CN102191475A - 提高薄膜光谱性能的膜厚监控方法 - Google Patents

Abstract

一种用于计算机控制镀膜装置进行镀膜的提高薄膜光谱性能的膜厚监控方法，该方法包括该方法包括：(1)镀膜前向计算机输入镀膜参数：(2)通过计算机计算选择满足限制条件的监控波长λ和监控片数目，其中λ_Min＜λ＜λ_Max，得到一个与所镀膜系的镀膜监控表，包括所镀膜系按顺序的膜层、相应的监控波长和监控片序号；(3)镀膜等步骤。本发明能够自动选择监控波长和所需的最少监控片数目，采用比例式膜厚监控方法，减少了膜厚监控误差，提高了膜厚监控精度，可对规整膜系和非规整膜系进行监控。在膜厚监控系统控制精度不变的情况下，可有效地提高了薄膜的光谱性能。

Description

提高薄膜光谱性能的膜厚监控方法

技术领域

本发明与镀膜有关，涉及薄膜厚度监控方法，特别是一种用于计算机控制镀膜装置进行镀膜的提高薄膜光谱性能的膜厚监控方法。

背景技术

薄膜的厚度决定性地影响薄膜的光学性能。实现薄膜厚度的精确控制是制备高性能光学薄膜的关键因素。

薄膜厚度控制的方法通常包括光学监控法和石英晶体振荡法。光学监控法直接监控膜层的光学厚度，它利用薄膜的透射率(或反射率)随着薄膜厚度的变化而变化这一原理来实现薄膜厚度的监控；光学监控法中较常用的是光电极值法，光电极值法以膜系的中心波长作为监控波长，将薄膜透射率(或反射率)的极值点作为停镀点。石英晶体振荡法利用石英晶体的压电效应和质量负荷效应来测量薄膜的质量厚度。图1给出了本发明人发明的计算机控制镀膜装置(专利号：ZL200510026448.1，授权公告日：2008年8月31日)的结构示意图。光源1发出的光束经聚光透镜组15会聚到光阑4上，聚光透镜组15由透镜2和透镜3组成，入射光束经单排孔调制盘5后成为调制光，经准直镜16后成为平行光，该平行光透过监控片14后成为信号光，镀膜过程中薄膜的光学厚度信息将表现为信号光的强度信息。经过监控片14后的光经半透半反镜9后经会聚镜8会聚到单色仪7的入射狭缝11上，用光电倍增管10接收单色仪7出射狭缝的光，并将该信号作为锁相放大器12的信号输入，用光开关6输出的参考信号作为锁相放大器12的参考输入。晶控仪26的晶振头21通过屏蔽线经阻抗匹配器22和晶控仪26相连，晶控仪26的蒸发源控制电压输出端28通过屏蔽线分别和第一蒸发源35、第二蒸发源24相连。带有控制程序的计算机30的第一串口29、第二串口32分别和锁相放大器12、晶控仪26相连，计算机并口31的第2针、第3针通过屏蔽线经挡板开关控制电路20和第一蒸发源挡板控制器25、第二蒸发源挡板控制器27相连。

该计算机控制镀膜装置采用光电极值法监控规整膜系，石英晶体振荡法监控非规整膜系。然而，石英晶体振荡法不能直接反映出膜层的光学厚度，在膜层质量厚度相同的情况下，由于镀膜环境等一些参数的不稳定性，其蒸镀材料的光学性质也会产生一定的不稳定，这样在监控的过程中势必会带来比较大的误差。光电极值法将薄膜透射率(或反射率)的极值点作为停镀点，然而极值点附近，薄膜透射率(或反射率)的变化量接近于零，亦即这时的透射率(或反射率)对厚度的变化不灵敏，这就限制了光电极值法的监控精度，这是该方法原理所固有的缺陷。光电极值法要求光学监控系统有较高的信噪比，否则很容易出现极值点误判的情况；此外，对于不同的膜系，光学监控信号随着膜厚变化的变化量不同，某些膜系的监控需要在监控过程中更换监控片，然而，由于在新的监控片上镀制的第一层膜的厚度往往偏厚，这就会引起厚度误差。随着薄膜光谱性能要求的提高，光电极值法已经不能满足高精度的膜厚监控要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种提高薄膜光谱性能的膜厚监控方法，该方法能够减少膜厚监控误差、提高薄膜光谱性能，并且既能监控规整膜系，又能监控非规整膜系。

本发明的解决方案如下：

一种用于计算机控制镀膜装置进行镀膜的提高薄膜光谱性能的膜厚监控方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

(1)镀膜前向计算机输入镀膜参数：

包括设计波长λ_D、高折射率材料折射率n_H、低折射率材料折射率n_L、基底折射率n_S、入射介质折射率n₀、最小监控波长λ_Min、最大监控波长λ_Max、所需镀制的膜系、所镀制膜系的波长λ₁的透射率优化目标Target_λ1和所镀制膜系的波长λ₂的透射率优化目标Target_λ2；

(2)通过计算机计算选择满足限制条件的监控波长λ和监控片数目，其中λ_Min＜λ＜λ_Max，得到一个与所镀膜系的镀膜监控表，包括所镀膜系按顺序的膜层、相应的监控波长和监控片序号；

(3)开机镀膜：

①镀制第一层膜之前，计算机根据下列公式(1)依次计算监控波长为λ时，第j＝1层膜的厚度系数从0变化到d_j+1时的透射率变化曲线：

$T_j=1-\left(\frac{n_0-Y_j}{n_0+Y_j}\right){\left(\frac{n_0-Y_j}{n_0+Y_j}\right)}^{*}---\left(1\right)$

其中：N₀指入射介质的折射率，d_j为第j层膜的厚度系数，Y_j指基底和第j层膜的组合导纳，Y_j根据下列公式(2)递推得到：

$Y_j=\frac{Y_{j-1}\cos (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})+{\mathrm{in}}_j\sin (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})}{\cos (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})+i(Y_{j-1}/n_j)\sin (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})}---\left(2\right)$

其中：n_j为第j层膜的折射率，Y₀等于基底折射率，d_j为第j层膜的厚度系数；

将该第j层膜与基底的组合导纳Y_j代入公式(1)得到第j层膜的厚度系数从0变化到d_j+1时的透射率变化曲线，从该透射率变化曲线找到第j层膜停镀点之前的第一个理论极值点的透射率值T′_j1、第二个理论极值点的透射率值T′_j2、理论停镀点的透射率T_jC和停镀点之后的第一个理论极值点的透射率T′_j3；

当前监控片的编号不等于第j层的监控片编号时，计算机通过第三串口向监控转动装置发出信号将监控片的位置调节至第j层监控片的位置；

当单色仪的波长不等于第j层的监控波长时，计算机发出信号将单色仪的波长调节至第j层的监控波长；

然后计算机根据当前膜层的参数n_j向挡板开关控制电路发出信号打开蒸发源挡板：当n_j＝n_H，就打开高折射率蒸发源挡板，否则就打开低折射率蒸发源挡板；

同时计算机开始采集并保存锁相放大器输出的与监控片的透射率相应的信号值，保存停镀点之前的第一个实际极值点的透射率值T_j1和第二个实际极值点的透射率值T_j2，根据下列公式计算实际停镀点的透射率值T_jC：

$T_{\mathrm{jC}}=\frac{(T_{\mathrm{jC}}^{\′}-T_{j1}^{\′})\×(T_{j1}-T_{j2})}{T_{j1}^{\′}-T_{j2}^{\′}}+T_{j1};$

当计算机通过锁相放大器实时采集的透射率值等于所述的实际停镀点的透射率值T_jC时，计算机向挡板开关控制电路发出关闭当前蒸发源挡板的信号，第j＝1层膜镀制完成；

②重复上述步骤①，开始镀制第j＝2层膜：

③重复步骤②，直至所有的膜层都镀制完毕，镀膜结束。

所述的选择满足限制条件的监控波长λ和监控片数目的具体步骤如下：

①首先，计算机程序初始化满足限制条件的层数K＝0，初始化监控片数目W＝1，初始化监控波长为λ＝d₁×λ_D/1.03，当λ＞λ_Max，取λ＝λ_Max；其中λ_Max为最大监控波长，λ_D为设计波长，d₁为第1膜层的厚度系数，初始化判别数F＝0，所述的判别数F用于判断是否已经将第一层膜拆分成两层，已经将第一层膜拆分成两层，则F＝1，第一层膜未拆分成两层，则F＝0；

②然后根据下列公式(1)计算监控波长为λ时，第j层膜的厚度系数从0变化到d_j+1时的透射率变化曲线：

$T_j=1-\left(\frac{n_0-Y_j}{n_0+Y_j}\right){\left(\frac{n_0-Y_j}{n_0+Y_j}\right)}^{*}---\left(1\right)$

其中：n₀指入射介质的折射率，Y_j指基底和第j层膜的组合导纳，Y_j由下列公式(2)递推得到：

$Y_j=\frac{Y_{j-1}\cos (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})+{\mathrm{in}}_j\sin (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})}{\cos (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})+i(Y_{j-1}/n_j)\sin (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})}---\left(2\right)$

其中：n_j为第j层膜的折射率，Y₀等于基底折射率，d_j为第j层膜的厚度系数；

将该第j层膜与基底的组合导纳Y_j代入公式(1)得到第j层膜的厚度系数从0变化到d_j+1时的透射率变化曲线，从该透射率变化曲线找到第j层膜停镀点之前的第一个理论极值点的透射率值T′_j1、第二个理论极值点的透射率值T′_j2、理论停镀点的透射率T′_jC和停镀点之后的第一个理论极值点的透射率T′_j3；

③对每一膜层的当前监控波长λ进行有效性判断：当满足|T′_j1-T′_j2|＞12％和

时，则进入第④步，当不能同时满足|T′_j1-T′_j2|＞12％和

则进入第⑤步；

④当j≤K时，则令j＝j+1，然后开始重复步骤②和③进行第j+1膜层的计算；

当j＞K，则令K＝j，且K小于总的膜层数M时，则令j＝j+1，然后重复步骤②和③进行第j+1膜层的计算；

当j＞K，则令K＝j，且K＝总的膜层数M时，进入步骤⑨；

⑤令监控波长λ＝λ-1nm，当λ≥λ_Min时，重复上述步骤②和③，寻找满足上述限制条件的监控波长λ；

当λ＜λ_Min且判别数F等于0，同时满足d₁×λ_D≥2.06×λ_Min时，则进入第⑦步；

当λ＜λ_Min且判别数F等于0，同时d₁×λ_D＜2.06×λ_Min时，则进入第⑥步；

当λ＜λ_Min且判别数F不等于0时，则进入步骤⑧；

⑥根据下列公式(3)计算第1层至第K层膜的膜厚误差的敏感度S_q：

S_q＝|Target_λ1-T_jλ1|+|Target_λ2-T_jλ2|            (3)

其中，q＝1、…、K；Target_λ1为所镀制膜系的波长λ₁的透射率优化目标，Target_λ2为所镀制膜系的波长λ₂的透射率优化目标，T_jλ1和T_jλ2分别为第j层膜的厚度系数为d_j+0.01时的波长λ₁和λ₂处的透射率；

对K层之前K个膜层的膜厚误差的敏感度S_q进行比较，并将最小的高折射率膜层称为第q膜层，将第q层之后的膜层作为新的膜系，该新膜系采用新监控片进行镀膜监控，则令监控片数目为W＝W+1，由于第q层之前的各个膜层已经找到满足限制条件的第一监控波长λ，令满足限制条件的层数K＝q-1，对所述的新膜系重新初始化监控波长λ＝d_q×λ_D/1.03，如果λ＞λ_Max，取λ＝λ_Max；然后重复步骤②和③开始寻找满足上述限制条件的监控波长λ；

⑦将第一层膜拆分成厚度系数分别D₁和D₂的两层膜，其中D₁＝1.03×λ_Min/λ_D，D₂＝d₁-D₁，监控片数目W＝W+1，同时令判别数F＝1，表明已经将第一层膜拆分成两层，厚度系数为D₁的膜层采用第1号监控片进行监控，监控波长λ_min＝D₁×λ_D/1.03，由于该层满足限制条件，则满足限制条件的层数K＝1；

厚度系数为D₂的膜层和该膜层之后的膜层作为新膜系利用第2号的监控片进行监控，重新初始化监控波长λ＝D₂×λ_D/1.03，如果λ＞λ_Max，取λ＝λ_Max；重复步骤②和③，寻找满足上述限制条件的第二监控波长λ；

⑧重新对D₁和D₂进行赋值，令D₁＝D₁+0.01，D₂＝D₂-0.01，

当满足D₂×λ_D＞1.03×λ_Min时，计算厚度系数为D1的膜层的监控波长λ＝D₁×λ_D/1.03，由于该层满足限制条件，则K＝1；

然后对厚度系数为D₂的膜层和该膜层之后的膜层作为新膜系，利用新监控片进行监控，重新初始化监控波长λ＝D₂×λ_D/1.03，如果λ＞λ_Max，取λ＝λ_Max；重复步骤②和③，寻找满足上述限制条件的监控波长λ；

当D₂×λ_D≤1.03×λ_Min时，令判别数F等于0时，进入步骤⑥；

⑨输出拆分后的膜系、每层膜的监控波长和相应的监控片数目。本发明的技术效果：

本发明利用最少数目的监控片对膜层厚度进行监控，在对误差不敏感的膜层更换新的监控片。还在于膜厚监控程序包括监控波长计算模块和膜厚监控模块。

本发明采用的监控方法是一种比例式光学监控方法，它直接监控膜层的光学厚度，具有能够给出薄膜折射率、吸收等附加信息，并且对某些膜系厚度误差可进行自动补偿的优点。

本发明方法与极值点附近的薄膜透射率(或反射率)对厚度变化的相比，监控膜层厚度，停镀点附近薄膜透射率(或反射率)对厚度的变化要灵敏得多。因此，本发明方法有效地减少了膜厚控制误差，提高了膜厚控制精度。由于比例法监控膜层厚度的停镀点不在透射率(或反射率)的极值点。

本发明方法还具备既能监控规整膜系，又能监控非规整膜系的优点。为了获得较大的透射率(或反射率)的变化量，某些膜系在监控过程中需要更换监控片。由于在新的监控片上镀制的第一层膜的厚度往往和已经有膜的基底上厚度不同，这就引起了厚度误差。本发明采用最少的监控片数目进行厚度监控，减少了更换新的监控片引起的误差。

本发明方法，根据输入参数，包括膜系、设计波长、材料折射率、基底折射率、系统工具因子、最小监控波长、最大监控波长、监控方式和膜系优化目标，自动在监控波长范围内选择满足限制条件的监控波长和最少监控片数目。所述限制条件有两个：

一、满足|T′_j1-T′_j2|＞12％；其中T′_j1、T′_j2分别指第j层膜停镀点之前的第一个和第二个理论极值点的透射率值。该限制条件是为了保证每层膜镀制过程中监控片上的透射率对厚度变化的比较灵敏；

二、满足

其中T′_jC指第j层膜理论停镀点的透射率，T′_j3指第j层膜停镀点之后的第一个理论极值点的透射率。该限制条件是为了保证在设置的折射率和实际的折射率有较大的差别时，仍然能够正确地计算停镀点的透射率值。

所述的膜厚监控程序的膜厚监控模块根据监控波长计算模块给出的监控波长和监控片编号，计算每层膜层的理论停镀点，以及停镀点之前的第一个极值点和第二个极值点的理论透射率值，根据实时采集的透射率数据实时计算实际停镀点的透射率值，并在实际的透射率值到达停镀点时关闭膜厚控制挡板。

总之，本发明采用的监控方法是一种比例式光学监控方法，采用该方法监控膜厚，具有使用监控片数目最少的特点，本发明能够自动选择监控波长和所需的最少监控片数目，采用比例式膜厚监控方法，减少了膜厚监控误差，提高了膜厚监控精度，可对规整膜系和非规整膜系进行监控。在膜厚监控系统控制精度不变的情况下，可有效地提高了薄膜的光谱性能。

附图说明

图1为现有的计算机控制镀膜装置结构示意图

图2为本发明中采用的计算机控制镀膜装置的结构示意图

图3为本发明中主程序的流程图

图4为本发明中监控程序的监控波长计算模块的流程图

具体实施方式

下面结合实施例和结合附图对本发明作进一步说明。

先请参阅图2，图2为本发明提高光学性能的膜厚监控方法的镀膜装置结构示意图。由图可见，本发明中使用的镀膜装置包括由光源发射系统18、监控片系统14、信号接收系统19和锁相放大器12四部分组成的光学膜厚监控系统，和带有控制程序的计算机30、挡板开关控制电路20。锁相放大器12、监控片转动装置38、单色仪7分别通过自带的RS232串口和带有控制程序的计算机30的第一串口29、第三串口39、第四串口37相连，计算机并口31的第2针、第3针通过屏蔽线经挡板开关控制电路20和第一蒸发源挡板控制器25、第二蒸发源挡板控制器27相连。

图3为本发明主程序的流程图。

以808nm高透射且1064nm高反射膜为例说明本发明提高光学性能的膜厚监控方法。该方法包括下列步骤：

(1)镀膜前先进行参数输入计算机30：

包括设计波长λ_D(1072nm)、高折射率材料折射率n_H(1.92)、低折射率材料折射率n_L(1.46)、基底折射率n_S(1.52)、入射介质折射率n₀(1.0)、最小监控波长λ_Min(400nm)、最大监控波长λ_Max(800nm)、膜系(1.22H1.05LHLHLHLHLHLHLHLHLHLHLHL0.94H1.22L0.67H3.65L)、和膜系优化目标Target_λ1(1064nm处透射率为0)、膜系优化目标Target_λ2(808nm处透射率为1)。

输入的膜系参数中字母H表示高折射率材料的膜层，字母L代表低折射率材料的膜层，字母前的系数表示该层膜的厚度系数，如果字母前没有系数则表示该层膜的厚度系数为1，膜层的光学厚度等于厚度系数乘以四分之一监控波长。程序首先根据输入的膜系参数统计高折射率材料的层数为14层、低折射率材料的层数为14层，则总膜层数M为高、低折射率材料膜层数之和28；然后从第一层开始，依次以j为下标表示，例如第j层膜的厚度d_j，如果第j层为H层，则第j层膜的折射率n_j＝n_H，否则第j层膜的折射率n_j＝n_L。

(2)选择满足限制条件的监控波长λ(λ_Min＜λ＜λ_Max)和最少监控片数目：

①首先，程序初始化满足限制条件的层数K＝0，初始化监控片数目W＝1，初始化监控波长λ＝d₁×λ_D/1.03＝1.22×1072/1.03＝1269nm，由于λ＞λ_Max，取λ＝λ_Max＝800nm。初始化判另数F＝0。

②然后根据公式(1)计算监控波长为λ时，第j＝1层膜厚度系数从0变化到d_j+1时的透射率变化曲线。

$T_j=1-\left(\frac{n_0-Y_j}{n_0+Y_j}\right){\left(\frac{n_0-Y_j}{n_0+Y_j}\right)}^{*}---\left(1\right)$

其中：n₀指入射介质的折射率(n₀＝1)，Y_j指基底和第j层膜的组合导纳。Y_j可以根据公式(2)递推得到：

$Y_j=\frac{Y_{j-1}\cos (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})+{\mathrm{in}}_j\sin (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})}{\cos (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})+i(Y_{j-1}/n_j)\sin (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})}---\left(2\right)$

其中：n_j为第j层膜的折射率，Y₀等于基底折射率；

将该第j层膜与基底的组合导纳Y_j代入公式(1)得到第j层膜的厚度系数从0变化到d_j+1时的透射率变化曲线，从该透射率变化曲线找到第j层膜停镀点之前的第一个理论极值点的透射率值T′_j1、第二个理论极值点的透射率值T′_j2、理论停镀点的透射率T′_jC和停镀点之后的第一个理论极值点的透射率T′_j3；

③对每一膜层的当前监控波长λ进行有效性判断：

当满足|T′_j1-T′_j2|＞12％和

时，则进入第⑤步，当不能同时满足|T′_j1-T′_j2|＞12％和

则进入第④步；

④令监控波长λ＝λ-1nm，当λ≥λ_Min时，重复上述步骤②和③，寻找满足上述限制条件的监控波长λ。如果不满足λ≥λ_Min，当判别数F等于0时，如果满足d₁×λ_D≥2.06×λ_Min，则进入第⑥步；

当判别数F不等于0时，则进入步骤⑦；

⑤如果j＞K，则令K＝j，当K＝总的膜层数M时，进入步骤⑧；当K小于总的膜层数M时，则令j＝j+1，然后开始重复步骤②和③进行下一膜层计算。如果j小于等于K，则进入第④步。如果j＞K，则令K＝j，当K＝总的膜层数M时，进入步骤⑧；

当K小于总的膜层数M时，则令j＝j+1，然后开始重复步骤②和③进行下一膜层计算；

当不满足j＞K时，则令j＝j+1，然后开始重复步骤②和③进行下一膜层计算；

⑥将该第一层膜拆分成厚度系数分别D₁和D₂的两层膜，其中D₁＝1.03×λ_Min/λ_D＝0.39，D₂＝d₁-D₁＝1.22-0.39＝0.83，令监控片数目W＝W+1＝2，同时令判别数F＝1，表明已经将第一层膜拆分成两层。厚度系数为D₁的膜层采用编号为W的新监控片进行监控，监控波长λ＝D₁×λ_D/1.03，由于该层满足限制条件，令满足限制条件的层数K＝1；厚度系数为D₂的膜层和该膜层之后的膜层作为新的膜系利用编号为W-1的监控片进行监控，重新初始化监控波长λ＝D₂×λ_D/1.03，如果λ＞λ_Max，取λ＝λ_Max；重复步骤②和③，寻找满足上述限制条件的监控波长λ。

⑦重新对D₁和D₂进行赋值，令D₁＝D₁+0.01，D₂＝D₂-0.01。当满足D₂×λ_D＞1.03×λ_Min时，计算厚度系数为D1的膜层的监控波长λ＝D₁×λ_D/1.03，由于该层满足限制条件，令满足限制条件的层数K＝1；然后重新初始化监控波长λ＝D₂×λ_D/1.03，如果λ＞λ_Max，取λ＝λ_Max；重复步骤②和③，寻找满足上述限制条件的监控波长λ；

当不满足D₂×λ_D＞1.03×λ_Min时，令判别数F等于0时，进入步骤⑥；

⑧输出拆分后的膜系：0.72H0.5H1.05LHLHLHLHLHLHLHLHLHLHLHL0.94H1.22L0.67H3.65L，第一层用1号监控片，监控波长为534nm；第二层至最后一层使用2号监控片，监控波长为534nm，如表1所示。

表1.本发明中监控波长计算模块计算的监控片和监控波长

注：本实施例中将第一层拆分成两层后，只需要2个监控片就能使得所有层都满足限制条件，所以没有进入权利要求书2中的第⑥步；在有些情况下，将第一层拆分后仍然不能为所有层都找到满足限制条件的监控波长，需要进入权利要求书中的第⑥步。

如果不将第一层的厚度进行拆分，则需要5个监控片才能使得所有层都满足限制条件，如表2所示。这充分体现了这种选择监控波长和监控片方法的优势。

表2.不将第一层的厚度进行拆分所需要的监控片和监控波长

膜层	1至10层	11至14层	15至18层	19至22层	23至28层
						监控片编号	1	2	3	4	5
监控波长(nm)	417	412	412	412	404

(3)开机镀膜：

①镀制第一层膜之前，计算机(30)根据公式(1)依次计算监控波长为λ时，第j (j＝1)层膜的厚度系数从0变化到dj+1时的透射率变化曲线：

$T_j=1-\left(\frac{n_0-Y_j}{n_0+Y_j}\right){\left(\frac{n_0-Y_j}{n_0+Y_j}\right)}^{*}---\left(1\right)$

其中：n₀指入射介质的折射率，Y_j指基底和第j层膜的组合导纳。Y_j可以根据公式(2)递推得到：

$Y_j=\frac{Y_{j-1}\cos (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})+{\mathrm{in}}_j\sin (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})}{\cos (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})+i(Y_{j-1}/n_j)\sin (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})}---\left(2\right)$

其中：n_j为第j层膜的折射率，Y₀等于基底折射率；

将该第j层膜与基底的组合导纳Y_j代入公式(1)得到第j层膜的厚度系数从0变化到d_j+1时的透射率变化曲线，从该透射率变化曲线找到第j层膜停镀点之前的第一个理论极值点的透射率值T′_j1、第二个理论极值点的透射率值T′_j2、理论停镀点的透射率T′_jC和停镀点之后的第一个理论极值点的透射率T′_j3；

如果当前监控片的编号不等于第j层的监控片编号，计算机(30)通过第三串口(39)向监控转动装置(38)发出信号将监控片(14)的位置调节至第i层监控片的位置；

如果单色仪的波长不等于第j层的监控波长，计算机(30)的第四串口(37)发出信号将单色仪(7)的波长调节至第j层的监控波长；

然后计算机(30)根据当前膜的参数n_j向挡板开关控制电路(20)发出信号打开蒸发源挡板：当n_j＝n_H，就打开高折射率蒸发源挡板(23)，否则就打开低折射率蒸发源挡板(36)，

同时计算机(30)开始采集并保存锁相放大器(12)与监控片的透射率相应的信号值，保存停镀点之前的第一个实际极值点的透射率值T_j1和第二个实际极值点的透射率值T_j2，根据下列公式计算实际停镀点的透射率值T_jC：

$T_{\mathrm{jC}}=\frac{(T_{\mathrm{jC}}^{\′}-T_{j1}^{\′})\×(T_{j1}-T_{j2})}{T_{j1}^{\′}-T_{j2}^{\′}}+T_{j1};$

当计算机通过锁相放大器(12)实时采集的透射率值等于所述的实际停镀点的透射率值T_jC时，计算机(30)向挡板开关控制电路(20)发出关闭当前蒸发源挡板的信号，第一层膜镀制完成；

②然后开始镀制第2层膜(j＝2)：

重复上述步骤①，计算机(30)根据公式(1)计算当前层(第j层)的理论停镀点的透射率值T′_jC，停镀点之前的第一个理论极值点T′_j1和第二个理论极值点T′_j2，然后计算机(30)根据当前膜的参数n_j向挡板开关控制电路(20)发出信号打开蒸发源挡板：

当n_j＝n_H，就打开高折射率蒸发源挡板(23)，否则就打开低折射率蒸发源挡板(36)。

同时计算机(30)开始采集并保存锁相放大器(12)的与监控片的透射率相应的信号值，保存停镀点之前的第一个实际极值点的透射率值T_j1和第二个实际极值点的透射率值T_j2，根据公式

计算实际停镀点的透射率值T_jC；

当实时采集的透射率值等于T_jC时，计算机(30)向挡板开关控制电路(20)发出关闭当前蒸发源挡板的信号；

③重复步骤②，直至所有的膜层都镀制完毕。

多次实验表明：本发明采用的监控方法是一种比例式光学监控方法，采用该方法监控膜厚，具有使用监控片数目最少的特点，本发明能够自动选择监控波长和所需的最少监控片数目，采用比例式膜厚监控方法，减少了膜厚监控误差，提高了膜厚监控精度，可对规整膜系和非规整膜系进行监控。在膜厚监控系统控制精度不变的情况下，可有效地提高了薄膜的光谱性能。

Claims (2)

1.一种用于计算机控制镀膜装置进行镀膜的提高薄膜光谱性能的膜厚监控方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

(1)镀膜前向计算机(30)输入镀膜参数：

包括设计波长λ_D、高折射率材料折射率n_H、低折射率材料折射率n_L、基底折射率n_S、入射介质折射率n₀、最小监控波长λ_Min、最大监控波长λ_Max、所需镀制的膜系、所镀制膜系的波长λ₁的透射率优化目标Target_λ1和所镀制膜系的波长λ₂的透射率优化目标Target_λ2；

(2)通过计算机计算选择满足限制条件的监控波长λ和监控片数目，其中λ_Min＜λ＜λ_Max，得到一个与所镀膜系的镀膜监控表，包括所镀膜系按顺序的膜层、相应的监控波长和监控片序号；

(3)开机镀膜：

①镀制第一层膜之前，计算机(30)根据下列公式(1)依次计算监控波长为λ时，第j＝1层膜的厚度系数从0变化到d_j+1时的透射率变化曲线：

$T_j=1-\left(\frac{n_0-Y_j}{n_0+Y_j}\right){\left(\frac{n_0-Y_j}{n_0+Y_j}\right)}^{*}---\left(1\right)$

其中：n₀指入射介质的折射率，d_j为第j层膜的厚度系数，Y_j指基底和第j层膜的组合导纳，Y_j根据下列公式(2)递推得到：

$Y_j=\frac{Y_{j-1}\cos (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})+{\mathrm{in}}_j\sin (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})}{\cos (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})+i(Y_{j-1}/n_j)\sin (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})}---\left(2\right)$

其中：n_j为第j层膜的折射率，Y₀等于基底折射率，d_j为第j层膜的厚度系数；

将该第j层膜与基底的组合导纳Y_j代入公式(1)得到第j层膜的厚度系数从0变化到d_j+1时的透射率变化曲线，从该透射率变化曲线找到第j层膜停镀点之前的第一个理论极值点的透射率值T′_j1、第二个理论极值点的透射率值T′_j2、理论停镀点的透射率T′_jC和停镀点之后的第一个理论极值点的透射率T′_j3；

当前监控片的编号不等于第j层的监控片编号时，计算机(30)通过第三串口(39)向监控转动装置(38)发出信号将监控片(14)的位置调节至第j层监控片的位置；

当单色仪的波长不等于第j层的监控波长时，计算机(30)的第四串口(37)发出信号将单色仪(7)的波长调节至第j层的监控波长；

然后计算机(30)根据当前膜层的参数n_j向挡板开关控制电路(20)发出信号打开蒸发源挡板：当n_j＝n_H，就打开高折射率蒸发源挡板(23)，否则就打开低折射率蒸发源挡板(36)；

同时计算机(30)开始采集并保存锁相放大器(12)输出的与监控片的透射率相应的信号值，保存停镀点之前的第一个实际极值点的透射率值T_j1和第二个实际极值点的透射率值T_j2，根据下列公式计算实际停镀点的透射率值T_jC：

$T_{\mathrm{jC}}=\frac{(T_{\mathrm{jC}}^{\′}-T_{j1}^{\′})\×(T_{j1}-T_{j2})}{T_{j1}^{\′}-T_{j2}^{\′}}+T_{j1};$

当计算机通过锁相放大器(12)实时采集的透射率值等于所述的实际停镀点的透射率值T_jC时，计算机(30)向挡板开关控制电路(20)发出关闭当前蒸发源挡板的信号，第j＝1层膜镀制完成；

②重复上述步骤①，开始镀制第j＝2层膜：

③重复步骤②，直至所有的膜层都镀制完毕，镀膜结束。

2.根据权利要求1所述的提高薄膜光谱性能的膜厚监控方法，其特征在于所述的选择满足限制条件的监控波长λ和监控片数目的具体步骤如下：

①首先，计算机程序初始化满足限制条件的层数K＝0，初始化监控片数目W＝1，初始化监控波长为λ＝d₁×λ_D/1.03，当λ＞λ_Max，取λ＝λ_Max；其中λ_Max为最大监控波长，λ_D为设计波长，d₁为第1膜层的厚度系数，初始化判别数F＝0，所述的判别数F用于判断是否已经将第一层膜拆分成两层，已经将第一层膜拆分成两层，则F＝1，第一层膜未拆分成两层，则F＝0；

②然后根据下列公式(1)计算监控波长为λ时，第j层膜的厚度系数从0变化到d_j+1时的透射率变化曲线：

$T_j=1-\left(\frac{n_0-Y_j}{n_0+Y_j}\right){\left(\frac{n_0-Y_j}{n_0+Y_j}\right)}^{*}---\left(1\right)$

其中：n₀指入射介质的折射率，Y_j指基底和第j层膜的组合导纳，Y_j由下列公式(2)递推得到：

$Y_j=\frac{Y_{j-1}\cos (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})+{\mathrm{in}}_j\sin (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})}{\cos (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})+i(Y_{j-1}/n_j)\sin (\mathrm{\π}{d}_j{\mathrm{\λ}}_D/2\mathrm{\λ})}---\left(2\right)$

其中：n_j为第j层膜的折射率，Y₀等于基底折射率，d_j为第j层膜的厚度系数；

将该第j层膜与基底的组合导纳Y_j代入公式(1)得到第j层膜的厚度系数从0变化到d_j+1时的透射率变化曲线，从该透射率变化曲线找到第j层膜停镀点之前的第一个理论极值点的透射率值T′_j1、第二个理论极值点的透射率值T′_j2、理论停镀点的透射率T′_jC和停镀点之后的第一个理论极值点的透射率T′_j3；

③对每一膜层的当前监控波长λ进行有效性判断：

当满足|T′_j1-T′_j2|＞12％和

时，则进入第④步，

当不能同时满足|T′_j1-T′_j2|＞12％和

则进入第⑤步；

④当j≤K时，则令j＝j+1，然后开始重复步骤②和③进行第j+1膜层的计算；

当j＞K，则令K＝j，且K小于总的膜层数M时，则令j＝j+1，然后重复步骤②和③进行第j+1膜层的计算；

当j＞K，则令K＝j，且K＝总的膜层数M时，进入步骤⑨；

⑤令监控波长λ＝λ-1nm，当λ≥λ_Min时，重复上述步骤②和③，寻找满足上述限制条件的监控波长λ；

当λ＜λ_Min且判别数F等于0，同时满足d₁×λ_D≥2.06×λ_Min时，则进入第⑦步；

当λ＜λ_Min且判别数F等于0，同时d₁×λ_D＜2.06×λ_Min时，则进入第⑥步；

当λ＜λ_Min且判别数F不等于0时，则进入步骤⑧；

⑥根据下列公式(3)计算第1层至第K层膜的膜厚误差的敏感度S_q：

S_q＝|Target_λ1-T_jλ1|+|Target_λ2-T_jλ2|         (3)

其中，q＝1、…、K；Target_λ1为所镀制膜系的波长λ₁的透射率优化目标，Target_λ2为所镀制膜系的波长λ₂的透射率优化目标，T_jλ1和T_jλ2分别为第j层膜的厚度系数为d_j+0.01时的波长λ₁和λ₂处的透射率；

对K层之前K个膜层的膜厚误差的敏感度S_q进行比较，并将最小的高折射率膜层称为第q膜层，将第q层之后的膜层作为新的膜系，该新膜系采用新监控片进行镀膜监控，则令监控片数目为W＝W+1，由于第q层之前的各个膜层已经找到满足限制条件的第一监控波长λ，令满足限制条件的层数K＝q-1，对所述的新膜系重新初始化监控波长λ＝d_q×λ_D/1.03，如果λ＞＝λ_Max，取λ＝λ_Max；然后重复步骤②和③开始寻找满足上述限制条件的监控波长λ；

⑦将第一层膜拆分成厚度系数分别D₁和D₂的两层膜，其中D₁＝1.03×λ_Min/λ_D，D₂＝d₁-D₁，监控片数目W＝W+1，同时令判别数F＝1，表明已经将第一层膜拆分成两层，厚度系数为D₁的膜层采用第1号监控片进行监控，监控波长λ_min＝D₁×λ_D/1.03，由于该层满足限制条件，则满足限制条件的层数K＝1；

厚度系数为D₂的膜层和该膜层之后的膜层作为新膜系利用第2号的监控片进行监控，重新初始化监控波长λ＝D₂×λ_D/103，如果λ＞λ_Max，取λ＝λ_Max；重复步骤②和③，寻找满足上述限制条件的第二监控波长λ；

⑧重新对D₁和D₂进行赋值，令D₁＝D₁+0.01，D₂＝D₂-0.01，

当满足D₂×λ_D＞1.03×λ_Min时，计算厚度系数为D1的膜层的监控波长λ＝D₁×λ_D/1.03，由于该层满足限制条件，则K＝1；

然后对厚度系数为D₂的膜层和该膜层之后的膜层作为新膜系，利用新监控片进行监控，重新初始化监控波长λ＝D₂×λ_D/1.03，如果λ＞λ_Max，取λ＝λ_Max；重复步骤②和③，寻找满足上述限制条件的监控波长λ；

当D₂×λ_D≤1.03×λ_Min时，令判别数F等于0时，进入步骤⑥；⑨输出拆分后的膜系、每层膜的监控波长和相应的监控片数目。

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