TFC软件在减反射膜设计和优化的实例分析

TFC软件在减反射膜设计和优化的实例分析

崔恒 李明阳 刘建庆

摘要：本文介绍了TFC软件的使用方法，展示了设计AR膜的实例，使用软件拟合出不同条件下电子束蒸发镀膜TiO2的折射率，建立一个低反射率AR膜的模型，经过空气退火后AR膜的透过率最高，膜系使用在砷化镓太阳能电池片上，得到优于常规膜系的性能。

关键词：减反射膜设计 TFC软件 TiO2折射率拟合

1 引言

AR膜又称减反射膜，广泛使用在光电器件、汽车或建筑玻璃、摄像镜头等领域。为了得到效果良好的减反射膜，需要使用光学薄膜软件进行膜系设计，在根据实际镀膜效果进行优化。TFC是一款常用的光学薄膜设计软件，具有单层薄膜折射率和消光系数的拟合，多层膜系模型的构建和拟合等功能。

为了更有效的吸收太阳光谱，三结砷化镓太阳能电池上到下依次为GaInP、GaAs、Ge，在电池的顶部覆盖有金属柵线和TiO2/Al2O3减反射膜，可以减少太阳光的反射。目前常见的是双层TiO2/Al2O3减反射膜，TiO2薄膜的微观结构和化学成分对沉积条件极为敏感，工艺参数如通氧量、沉积速率、基片温度对薄膜的生长形态、晶体结构、致密度、化学成分有比较大的影响，而这些参数决定着TiO2薄膜的折射率、消光系数[1]。

本文采用电子束蒸发镀膜，制备出不同通氧量、沉积速率、基片温度下TiO2薄膜，利用TFC软件拟合了不同工艺条件下TiO2薄膜的折射率，并根据高低两种折射率的TiO2设计四层TiO2/Al2O3/TiO2/SiO2体系，提高了太阳光吸收率。

2 实验

本文采用电子束蒸发镀膜，TiO2薄膜是通过蒸镀Ti3O5膜料得到，蒸镀TiO2薄膜时设计不同的通氧量、沉积速率和基片温度，条件如下：A组蒸镀速率为5A/s，不通氧，温度为常温和150℃；B组150℃，不通氧，蒸镀速率为2、5、6、8 A/s；C组150℃，蒸镀速率为5A/s；常温和150℃；通氧量为0、2、10sccm所设计四层减反射膜的结构，从上到下依次为：SIO2、低折射率TiO2、Al2O3、高折射率TiO2。

TFC软件的使用介绍如下：在TFCalc的主界面Modify(修改）目录下的Substrates（衬底）窗口里导入材料。在TFCalc的主界面Modify(修改）目录下的Materials进行单层膜模拟。选择Options中添加材料。选择导入方式为Dispersion formula(色散公式)。Cauchy等式只适用在可见光范围，在红外线区不准。Sellmeier等式由柯西等式推展所得，在紫外线区、可见光区、红外线区都准确。

输入拟合参数，选择Fig data（拟合数据），选择测量模式，T为透射。输入最初薄膜层厚度，点击Set constraints(设定优化范围）选择厚度和拟合参数一起优化，因为薄膜厚度随着折射率而变化，选择Compute，开始计算。Deviation(总体偏差）是一个重要的拟合结果的评判标准，小于0.5比较可信。

在TFCalc的主界面File(文件）目录下的NEW coating新建膜系。填入入射介质、衬底等环境参数。在TFCalc的主界面Modify(修改）目录下的Layer-front窗口里输入薄膜材料、厚度。在TFCalc的主界面Run(运行）目录下的Analyze only(只分析）和Optimize Design(优化设计）里计算或优化，在TFCalc的主界面Results(结果）查看运算或拟合的结果。

3 结果与讨论

A组150℃的折射率整体高于常温。这是由于基板温度高，薄膜致密度好，折射率较高。B组折射率随着蒸镀速率的增加，在5A/s达到最大蒸镀速率，随后下降。这是由于，随着蒸镀速率的增加，气体分子能量变高，薄膜致密度变好，当速率大于5A/s，腔室内气体增加，分子间碰撞变多，平均自由程下降，沉积能量变低，薄膜致密度变差。C组折射率随着氧气流量的增加而下降。这是由于，腔室内气体增加，分子间碰撞变多，平均自由程下降，沉积能量变低，薄膜的致密度变差[3]。

根据ABC三组实验结果可知，温度升高、速率中等、氧气流量低，TiO2薄膜的折射率较高，反之，折射率较低，实际镀膜时，两层薄膜需要使用相同的镀膜温度，因此得到高、低折射率TiO2薄膜的工艺条件和折射率如下：高折射率TiO2，150℃，5A/s，不通氧，低折射率TiO2，150℃，0.5A/s，氧气30sccm。

图1 高、低折射率TiO2薄膜的折射率

实验发现，未经过退火的高折射率TiO2薄膜透过率较低，退火后透过率提高，空气退火的透过率高于N2退火，这是由于薄膜的吸收率较大，经过退火后，吸收率下降，透过率提高[3]。因此将设计的减反射膜在空气下退火。

将高低折射率TiO2、Al2O3和SiO2薄膜的折射率和消光系数代入四层减反射膜的组合，设置拟合目标，得到如下膜系，高折射率TiO2层的厚度为47nm，Al2O3层的厚度为3nm，低折射率TiO2层的厚度为9nm，TiO2层的厚度为80nm。

将设计的四层减反射膜镀制在三结太阳电池上，得到的电性能如下，空气退火四层减反射膜优于N2退火四层减反射膜，也优于常规三结太阳电池。

表1 Air、N2退火四层减反射膜和常规减反射膜电池电性

4 结论

TFC软件模拟TiO2薄膜，折射率随温度升高而升高，随蒸镀速率的增加先增加再降低，随氧气流量的增加而下降，高折射率TiO2工艺条件为150℃，5A/s，不通氧，低折射率TiO2工艺条件为150℃，0.5A/s，30 sccm O2。高折射率TiO2的吸收率较高，使用空气退火薄膜的透过率最高，镀制在三结太阳电池上电池性能最优。

参考文献

[1] 胡小锋.离子辅助蒸发TiO制备光学薄膜的研究[D].武汉理工大学[2023-10-31].DOI:10.7666/d.y860367.

[2] 郝殿中,王庆,宋连科.氧分压对电子束蒸发TiO2薄膜残余应力的影响[J].光电子．激光, 2009(5):3.DOI:CNKI:SUN:GDZJ.0.2009-05-019.

[3] 赖发春,瞿燕,詹仁辉,等.退火对TiO2和Ta2O5光学薄膜的结构和光学性质的影响[J].福建师范大学学报：自然科学版, 2006, 22(1):4.DOI:10.3969/j.issn.1000-5277.2006.01.013.