小至ns*（1- △E/1200），转到指令b；
g．当（△E-T）<0时，或者循环次数达到设定次数时，结束该程序，得到一个准确的ns值。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种指定折射率的ITO制作方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤S1：用台阶仪测量ITO的厚度d；利用分光光度计测试基板的透过率与反射率；
步骤S2：利用基于VBA的基板光学常数计算方法计算基板的折射率ns和消光系数ks；
步骤S3：利用分光光度计测试ITO的透过率T与反射率R；
步骤S4：计算ITO的折射率n，单层膜的计算方法如下：
（1）建立单层膜折射率n的超越方程：
t11=cos(2*π*n*d/λ)；
t12=sin(2*π*n*d/λ)/n；
t21=sin(2*π*n*d/λ)*n；
t22=cos(2*π*n*d/λ)；
R=((t11*n0-t22*ns)^2+(n0*ns*t12-t21)^2)/((t11*n0+t22*ns)^2+(n0*ns*t12+t21)^2)；
式中λ为光波长，π为圆周率，n0为环境折射率，ns由步骤2计算得出，R由步骤3实测得出；
（2）根据上述超越方程，利用光度法折射率计算方法，对波段内不同波长进行逐点计算，求出波段内每个波长对应的折射率n的解；
（3）引入折射率色散模型，利用折射率色散模型处理（2）中产生的多解，得到波段内每个波长的唯一对应折射率n；
步骤S5：将相邻材料根据实际需要涂抹在基板上，制成测试样品；相邻材料包括液晶或光学胶；
步骤S6：利用分光光度计测量测试样品的反射率光谱Ry；
步骤S7：计算相邻材料折射率ny；计算方法如下：
a．通过界面反射定理计算R0s、Rsy和Ry0，计算公式如下：
R0s=(n0-ns)^2/(n0+ns)^2；
T1=1-R0s；
T2=T1*(1-As)；
Rsy=T2*(ny-ns)^2/(ny+ns)^2+ T3*(ny-ns)^2/(ny+ns)^2+……+ Tn*(ny-ns)^2/(ny+ns)^2；
b．建立相邻材料折射率ny的超越方程并求解：
Ry=R0s+Rsy+Ry0；
式中As是基板的吸收率，As=1-Ts-Rs；Ts是基板的透射率，Rs是基板的反射率；
c．根据上述超越方程，利用光度法折射率计算方法，对波段内不同波长进行逐点计算，得出波段内每个波长对应的折射率ny的解；
d．利用折射率色散模型处理c中产生的多解，得到波段内每个波长的唯一对应折射率ny；
步骤S8：调整ITO镀膜工艺，在对应波长下，使n=ny；调整方法如下：
方法一：调整ITO镀膜时的Ar：O2比例，使ITO的折射率变化曲线改变，从而使n=ny；
方法二：调整每个ITO阴极功率配比方式，使ITO的折射率变化曲线改变，从而使n=ny；ITO镀膜采用多个阴极，功率配比方式包括从小到大或从大到小中的一种；
步骤S8所述的ITO镀膜工艺的调整方法包括方法一或方法二中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的一种指定折射率的ITO制作方法，其特征在于：光度法折射率计算方法包括如下步骤：
（1）建立评价函数：
△E=abs（M-M0）；
（2）设定偏差值N；设置变量x，先对x赋初值，将x带入超越方程求解M0；
超越方程包括单层膜折射率n的超越方程或相邻材料折射率ny的超越方程；x为对应相应超越方程的单层膜折射率n或相邻材料折射率ny；M0为对应的n或ny计算出的ITO反射率R0或计算出的测试样品的反射率光谱Ry0；
（3）将R0或Ry0带入评价函数计算△E；M为仪器测量出的ITO反射率R或测试样品的反射率光谱Ry；
（4）当（△E-N）>0时，按x=x*1.005增大x，重新计算△E；当新的△E呈增大趋势时，按比例x=x*（1- △E/1200）缩小x，计算新的△E；当新的△E呈减小趋势时，继续按x=x*1.005的比例增大x；
（5）重复上述计算，直至（△E-N）<0时，程序结束，输出x。
3.根据权利要求1所述的一种指定折射率的ITO制作方法，其特征在于：所述折射率色散模型设置方法如下：
a．建立函数n(λ)=a+c/(λ-b)；
b．带入三个不同波长λ1、λ2、λ3计算得到的n值(λ1) 、n(λ2) 、n(λ3)，解三元方程得到a、b、c的值；得到折射率色散模型。
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