金屬－介質(zhì)薄膜型寬角度反射濾光片

邵仁錦，葉 燕，申 溯，陳林森

(蘇州大學信息光學工程研究所，江蘇蘇州215006)

1 引言

彩色濾光片是彩色顯示的關(guān)鍵組件，在平板顯示、投影成像、裝飾照明、綠色印刷等領(lǐng)域有廣泛應用［1－4］。多數(shù)反射型彩色濾光片基于RGB增色原理［5－7］，可見光波段三分之一光能被反射利用，其余波段光能量被吸收，光能利用率較低。而基于亞波長光柵、光子晶體等結(jié)構(gòu)的彩色濾光片［8－12］制備工藝涉及光刻、刻蝕、納米壓印等復雜工藝，且濾光性能受入射角影響明顯，限制了其工業(yè)化的應用。

為了尋求具有寬角度特性、效率高且制備容易等特點的彩色濾光器件，本文提出了一種金屬－介質(zhì)薄膜型反射式彩色濾光片。考慮金屬的色散特性，通過改變介質(zhì)薄膜厚度誘使薄膜系統(tǒng)在中心波長處的反射率最低;通過控制金屬銀薄膜厚度獲得適中的反射光譜帶寬。采用薄膜制備技術(shù)實驗制備了青、品紅、黃三色寬角度反射型彩色濾光片，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合光刻和Lift-off剝離工藝制備了背景色彩色圖案。

2 結(jié)構(gòu)設計

本文設計的金屬－介質(zhì)薄膜型寬角度反射濾光片由玻璃基底、鋁薄膜、氮化硅介質(zhì)薄膜和銀薄膜組成，如圖1所示。根據(jù)薄膜干涉理論［13］，薄膜反射率公式為:

式中，n0，n2表示薄膜覆蓋層和基底層折射率;δ1=2πn1h1cosθ1/λ 是薄膜的位相厚度;λ 是入射光波長，θ1是入射角。由此可知，薄膜的反射率與其位相厚度有很大關(guān)系，覆蓋層和基底層折射率也有調(diào)制作用。設該薄膜系統(tǒng)用Air/Ma/D/Mb/Sub表示，且Ma、D和Mb的厚度分別為t3、t2和t1，D的折射率為n2，銀和鋁的色散特性都是依照Lorentz-Drude模型［14］確立。自然光從空氣側(cè)入射，透過Ma、D薄膜后，在Mb薄膜層表面被反射，最后從Ma/Air界面出射，形成特定顏色的反射光。金屬薄膜Mb作為高反射金屬，要求其在可見光波段具有寬帶反射性能，本文選擇鋁作為Mb薄膜層。介質(zhì)薄膜D在金屬薄膜Mb和Ma之間，作為匹配層，使得膜系在中心波長的反射率最低。Ma薄膜層是金屬銀，取其厚度小于趨膚深度［15］，使得入射光能夠透過銀薄膜，在介質(zhì)腔中來回反射最終在出射面發(fā)生干涉效應。

圖1 金屬－介質(zhì)薄膜結(jié)構(gòu)反射濾光片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of the reflection-type color filter based on metal-dielectric thin films

對薄膜參數(shù)進行優(yōu)化設計，選擇合適的鋁和銀薄膜厚度，并通過改變氮化硅薄膜厚度，獲得了青、品紅、黃三色反射光譜輸出。薄膜參數(shù)如表1所示。其中，氮化硅折射率為n2=2。青、品紅、黃彩色濾光片理論計算的反射光譜如圖2所示，中心波長分別為655 nm、555 nm和455 nm，反射譜帶寬分別為60 nm，60 nm和70 nm，中心波長反射率大小分別為0.14% ，1.65% ，9.25% 。

表1 青、品紅、黃彩色濾光片膜系結(jié)構(gòu)Tab.1 Film stack of Cyan-Magenta-Yellow color filters

圖2 青、品紅、黃彩色濾光片反射光譜計算結(jié)果Fig.2 Calculated reflective spectrum of Cyan-Magenta-Yellow color filters

3 實驗制備及光譜測試

采用FHR濺射設備MS 150×6－L在2英寸的玻璃基底上真空鍍制100 nm厚的金屬鋁薄膜，濺射功率為0.5 kW，濺射速率為1.3 nm/s。接著采用牛津ICP－CVD Plasma Lab 100設備在鋁薄膜上沉積預設厚度的SiNx薄膜，ICP功率為2400 W，RF功率為150W，氣體流量為N2=40 sccm，SiH4=40 sccm，基板溫度75℃，沉積速率為40 nm/min。最后采用LAB 18濺射設備在介質(zhì)薄膜上鍍制25 nm厚的金屬銀薄膜，濺射功率為200 W，濺射速率為0.62 nm/s。實驗樣品及膜系斷面SEM測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 金屬－介質(zhì)薄膜型反射濾光片實驗樣品及SEM測試圖Fig.3 The sample of the reflective-type color filter and the SEM image

采用Lambda 750分光光度計測試了青、品紅、黃彩色濾光片的反射光譜，光譜范圍400～700 nm，掃描精度1 nm。入射光以8°入射時，青、品紅、黃彩色濾光片的反射光譜測試結(jié)果如圖4所示，中心波長分別為653 nm、547 nm和451 nm，對應反射率分別為3.41%、0.89%和1.1%，反射譜帶寬分別為50 nm、60 nm和55 nm，測試結(jié)果與理論計算結(jié)果基本吻合。圖中，測試光譜與計算光譜在高反射波段的反射率存在一定偏差實驗中，這是由實際薄膜厚度與理論設計有一定的誤差和薄膜光學常數(shù)與理論計算所用材料的光學常數(shù)不完全相同所導致。

圖4 青、品紅、黃彩色濾光片反射光譜測試結(jié)果Fig.4 Measured reflective spectrum of Cyan-Magenta-Yellow color filters

圖5 是青色濾光片在 8°、15°、30°和 40°入射角下的反射光譜測試結(jié)果。入射角從8°增大到40°時，中心波長偏移29 nm，對反射光顏色基本無影響。根據(jù)CIE 1931標準色度系統(tǒng)計算出的不同角度下反射光譜顏色(如圖5中插圖所示)可以明顯看出，彩色濾光片反射光顏色隨角度變化較小，說明了該結(jié)構(gòu)彩色濾光片具有較好的寬角度特性。

圖5 彩色濾光片不同入射角度的反射光譜測試結(jié)果Fig.5 Measured reflective spectrum under different incident angle

由青、品紅、黃彩色濾光片膜系結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，只需改變介質(zhì)薄膜厚度，就能獲得不同顏色的反射光輸出。根據(jù)此特點，可實現(xiàn)同一基片上不同顏色反射光輸出。圖6是利用接觸式掩膜曝光光刻和Lift-off剝離工藝制備的背景色彩色圖案，實現(xiàn)了圖形“China”與背景反射不同顏色的入射光。

圖6 金屬－介質(zhì)薄膜型彩色濾光片實現(xiàn)背景色彩色圖案實物圖Fig.6 Color pictures on colored background by usage of color filter based on metal-dielectric thin films

4 結(jié)論

本文設計并制備了一種金屬－介質(zhì)薄膜型反射式彩色濾光片。該彩色濾光片僅吸收可見光波段三分之一光能，決定了其光能利用率高的特點;反射光譜在±40°入射角范圍內(nèi)變化較小，滿足彩色濾光片寬角度特性要求;與亞波長周期結(jié)構(gòu)彩色濾光片電子束光刻、干法刻蝕、納米壓印等制備工藝相比，簡單的薄膜制備工藝比較容易。另外，僅需改變介質(zhì)薄膜厚度，就能獲得不同顏色的反射光輸出。根據(jù)此特點，本文利用接觸式掩膜曝光光刻和Lift-off剝離工藝制備了背景色彩色圖案，在彩色印刷領(lǐng)域具有潛在的應用價值。

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