ITO 電加熱玻璃表面減反膜設(shè)計(jì)

秦瑞祥 黃友奇 馬眷榮 歐迎春

（1 海裝駐天津地區(qū)軍事代表局，北京100073；2 中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京100024）

1 引言

ITO 薄膜是一種n 型半導(dǎo)體材料，其在可見光區(qū)具有很高的透過率，對紅外光卻有很強(qiáng)的反射，這一性能使得ITO 薄膜大量應(yīng)用于熱鏡，使寒冷環(huán)境下的視窗或太陽能收集器的視窗將熱量保持在一封閉的空間里而起到熱屏蔽作用。ITO薄膜也具有良好的導(dǎo)電性能， ITO 電加熱玻璃廣泛用于汽車、火車、電車、航天器等交通工具領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)除冰化霜的功能[1]。

值得注意的是，ITO 玻璃在實(shí)現(xiàn)熱阻隔、電加熱性能的同時(shí)，表面可見光透過率會(huì)下降10%。本文立足于ITO 電加熱玻璃表面的減反膜設(shè)計(jì)，在保證電加熱性能要求的前提下通過表面的減反處理實(shí)現(xiàn)ITO 電加熱玻璃在可見光區(qū)光透過率的提升。

2 ITO 薄膜的電學(xué)性能

對In2O3和SnO2的能帶研究表明， 符合化學(xué)計(jì)量比的In2O3和SnO2均為寬禁帶絕緣體。要得到導(dǎo)電且對可見光透明的薄膜， 則必須使其半導(dǎo)化。半導(dǎo)化的途徑一般有兩種： 一為組分缺陷（即化學(xué)計(jì)量比偏移）， 二是摻雜效應(yīng)（即高價(jià)或低價(jià)離子替代）。一般同時(shí)采用上述兩種半導(dǎo)化方法[2]。

薄膜的方塊電阻定義[3]為：

設(shè)滿足電加熱要求的ITO 表面方塊電阻為：5～20Ω/ □，ITO 薄膜的電阻率為：ρ=5×10-4Ω·cm，則ITO 薄膜的膜厚范圍為：

3 減反膜設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

3.1 單層減反射膜[4]

當(dāng)光線從折射率為n0的介質(zhì)射入折射率為n1的介質(zhì)中時(shí)，界面的反射率為：

玻璃折射率為1.52，則表面反射率約為4.2%。

為了減少玻璃表面的反射光，可以在玻璃表面沉淀一層低折射率薄膜。理想單層減反射膜的條件是，膜層的光學(xué)厚度為1/4 波長，其折射率為入射介質(zhì)和基片折射率乘積的平方根。對玻璃而言，理想減反射膜的折射率為1.23，但至今能利用薄膜的最低折射率為1.38（氟化鎂），這雖不理想，但也使透射特性得到了相當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。

3.2 多層減反射膜[4]

對于大多數(shù)應(yīng)用來說，單層減反射膜的減反效果并不理想，剩余反射還顯得太高?？梢圆捎脦追N折射率不同的均勻膜構(gòu)成減反射膜，即多層減反射膜來提高單層膜的性能。

3.2.1 V 形膜

在玻璃基片上先沉積一層高折射率的λ0/4厚的膜層后，基片的折射率好像從ng提高到n22/ng，然后再沉積λ0/4 厚的氟化鎂膜層就能起到更好的增透效果。但對偏離λ0的波長，不能用Y=n22/ng等價(jià)處理，表面反射曲線顯著增加，光譜反射率曲線成V 字形。這種λ0/4-λ0/4 雙層減反射膜稱為V 形膜。

3.2.2 W 形膜

V 形膜只能在較窄的光譜范圍內(nèi)有效地減反射，因此僅適宜于在工作波段較窄的系統(tǒng)中應(yīng)用。厚度為λ0/4-λ0/2 的雙層減反射膜，在中心波長λ0的兩側(cè)可望有兩個(gè)反射率極小值，光譜反射率曲線呈W 字形。這種雙層減反射膜稱為W 形膜。

3.2.3 多層減反射膜

雙層減反射膜的特性比單層膜要優(yōu)越的多，但是在許多應(yīng)用例子中，即使是一個(gè)理想的雙層膜還是會(huì)形成過大的反射率或不適宜的光譜帶寬度，因此要用三層或者更多層的減反射膜。多層減反射膜是由1/4 波長層或半波長層構(gòu)成的，可以看作是λ0/4-λ0/2 W 形膜和λ0/4-λ0/4 V 形膜的改進(jìn)形式。

4 減反射膜系的軟件模擬

本文采用TFCalc 軟件進(jìn)行膜系優(yōu)化和模擬，基片為玻璃，ITO 折射率為2.0，低折射率薄膜為氟化鎂（折射率為1.38），中心波長為550nm，考察波段為400～700nm。

4.1 5λ0/4ITO-λ0/4MgF21/4 波長膜系

圖1 5λ0/4 ITO -λ0/4 MgF2 膜系結(jié)構(gòu)示意圖

首先在玻璃基片上一次性沉積1/4 波長整數(shù)倍厚度的ITO 膜層，滿足電加熱性能要求；然后在ITO 膜層的基礎(chǔ)上沉積一層1/4 波長厚的氟化鎂膜層，實(shí)現(xiàn)ITO 電加熱玻璃表面的減反性能。圖1 顯示了膜系結(jié)構(gòu)。

圖2顯示了5λ0/4 ITO -λ0/4 MgF2膜系ITO 玻璃表面的反射率特性，ITO 總厚度約為344nm，方塊電阻為14.5Ω/□。相同厚度的ITO，未沉積減反射層（A 曲線）的Rave%為11.80%，沉 積 減 反 射 層（B 曲 線）的Rave% 為2.68%。

由此可知，玻璃基片表面在沉積了ITO 電加熱膜后，表面的可見光反射率由4.2%上升至11.8%，透光性能變壞，但在ITO 膜的基礎(chǔ)上再次沉積1/4 波長厚度的氟化鎂后，表面的可見光反射率下降至2.68%，低于基片玻璃的表面反射率，說明了沉積氟化鎂層能實(shí)現(xiàn)ITO 電加熱玻璃表面可見光減反的要求。

圖2 5λ0/4 ITO -λ0/4 MgF2 膜系減反膜的反射率曲線

4.2 AIR ｜MgF2 ｜ITO ｜MgF2 ｜ITO ｜MgF2｜ITO ｜G 非1/4 波長膜系

在基片玻璃上依次沉積ITO ｜MgF2膜層組合以實(shí)現(xiàn)減反性能的要求，間隔的ITO 膜層通過電阻并聯(lián)措施實(shí)現(xiàn)低電阻值，滿足電加熱性能要求[5]。圖3 顯示了該膜系結(jié)構(gòu)。

膜層的參數(shù)如表1 所示。

圖4 顯 示 了AIR ｜MgF2｜ITO ｜MgF2｜ITO ｜MgF2｜ITO ｜G 膜 系 的ITO 玻 璃 表 面 的反射率特性，ITO 薄膜總厚度約為400nm，表面方塊電阻為12.5Ω/□。相同厚度ITO，未沉積減反射層的Rave%為13.85%，沉積減反射層的Rave%為0.78%。

圖3 AIR ｜MgF2 ｜ITO ｜MgF2 ｜ITO ｜MgF2 ｜ITO ｜G 膜系結(jié)構(gòu)示意圖

表1 AIR ｜MgF2 ｜ITO ｜MgF2 ｜ITO ｜MgF2｜ITO ｜G 結(jié)構(gòu)減反膜膜層參數(shù)

圖4 AIR ｜MgF2 ｜ITO ｜MgF2 ｜ITO ｜MgF2 ｜ITO ｜G結(jié)構(gòu)減反膜反射率曲線

由此可知，經(jīng)過初步優(yōu)化處理的非1/4 波長膜系比前文的1/4 波長膜系具有更優(yōu)良的減反性能，可以解釋為ITO ｜MgF2膜層的疊加在整個(gè)考察波段上出現(xiàn)了多個(gè)最佳減反搭配區(qū)域，從整體上拉低了表面反射率。

4.3 AIR ｜MgF2 ｜ITO ｜MgF2 ｜ITO ｜MgF2｜ITO ｜MgF2 ｜ITO ｜G 優(yōu)化膜系

陳瑞改等[5]通過多次優(yōu)化處理，得到了性能更佳的膜系，其膜層參數(shù)如表2 所示。

表2 AIR ｜MgF2 ｜ITO ｜MgF2 ｜ITO ｜MgF2 ｜ITO ｜MgF2 ｜ITO ｜G 優(yōu)化膜膜層參數(shù)

圖5 AIR ｜MgF2 ｜ITO ｜MgF2 ｜ITO ｜MgF2 ｜ITO ｜MgF2 ｜ITO ｜G 優(yōu)化膜反射率曲線

圖5顯示了優(yōu)化后的ITO減反膜反射率特性。ITO 薄膜總厚度約為326nm，表面的Rave% 為0.15%，較之前的膜系減反性能更佳。從表2 的膜層參數(shù)來看，優(yōu)化對于膜系中的ITO 和氟化鎂膜層厚度改動(dòng)很大，主要是為了獲得整個(gè)減反膜系的最佳搭配組合。從優(yōu)化的結(jié)果來看，通過膜層厚度的優(yōu)化可以在增加ITO ｜MgF2膜層組合的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更低的表面反射率。

5 結(jié)論

通過TFCalc 軟件對ITO 電加熱玻璃表面減反膜的設(shè)計(jì)和模擬，可以得出如下結(jié)論：

1）在玻璃表面沉積ITO 電加熱膜可以實(shí)現(xiàn)電加熱性能，但同時(shí)損失了ITO 電加熱玻璃表面的可見光透過率；

2）在ITO 電加熱玻璃的表面沉積一層1/4 波長的氟化鎂減反射膜可以降低玻璃表面的反射率，提高可見光透過率8%左右；

3）非1/4 波長的ITO ｜MgF2組合疊加膜系較1/4 波長的單層ITO ｜MgF2組合減反效果更好，可以提高可見光透過率>10%， 本文軟件模擬顯示>13%；

4）可以通過改變膜層厚度，多次優(yōu)化來進(jìn)一步降低非1/4 波長ITO ｜MgF2組合疊加膜系的表面反射率。

[1]Jiang Xishun(江錫順). Microstructure， Chemical Composition and Photoelectrical Properties of ITO Transparent Conductive Films(ITO 透明導(dǎo)電薄膜的組分/微結(jié)構(gòu)及其光電特性研究)[D]. Anhui(安徽)： Anhui University(安徽大學(xué))， 2006：21

[2]Zhang Shugao( 張 樹 高)， Huang Boyun( 黃 伯云)， Fang Xunhua(方勛華). Semiconducting Mechanism，Applications and Fabrication of ITO(ITO薄膜的半導(dǎo)化機(jī)理、用途和制備方法)[J]. Materials Review(材料導(dǎo)報(bào))，1997，11(4)： 11-12

[3]Jiang Xin(姜辛)，Sun Chao(孫超)， et al.Transparent Conductive Oxide Films(透明導(dǎo)電氧化物薄膜)[M]. Beijing(北京)： Higher Education Press(高等教育出版社)， 2008：141

[4]Tang Jinfa(唐晉發(fā))， Gu Peifu(顧培夫)， et al.Modern Optical Thin Film Technology(現(xiàn)代光學(xué)薄膜技術(shù))[M]. Zhejiang(浙江)： Zhejiang University Press(浙江大學(xué)出版社)， 2006： 61-70

[5]Chen Ruigai(陳瑞改)， Wu Yuliang(吳育良)， et al.A New Method for High EMC Reliability Optical Windows Design Consisting of Multi ITO Films(一種具有多層ITO結(jié)構(gòu)的高效屏蔽光學(xué)視窗)[J]. Advanced Display(現(xiàn)代顯示)，2009，(102)： 31-32