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重要參數(shù)，它直接影響薄膜的結(jié)構(gòu)的特性。重點：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)量等價表面物性等價表面第六頁，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?；邋兡ず螅肷涔庠诒∧さ膬蓚€分界面分成兩束反射光，這兩束反射光是相干的，各個波長的反射光強度就不相等，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诎隧摚参迨豁?，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，透射率或反射率出現(xiàn)周期性極值；透過或反射光強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，薄膜的透射光或反射光強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行控制第一，相鄰膜層之間能自動進行膜厚誤差的補償；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)生一個一致性的過正量，以減少判斷厚度的隨機誤差（極值監(jiān)控時常用的控制手段）。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。由于定值法的停點一般選擇在遠(yuǎn)離極值點，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到0.01%

。雙光路系統(tǒng)：通過對參考光和暗信號的測量，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，從強干擾中提取弱信號第十七頁，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，鎖相放大器有信號延遲的缺點第十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日雙光路優(yōu)點參考光測量消除光源發(fā)光功率波動的影響暗信號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)計一個監(jiān)控裝置，采用AB兩塊監(jiān)控片交替使用，把一個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)點第一，適當(dāng)?shù)匾苿颖O(jiān)控波長，可以使各層膜理論停點選擇在遠(yuǎn)離極值點位置，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與極小值點是可以預(yù)測的，利用這些極值點作為參照點，發(fā)展一種實用的膜厚修正方法，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)點第三，在極值點處導(dǎo)納值為實數(shù)，可以方便地計算出其導(dǎo)納值，用這個實數(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)納值的一個新基片上，膜厚誤差被截斷了；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)控誤差不會影響到本膜層，這樣也有利于監(jiān)控過程中膜厚誤差的截斷與補償；第五，透（反）射率都在一個固定的范圍內(nèi)變化，監(jiān)控系統(tǒng)不需要在大的動態(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)控時的監(jiān)控方案選擇

根據(jù)AB監(jiān)控法的原理，編排一個非常方便使用的計算程序。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。選擇停點的基本原則：一是避開極值點；二是每層膜的停點最好至少要過一個極值點。當(dāng)在A監(jiān)控片上鍍制低折射率材料時，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，在重新分配膜層時，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λ/4，λ=550nm。當(dāng)膜層數(shù)過多時，可以重新更換新的監(jiān)控片C、D、E、F等。采用多個監(jiān)控片時，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，不符合選擇停點的原則，找不到好的停點，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反復(fù)實驗的過程。

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：實時測量膜系的光譜特性，并不斷地比較實時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，就認(rèn)為膜層達到理論設(shè)計厚度

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)點可以直觀方便地控制寬譜特性寬譜補償：前面膜層的誤差，在一定程度上被后續(xù)膜層補償和截斷實現(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)特點每秒輸出三個數(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)測量精度可以達到0.1%

第三十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日FilmonitorBS-硬件特點光路使用紫外增強石英光維接收光信號，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°。光源后添加一個球形反射鏡，增加光源使用效率加光闌限制雜散光進入光源選用鹵鎢燈，特點是亮度高，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算自動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；特征點法自動判停；能量法自動判停實時修正：分析當(dāng)前膜層光譜曲線，計算膜層厚度，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，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驗

未修正折射率的理論與實際光譜修正折射率后的理論與實際光譜第四十頁，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)實際情況來選擇合適的監(jiān)控方式，從而對鍍膜過程實行實時監(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）；進行批量自動化生產(chǎn)。注：首先需要光控對其進行標(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）。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，則晶體振動頻率變化△f，負(fù)號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，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：