光學(xué)薄膜監(jiān)控技術(shù)

光學(xué)薄膜監(jiān)控技術(shù)第一頁，共五十一頁，2022年，8月28日

薄膜厚度是薄膜最重要的參數(shù)之一，它影響著薄膜的各種性質(zhì)及其應(yīng)用。

薄膜淀積速率是制膜工藝中的一個(gè)重要參數(shù)，它直接影響薄膜的結(jié)構(gòu)的特性。重點(diǎn)：薄膜厚度的測量和監(jiān)控。第二頁，共五十一頁，2022年，8月28日監(jiān)控基本概述質(zhì)量厚度定義為單位面積上的膜質(zhì)量光學(xué)薄膜的沉積監(jiān)控技術(shù)是光學(xué)薄膜制備的關(guān)鍵技術(shù)之一對薄膜的監(jiān)控主要是對膜層厚度的監(jiān)控薄膜厚度有三種概念，即幾何厚度、光學(xué)厚度和質(zhì)量厚度。光學(xué)厚度是物理厚度與膜層材料折射率的乘積，即nd；幾何厚度表示膜層的物理厚度；第三頁，共五十一頁，2022年，8月28日★膜厚的分類厚度：是指兩個(gè)完全平整的平行平面之間的距離。理想薄膜厚度：基片表面到薄膜表面之間的距離。

由于薄膜具有顯微結(jié)構(gòu)，要嚴(yán)格定義和精確測量薄膜厚度，實(shí)際上比較困難的。薄膜厚度的定義是與測量方法和目的相關(guān)的。第四頁，共五十一頁，2022年，8月28日第五頁，共五十一頁，2022年，8月28日襯底的平均表面薄膜形狀表面質(zhì)量等價(jià)表面物性等價(jià)表面第六頁，共五十一頁，2022年，8月28日形狀厚度dT是接近與直觀形式的厚度。質(zhì)量厚度dM反映了薄膜中質(zhì)量的多少。物性厚度dP實(shí)際使用較少。第七頁，共五十一頁，2022年，8月28日目視法：目視觀察薄膜干涉色的變化來控制介質(zhì)膜的厚度?；邋兡ず?，入射光在薄膜的兩個(gè)分界面分成兩束反射光，這兩束反射光是相干的，各個(gè)波長的反射光強(qiáng)度就不相等，帶有不同的干涉色彩，不同的膜厚對于不同的顏色。鍍制單層的MgF2，對綠光減反射，反射光是紫紅色?！锬恳暦ǖ诎隧?，共五十一頁，2022年，8月28日

光干涉法(光電極值法）

光學(xué)薄膜需要監(jiān)控的是光學(xué)厚度，而不是幾何厚度。

是光學(xué)厚度，可用波長表示。第九頁，共五十一頁，2022年，8月28日當(dāng)、、確定后，反射率只與薄膜厚度有關(guān)；薄膜厚度連續(xù)變化時(shí)，透射率或反射率出現(xiàn)周期性極值；透過或反射光強(qiáng)度為薄膜厚度的函數(shù)。第十頁，共五十一頁，2022年，8月28日例題：設(shè)計(jì)淀積2m厚的SiO薄膜，已知SiO的折射率為2.0，監(jiān)控片的折射率為1.5，單色光波長為1m，假設(shè)薄膜吸收為零，如何監(jiān)控？

根據(jù)干涉原理：

監(jiān)測到第8個(gè)最大值即可。第十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日極值法在基片上鍍制單一層膜時(shí)，薄膜的透射光或反射光強(qiáng)度隨著薄膜厚度的變化曲線呈余弦狀。極值法：監(jiān)控淀積過程中出現(xiàn)極值點(diǎn)的次數(shù)來控制四分之一波長整數(shù)倍膜層厚度第十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日極值法控制技巧直接控制：全部膜層直接由被鍍樣品進(jìn)行控制第一，相鄰膜層之間能自動(dòng)進(jìn)行膜厚誤差的補(bǔ)償；第二，避免了因凝集特性變化所引起的誤差。因而使窄帶濾光片獲得較高的波長定位精度。過正控制：鍍制過程中故意產(chǎn)生一個(gè)一致性的過正量，以減少判斷厚度的隨機(jī)誤差（極值監(jiān)控時(shí)常用的控制手段）。第十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日極值法控制技巧

定值法控制：在干涉截止濾光片中有特殊應(yīng)用。由于定值法的停點(diǎn)一般選擇在遠(yuǎn)離極值點(diǎn)，所以其控制精度是非常高的。若ΔT=1%，則高折射率層的膜厚相對精度P=1.35%，低折射率層P=3.9%

主要用于截止濾光片的制造第十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日單波長監(jiān)控系統(tǒng)單光路系統(tǒng)：不能排除光源波動(dòng)和電路系統(tǒng)暗噪聲、漂移影響，稱為“光量測量”。相對測量精度可以達(dá)到0.01%

。雙光路系統(tǒng)：通過對參考光和暗信號(hào)的測量，消除光源和電路暗噪聲、漂移影響，為“光度測量”。絕對測量精度可以達(dá)到0.001%第十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日單波長監(jiān)控系統(tǒng)第十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日單波長監(jiān)控系統(tǒng)-硬件特點(diǎn)高分辨率單色儀焦距150mm，光柵1200線。波長范圍350nm-900nm。線色散5.4nm/mm，狹縫10μm-3mm可調(diào)

高靈敏度探測器CR114光電倍增管：185-870nm寬譜響應(yīng)

鎖相放大器，從強(qiáng)干擾中提取弱信號(hào)第十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日單波長監(jiān)控系統(tǒng)-軟件處理材料色散和折射率測量n（λ）=A0+A1/λ+A2/λ2

數(shù)據(jù)處理：剔除粗大誤差

第十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日雙光路系統(tǒng)采用13HZ斬波器對參照光、信號(hào)光、暗底三相分頻用直流放大器取代鎖相放大器，鎖相放大器有信號(hào)延遲的缺點(diǎn)第十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日雙光路優(yōu)點(diǎn)參考光測量消除光源發(fā)光功率波動(dòng)的影響暗信號(hào)測量消除雜散光以及電路系統(tǒng)暗電流的影響

第二十頁，共五十一頁，2022年，8月28日誤差傳遞和累積膜層設(shè)計(jì)厚度含誤差厚度誤差誤差百分比183.7nm88.7nm5nm6%2119.6nm122.6nm3nm2.5%329.9nm36.7nm7nm23.4%4159.4nm153.4nm-6nm-3.76%565.9nm61.9nm-4nm-6.1%絕對誤差（nm）

1.4H1.2L0.5H1.6L1.1H(膜層)第二十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日停點(diǎn)選擇對控制精度的影響以G/H/A膜系為例，nH=2.35,λ0=550nmλc=550nm;當(dāng)光度值變化0.01%，厚度的相對誤差為1%。λc=500nm;當(dāng)光度值變化0.01%，厚度的相對誤差為0.1%第二十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日單層膜的厚度誤差分析第二十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日AB監(jiān)控法所謂AB監(jiān)控法，就是設(shè)計(jì)一個(gè)監(jiān)控裝置，采用AB兩塊監(jiān)控片交替使用，把一個(gè)由高低折射率組成的膜系的膜層順序打亂，低折射率材料膜層鍍在A監(jiān)控片上，高折射率材料膜層鍍在B監(jiān)控片上。第二十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日AB監(jiān)控法的優(yōu)點(diǎn)第一，適當(dāng)?shù)匾苿?dòng)監(jiān)控波長，可以使各層膜理論停點(diǎn)選擇在遠(yuǎn)離極值點(diǎn)位置，從而得到高的膜厚監(jiān)控精度；第二，由于膜層材料是單一的，理論上的反射率極大值點(diǎn)與極小值點(diǎn)是可以預(yù)測的，利用這些極值點(diǎn)作為參照點(diǎn)，發(fā)展一種實(shí)用的膜厚修正方法，即比例修正法。第二十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日AB監(jiān)控法的優(yōu)點(diǎn)第三，在極值點(diǎn)處導(dǎo)納值為實(shí)數(shù)，可以方便地計(jì)算出其導(dǎo)納值，用這個(gè)實(shí)數(shù)導(dǎo)納值取代前面已經(jīng)鍍過的所有膜層，就好像后面所有的膜都是鍍在這樣導(dǎo)納值的一個(gè)新基片上，膜厚誤差被截?cái)嗔?；第四，在監(jiān)控片上理論膜系的膜層順序是被打亂的，前一層膜的監(jiān)控誤差不會(huì)影響到本膜層，這樣也有利于監(jiān)控過程中膜厚誤差的截?cái)嗯c補(bǔ)償；第五，透（反）射率都在一個(gè)固定的范圍內(nèi)變化，監(jiān)控系統(tǒng)不需要在大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)切換，可以利用放大器和探測器的最佳工作區(qū)，把系統(tǒng)設(shè)計(jì)的非常穩(wěn)定、非常線性，從而保證高的控制精度。第二十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日AB法監(jiān)控時(shí)的監(jiān)控方案選擇

根據(jù)AB監(jiān)控法的原理，編排一個(gè)非常方便使用的計(jì)算程序。通過重新編排膜層順序和改變監(jiān)控波長的方法，尋找各層膜合適的透（反）射率停點(diǎn)。選擇停點(diǎn)的基本原則：一是避開極值點(diǎn)；二是每層膜的停點(diǎn)最好至少要過一個(gè)極值點(diǎn)。當(dāng)在A監(jiān)控片上鍍制低折射率材料時(shí)，透（反）射率值變化幅度很小，這樣不利于膜厚的精確控制。此時(shí)，在重新分配膜層時(shí)，把第一層的高折射膜層并入A監(jiān)控片，以提高A片上低折射率膜層的透（反）射率的變化幅度。由于應(yīng)力的原因，在一塊監(jiān)控片上鍍制同一種膜層不宜太厚，一般每塊監(jiān)控片的膜層累積厚度不宜超過十個(gè)λ/4，λ=550nm。當(dāng)膜層數(shù)過多時(shí)，可以重新更換新的監(jiān)控片C、D、E、F等。采用多個(gè)監(jiān)控片時(shí)，使選擇AB法監(jiān)控有更多的選擇方案。比如某一層膜按順序安排在B監(jiān)控片上，不符合選擇停點(diǎn)的原則，找不到好的停點(diǎn)，那么可以將它安排到其它監(jiān)控片上。AB法監(jiān)控方案的選擇是一個(gè)反復(fù)實(shí)驗(yàn)的過程。

第二十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日31層非規(guī)整膜系的AB法監(jiān)控第二十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日光譜曲線第二十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)單波長監(jiān)控系統(tǒng)第三十頁，共五十一頁，2022年，8月28日光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)寬光譜監(jiān)控系統(tǒng)第三十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日寬光譜監(jiān)控寬光譜掃描，在很寬的波長范圍內(nèi)監(jiān)視薄膜的特性，使控制既直觀又精確監(jiān)控原理：實(shí)時(shí)測量膜系的光譜特性，并不斷地比較實(shí)時(shí)測定的光譜曲線與理論要求的曲線。在不考慮誤差的情況下，當(dāng)兩者完全一致時(shí)，就認(rèn)為膜層達(dá)到理論設(shè)計(jì)厚度

第三十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日寬光譜監(jiān)控寬光譜監(jiān)控的波長、光學(xué)厚度、透過率的三維函數(shù)圖

第三十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日寬光譜監(jiān)控寬光譜監(jiān)控的優(yōu)點(diǎn)可以直觀方便地控制寬譜特性寬譜補(bǔ)償：前面膜層的誤差，在一定程度上被后續(xù)膜層補(bǔ)償和截?cái)鄬?shí)現(xiàn)非規(guī)整膜系的監(jiān)控鍍制過程中對透、反射特性的曲線分析處理，可以計(jì)算出已鍍膜層的折射率、吸收率、色散、厚度等參數(shù)

第三十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日FilmonitorBS寬光譜監(jiān)控系統(tǒng)寬光譜監(jiān)控原理圖第三十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日FilmonitorBS寬光譜監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)特點(diǎn)每秒輸出三個(gè)數(shù)據(jù)值有效監(jiān)控波長范圍從400nm到800nm，完全覆蓋可見光范圍系統(tǒng)測量精度可以達(dá)到0.1%

第三十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日FilmonitorBS-硬件特點(diǎn)光路使用紫外增強(qiáng)石英光維接收光信號(hào)，傳輸損耗優(yōu)于普通光纖，紫外波段的傳導(dǎo)特性較好。光纖孔徑角22°。光源后添加一個(gè)球形反射鏡，增加光源使用效率加光闌限制雜散光進(jìn)入光源選用鹵鎢燈，特點(diǎn)是亮度高，穩(wěn)定性好。采用風(fēng)冷

光譜儀：2048像元線陣CCD，分辨率2-3nm。工作范圍：1100-200nm。第三十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日FilmonitorBS-軟件功能膜系光譜特性計(jì)算自動(dòng)測定鍍膜材料的折射率和色散三種判停方式：目視法人工判停；特征點(diǎn)法自動(dòng)判停；能量法自動(dòng)判停實(shí)時(shí)修正：分析當(dāng)前膜層光譜曲線，計(jì)算膜層厚度，優(yōu)化后續(xù)膜層第三十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日FilmonitorBS-折射率測定折射率測定是光學(xué)鍍膜的一個(gè)非常重要的工藝工作，材料的色散是受設(shè)備及鍍制工藝影響的無吸收曲線呈等幅震蕩，有吸收時(shí)，呈震蕩收斂形狀n=（Y*ng）1/2

第三十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日FilmonitorBS-折射率測定

二十四層冷光膜鍍制實(shí)驗(yàn)

未修正折射率的理論與實(shí)際光譜修正折射率后的理論與實(shí)際光譜第四十頁，共五十一頁，2022年，8月28日積木式光學(xué)薄膜監(jiān)控系統(tǒng)

積木式監(jiān)控：把多種監(jiān)控系統(tǒng)集成在一起，根據(jù)實(shí)際情況來選擇合適的監(jiān)控方式，從而對鍍膜過程實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。積木式結(jié)構(gòu)組成：石英晶振監(jiān)控法；單波長監(jiān)控系統(tǒng)；寬光譜監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)需要，交叉組合，協(xié)調(diào)工作。第四十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日積木式光學(xué)薄膜監(jiān)控系統(tǒng)晶控系統(tǒng):控制淀積速率；控制極薄層(厚度極薄或光度變化不敏感膜層）；進(jìn)行批量自動(dòng)化生產(chǎn)。注：首先需要光控對其進(jìn)行標(biāo)定。第四十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日積木式光學(xué)薄膜監(jiān)控系統(tǒng)單波長監(jiān)控系統(tǒng)：測定材料色散；標(biāo)定工具因子（晶控與監(jiān)控片，監(jiān)控片與工件）；窄帶濾光片的鍍制；使用AB法實(shí)現(xiàn)高精度控制；注：晶控控制蒸發(fā)速率。第四十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日積木式光學(xué)薄膜監(jiān)控系統(tǒng)寬光譜監(jiān)控系統(tǒng)：測定材料色散；寬帶產(chǎn)品的鍍制，比如分光膜，AR膜，截至膜等；監(jiān)視產(chǎn)品的光譜曲線（用晶控或單波長控制鍍膜過程時(shí)）。注：晶控控制蒸發(fā)速率。第四十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日石英晶體振蕩法：石英晶體具有壓電效應(yīng)，其固有頻率不僅取決于幾何尺寸和切割類型，而且還取決于厚度d。若厚度為d的石英晶片厚度改變△d，則晶體振動(dòng)頻率變化△f，負(fù)號(hào)表示頻率隨厚度的增加而減少。N取決于石英晶體的幾何尺寸和切割類型的頻率常數(shù)鍍膜時(shí)質(zhì)量增量所產(chǎn)生的晶體頻率變化：第四十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日把石英晶片厚度改變△d變換成膜層厚度增量△dMA是晶體受鍍面積，為膜層密度，為石英密度

是石英晶體的基頻，與之間是線性關(guān)系。第四十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日厚度的變化與振蕩頻率成正比。注意！在石英晶片上淀積厚度為，則相應(yīng)晶體厚度變化為：第四十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日

當(dāng)膜厚不大，即薄膜質(zhì)量遠(yuǎn)小于石英基片質(zhì)量時(shí)，晶片諧振頻率變化不大，可認(rèn)為常數(shù)。

對于特定的石英晶體測量膜厚，隨薄膜厚度增加，頻率和厚度的關(guān)系偏離線性。令：