CN1368650A - 改善了光学性能和电性能的功能薄膜 - Google Patents

改善了光学性能和电性能的功能薄膜 Download PDF

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Abstract

提供的是一种包含一个过渡层的功能薄膜,该过渡层包含有随该薄膜厚度渐变的含量梯度的第一成分和第二成分,第一成分是从SiOx(x>1)、MgF2、CaF2、Al2O3、SnO2、In2O3和ITO组成的一组中选择的至少一种介电材料,而第二成分是从铁(Fe)、钴(Co)、钛(Ti)、钒(V)、铝(Al)、银(Ag)、硅(Si)、锗(Ge)、钇(Y)、锌(Zn)、锆(Zr)、钨(W)和钽(Ta)组成的一组中选择的至少一种材料。

Description

改善了光学性能和电性能的功能薄膜
                         发明背景
1.发明领域
本发明涉及一种功能薄膜，更具体地说，涉及一种有可调光学性能和电性能的功能薄膜。
2.相关技术说明
一种既能使外部光线的反射度减少到最低限度又有电导性的功能薄膜有多种多样的用途，包括遮阳镜、外部光线屏蔽玻璃、紫外线防护和隔绝材料或电磁屏蔽材料。
作为功能薄膜的一个例子，也可以列举在彩色显示器件例如彩色阴极射线管的无机发光材料(phosphor)层之间形成的、用于吸收外部光线和从毗邻无机发光材料层图案散射出来的光线的一种黑色基材。如果一个显示器件的屏幕的外部光线反射度提高，则可见影像就变得模糊。由于外部光线主要是在该屏幕的黑色基材上反射的，因而，通过提高该显示器件各象素周围的黑色基材的吸收度来改善亮度和反差的尝试一直在不断进行。因此，用铬制作了一种有由铬层和氧化铬层组成的层压薄膜结构的黑色基材。为了进一步提高该黑色基材的吸收性，可以向该氧化铬层中添加碳。
美国专利No.5,976,639公开了一种利用由过渡层和金属层组成的层压薄膜在显示板的内表面上形成液晶显示器黑色基材的方法。按照此专利，该层压薄膜有一个过渡层，其中，一种构成元素例如Cr、W、Ta、Ti、Fe、Ni或Mo的含量在外部光线的入射方向上每100最多增加约0.5％～约20％。该过渡层可以进一步包括一种构成元素例如氧、氮或碳。该金属元素理想地是铬。该过渡层配置在一个低金属层与一个高金属层之间。高金属层的金属元素含量在50％～100％(重量)的范围内，而低金属层的金属元素含量在10％～50％(重量)的范围内。从黑色基材的功能的观点来看，该低金属层不是基本构成。
该黑色基材是用一种反应性溅射方法制造的，其中，把一个金属(铬)靶置于一个真空室内的一个磁控阴极上，向该室内导入第一种气体用于磁控管放电，并向该室内导入第二种气体，即能与溅射金属元素反应的反应性气体(氧气或氮气)。溅射是在这样一种氛围中执行的，其中，该反应性气体的分压在一种透明基材的移动方向上逐渐降低。
然而，在美国专利No.5,976,639中描述的黑色基材及其制备方法中，使用了对环境有害的材料例如铬，而且沉积应当在反应性氛围中执行。此外，在该层压薄膜的过渡层和金属层的形成期间，每一层的组成和厚度都必须严格控制，即制造工艺是复杂的。
                         发明概要
为了解决上述问题，本发明的一个目的是通过使用除铬外的无毒金属与一种介电材料的混合物提供一种有优异机械性能、光学性能和电性能的功能薄膜。
为了达到上述目的，提供的是一种包含一个过渡层的功能薄膜，该过渡层包含有随薄膜厚度渐变的含量梯度的第一成分和第二成分，该第一成分是从SiOx(x＞1)、MgF2、CaF2、Al2O3、SnO2、In2O3和ITO组成的一组中选择的至少一种介电材料，而第二成分是从铁(Fe)、钴(Co)、钛(Ti)、钒(V)、铝(Al)、银(Ag)、硅(Si)、锗(Ge)、钇(Y)、锌(Zn)、锆(Zr)、钨(W)和钽(Ta)组成的一组中选择的至少一种材料。
较好的是，该渐变含量梯度是这样分布的，以致折射率在外部光线的入射方向上随薄膜的厚度逐渐增大或减少。
此外，该渐变含量梯度较好是这样分布的，以致光吸收效率在外部光线的入射方向上随薄膜的厚度逐渐增大。
该渐变含量梯度较好是这样分布的，以致该电导率是通过使第二成分的含量随薄膜厚度改变而逐渐提高或降低的。
较好的是，该渐变含量梯度是这样分布的，以致在外部光线的入射方向上，第一成分的含量随薄膜厚度逐渐减少，而第二成分的含量随薄膜厚度逐渐增大。
按照本发明，该薄膜较好沉积在一种基材上，该基材的折射率与该薄膜接触该基材的一面的折射率之差小于或等于0.5。
按照本发明的另一种实施方案，该功能薄膜可以进一步包含一个从SiOx(x＞1)、MgF2、CaF2、Al2O3、SnO2、In2O3和ITO组成的一组中选择的至少一种介电材料形成的介电层。其形成位置没有特别限制，但较好沉积在该基材与该过渡层之间，从而能接触该基材。在此，该介电层与该基材的折射率之差较好小于或等于0.5。
替而代之，按照本发明的功能薄膜可以进一步包含一个导电层，该层包含从铁(Fe)、钴(Co)、钛(Ti)、钒(V)、铝(Al)、银(Ag)、硅(Si)、锗(Ge)、钇(Y)、锌(Zn)、锆(Zr)、钨(W)和钽(Ta)组成的一组中选择的至少一种金属元素。该导电层的形成位置没有特别限制，但从改善该薄膜的阻抗特性的观点来看，在该功能薄膜用于需要电导率特性的领域以及第二成分是硅且Si含量随薄膜厚度增大的情况下，该导电层较好在该薄膜接触该基材的那一面的反面上形成。
按照本发明的又另一个实施方案，如果该功能薄膜进一步包括一个介电层，则可以进一步提供一个包含从铁(Fe)、钴(Co)、钛(Ti)、钒(V)、铝(Al)、银(Ag)、硅(Si)、锗(Ge)、钇(Y)、锌(Zn)、锆(Zr)、钨(W)和钽(Ta)组成的一组中选择的至少一种金属元素的导电层，该导电层是在该过渡层接触该介电层的那一面的反面上形成的。
                      附图简要说明
通过参照附图详细地描述其较好实施方案，本发明的上述目的和优点将变得更加显而易见，其中：
图1是一幅示意图，说明按照本发明的一种功能薄膜的结构；
图2是按照本发明的一种功能薄膜的原理说明图；
图3是按照本发明一种实施方案的一种功能薄膜的第一成分(SiO2)和第二成分(Al)的分布变化说明图；和
图4是按照本发明另一种实施方案的一种功能薄膜的第一成分(SiO2)和第二成分(Co)的分布变化说明图。
                      发明详细说明
本发明提供一种包含一个过渡层的功能薄膜，其中，第一成分和第二成分有随该薄膜厚度渐变的含量梯度。第一成分是从SiOx(x＞1)、MgF2、CaF2、Al2O3、SnO2、In2O3和ITO组成的一组中选择的至少一种介电材料，而第二成分是从铁(Fe)、钴(Co)、钛(Ti)、钒(V)、铝(Al)、银(Ag)、硅(Si)、锗(Ge)、钇(Y)、锌(Zn)、锆(Zr)、钨(W)和钽(Ta)组成的一组中选择的至少一种材料。第一成分和第二成分的相对含量是通过调节第一成分和第二成分在一种基材上沉积的速度而随该薄膜的厚度逐渐变化的，从而提供就折射率、消光系数和电导率而言有梯度的薄膜。
如图1中所示，涂布在基材10上的薄膜20的反射度是一般用式(1)代表的反射系数(r)的绝对值平方： r = N s - N f N s + N f = ( n s - n f ) + i ( k s - k f ) ( n s - n f ) + i ( k s + k f ) - - - ( 1 ) 式中Ns和Nf分别表示基材和薄膜的复合折射率，ns和nf分别表示基材和薄膜的折射率，而ks和kf分别表示基材和薄膜的消光系数。
为了降低该薄膜的反射度，更好的是该基材与该薄膜之间的折射率差异较小。换言之，若该基材与该薄膜的折射率变得相等，则反射就不会发生。
通过逐渐改变(增加或减少)该薄膜厚度增大方向上的折射率，就能得到一种其中只有吸收发生而无反射发生的薄膜。
根据上述原理，本发明的发明者设计了图2中所示的一种功能薄膜。第一种材料，即一种其折射率非常类似于一种基材的折射率的介电材料，涂布在一个与该基材邻接的部分上。在此，假设该基材的折射率和消光系数是以上说明的ns和ks，而第一种材料的折射率和消光系数是n1和k1。由于该基材与第一种材料之间的折射率差异微不足道，因而，根据式(1)所代表的原理，光线的反射几乎可以避免。
然后，在第一种材料上沉积一种实质上具有与第一种材料相同折射率的第二种材料(折射率：n2；消光系数：k2)，因而，根据与如上所述相同的原理，降低了光线的反射率。根据与如上所述相同的原理，可以连续地沉积一种折射率为n3且消光系数为k3的第三种材料、一种折射率为n4且消光系数为k4的第四种材料、一种折射率为n5且消光系数为k5的第五种材料等等。
可以创造折射率梯度，使得该折射率逐渐增大或减少。为了降低外部光线的反射度和提高光线吸收效率，沉积较好以消光系数能在外部光线的入射方向上增大这样一种方式执行。通过让该消光系数随薄膜的厚度逐渐增大，就能使通过该薄膜的光线数量逐渐减少，直至当厚度达到预定水平时没有光线透射。
此外，通过使第二成分的含量随其厚度改变，也能使该薄膜的电导率逐渐改变，从而使该薄膜的利用效率最大化。换言之，如果金属元素的含量在从接触该基材的一面到反面的方向上随该薄膜的厚度增大而使电导率逐渐增大，则使外部光线的反射度最小化，从而实现一种有高电导率的光学结构。这样一种结构当应用到显示器件的电磁屏蔽材料或黑色基材时能有效地防止电荷积累。
较好使用透明的SiOx(x＞1)、MgF2、CaF2、Al2O3、SnO2、In2O3和ITO作为按照本发明的功能薄膜中的介电材料，因为就包括折射率在内的各种性能而言它们类似于一般玻璃基材。
此外，较好也使用Fe、Co、Ti、V、Al、Ag、Si、Ge、Y、Zn、Zr、W和Ta作为第二成分，因为其光吸收效率k值高。尤其Al和Ag是更好的，因为其电导率高。
按照本发明，该薄膜是沉积在一种基材上的，该基材的折射率与该薄膜接触该基材的一面的折射率之差小于或等于0.5。如果大于0.5，则与该基材尤其玻璃基材相比，该薄膜的反射度就会不理想地增大。
按照本发明的另一个方面，该功能薄膜可以进一步包括一个由第一成分即一种介电材料形成的介电层。在此，该介电层较好介于该基材与该过渡层之间，从而使它能接触该基材。
按照本发明，该介电层与该基材之间的折射率之差较好小于或等于0.5。如果大于0.5，则与该基材尤其玻璃基材相比，该薄膜的反射率就会不理想地增大。
按照本发明的又另一个方面，该功能薄膜可以进一步包括一个由从Fe、Co、Ti、V、Al、Ag、Ge、Y、Zn、Zr、W和Ta组成的一组中选择的至少一种金属成分组成的导电层。该导电层的形成位置没有特别限定，但从改善该薄膜的阻抗特性来看，在该功能薄膜用于需要电导率特征的领域以及第二成分是硅且Si含量随该薄膜厚度增加的情况下，该导电层较好在该薄膜接触该基材的那一面的反面上形成。
如果按照本发明的功能薄膜包括一个介电层，则鉴于该薄膜的低阻抗特征，该导电层较好在该过渡层接触该介电层的那一面的反面上形成。
按照本发明的功能薄膜是用一般的薄膜形成方法例如溅射、真空沉积、PVD、CVD等制造的。
在一种较好实施方案中，例如在溅射的情况下，作为一种介电材料的第一成分可以进行RF磁控管溅射，而含有金属元素的第二成分可以进行RF或DC溅射。溅射装置较好包括一个配备抽吸系统的真空室、一个置于该真空室内的磁控管阴极、一个配置在该磁控管阴极上的靶例如第一或第二成分、一个磁控管放电用氩气入口系统。
换言之，先把RF电源加到有一种介电材料的第一成分上，启动该第一成分在一种基材上的沉积，逐渐增大加给含有金属元素的第二成分的DC或RF电源，同时逐渐减少加给第一成分的RF电源，从而在该基材上形成一种有该第一成分和第二成分的相对含量梯度的功能薄膜。
该功能薄膜可以沉积得使第一成分和第二成分的相对组成呈线性变化，但本发明不限于此。替而代之，沉积可以如此执行，以致第一成分和第二成分的相对组成有阶式梯度、换言之，在线性地增大或减少加给各自靶子的RF或DC电源的情况下，如图3中所示，可以创造出线性含量梯度。替而代之，如图4中所示，通过给一个靶子逐渐施用预定的RF或DC电源，可以得到一种有阶式梯度的功能薄膜。
如以上所述，在执行了第一成分和第二成分的溅射从而制造了按照本发明的功能薄膜之后，就可以执行按照该功能薄膜的用途所需要的后续工艺。例如，如果有意制造一种显示器件的黑色基材，则可以通过一种光刻法工艺进一步执行一个该功能薄膜的图案化步骤。
现在，本发明将通过以下实施例详细加以描述，但不限于此。
实施例1
用一台溅射装置，把作为靶子的二氧化硅(SiO2)和银(Ag)置于一个磁控管阴极上，同时把基础压力保持在5×10-6乇或以下。对SiO2进行RF磁控管溅射，而对Ag进行DC磁控管溅射。注入氩气，并将真空度保持在3.0毫乇。然后，给SiO2靶和Ag靶加上电源，从而同时沉积SiO2和Ag。为了提供SiO2和Ag的含量梯度，逐渐减少加给SiO2的电源功率而逐渐增大加给Ag的电源功率。当SiO2-Ag薄膜的厚度达到2000～2500时，断开加给该SiO2的电源，而只让Ag沉积到1000的厚度。
实施例2
按与实施例1中相同的方式制造一种功能薄膜，所不同的是用Al代替Ag作为第二成分。
实施例2制造的功能薄膜，如图3中所示，是如此分布的，以致第一成分和第二成分的含量呈线性变化。
另一方面，将在稍后描述的、实施例6制造的一种功能薄膜显示出如图4中所示的、第一成分和第二成分有阶式梯度的组成变化。
参照图3和图4，在一种碱石灰基材上形成的功能薄膜中，第一成分(SiO2)的含量随着从接触该基材的那一面到反面的厚度即在外部光线的入射方向上逐渐减少，而金属元素(Al或Co)的含量逐渐增大。
在按照本发明有以上所述组成分布的功能薄膜中，介电材料和金属元素是如此缓慢沉积的，以致有成反比的含量梯度，因此，产生了就折射率、光吸收效率和电导率而言渐变的梯度，而不形成一种层压结构。
形成一种一般基材的SiO2的折射率，和在一个接触该基材的区域上存在的一个纯SiO2层的折射率，是完全相同的。因此，外部光线在该基材与该功能薄膜之间的界面上是不反射而是透射的。此外，随着该功能薄膜的金属元素增加，折射率和光吸收效率逐渐增大，因而，外部光线不是被反射而是几乎被完全吸收。此外，随着金属元素含量逐渐增加，该功能薄膜的电导率也随之逐渐增大，因而，最终会产生一个只由金属元素组成的导电层。
实施例3
按与实施例1中相同的方式制造一种功能薄膜，所不同的是用Co作为第二成分。
实施例4
按与实施例1中相同的方式制造一种功能薄膜，所不同的是用MgF2作为第一成分。
实施例5
按与实施例1中相同的方式制造一种功能薄膜，所不同的是用CaF2作为第一成分。
实施例6
按与实施例1中相同的方式制造一种有如图4中所示的阶式梯度的功能薄膜，所不同的是用SiO2作为第一成分而用Co作为第二成分。
实施例1～6中制造的功能薄膜的电性能和光学性能，即表面电阻、反射度、光密度和厚度，进行了评估并将评估结果综合在表1中。
在表1中，反射度和光密度是用一台紫外-可见光谱仪在550nm的波长测定的，而表面电阻Rs是用一种4点探针法测定的。
                                 表1
 介电材料/金属     Rs(mΩ/□)    反射度(550nm，％)   光密度     厚度()
实施例1   SiO2/Ag   227     0.5     4.6     3500
实施例2   SiO2/Al   680     0.3     4.1     3300
实施例3   SiO2/Co   ～1000     0.5     4.36     3500
实施例4   CaF2/Ag   227     0.6     4.3     3300
实施例5   MgF2/Ag   240     0.5     4.0     3200
实施例6   SiO2/Co   630     0.5     4.2     3300
从表1可知，按照实施例1～6的功能薄膜有良好的反射度、表面电阻和光密度，即该功能薄膜显示出表面电阻为约200～约109mΩ/□、反射度为0.6或以下、光密度为4.0或以上。
在按照本发明的功能薄膜中，为了大大降低该薄膜的反射度，可以容易地调节该薄膜的折射率，使之实质上与基材的折射率相同。此外，在逐渐改变该薄膜的折射率的同时，最终能提供具有所希望电性能的薄膜，因而，该薄膜兼备一个光吸收层和一个导电层。因此，按照本发明的功能薄膜可以用于同时需要光学性能和电性能的各种各样用途。
虽然本发明已经参照其较好实施方案具体地显示和描述，但业内人士要理解的是，可以对其中的形式和细节做各种改变而不会背离所附权利要求书所界定的本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.一种包含一个过渡层的功能薄膜，该过渡层包含有随该薄膜厚度渐变的含量梯度的第一成分和第二成分，第一成分是从SiOx(x＞1)、MgF2、CaF2、Al2O3、SnO2、In2O3和ITO组成的一组中选择的至少一种介电材料，而第二成分是从铁(Fe)、钴(Co)、钛(Ti)、钒(V)、铝(Al)、银(Ag)、硅(Si)、锗(Ge)、钇(Y)、锌(Zn)、锆(Zr)、钨(W)和钽(Ta)组成的一组中选择的至少一种材料。
2.按照权利要求1的功能薄膜，其中，渐变的含量梯度是如此分布的，以致折射率在外部光线的入射方向上随该薄膜的厚度逐渐增大或减小。
3.按照权利要求1的功能薄膜，其中，渐变的含量梯度是如此分布的，以致光吸收效率在外部光线的入射方向上随薄膜的厚度逐渐增大。
4.按照权利要求1的功能薄膜，其中，渐变的含量梯度是如此分布的，以致电导率是通过改变第二成分的含量而随薄膜的厚度逐渐增大或减小的。
5.按照权利要求1的功能薄膜，其中，渐变的含量梯度是如此分布的，以致在外部光线的入射方向上，第一成分的含量随薄膜的厚度逐渐减小，而第二成分的含量随薄膜的厚度逐渐增大。
6.按照权利要求1的功能薄膜，其中，该薄膜沉积在一种基材上，该基材的折射率与该薄膜接触该基材的一面的折射率之差小于或等于0.5。
7.按照权利要求1的功能薄膜，进一步包含一个由从SiOx(x＞1)、MgF2、CaF2、Al2O3、SnO2、In2O3和ITO组成的一组中选择的至少一种介电材料形成的介电层。
8.按照权利要求7的功能薄膜，其中，该介电层沉积在该基材与该过渡层之间，从而能接触该基材。
9.按照权利要求8的功能薄膜，其中，该介电层与该基材之间的折射率之差小于或等于0.5。
10.按照权利要求1的功能薄膜，进一步包含一个导电层，该导电层包含从铁(Fe)、钴(Co)、钛(Ti)、钒(V)、铝(Al)、银(Ag)、硅(Si)、锗(Ge)、钇(Y)、锌(Zn)、锆(Zr)、钨(W)和钽(Ta)组成的一组中选择的至少一种金属元素。
11.按照权利要求10的功能薄膜，其中，该导电层是在该过渡层接触该基材的那一面的反面上形成的。
12.按照权利要求8的功能薄膜，进一步包含一个导电层，该导电层包含从铁(Fe)、钴(Co)、钛(Ti)、钒(V)、铝(Al)、银(Ag)、硅(Si)、锗(Ge)、钇(Y)、锌(Zn)、锆(Zr)、钨(W)和钽(Ta)组成的一组中选择的至少一种金属元素，且该导电层是在该过渡层接触该介电层的那一面的反面上形成的。
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