CN102620664A

CN102620664A - 一种检测光学镀膜机镀膜膜厚均匀性的方法

Info

Publication number: CN102620664A
Application number: CN2011100316532A
Authority: CN
Inventors: 袁宏韬; 袁磊; 彭钦军; 崔大复; 许祖彦
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: CN102620664B

Abstract

一种检测光学镀膜机镀膜膜厚均匀性的方法，包括下列步骤：第一步：设计本发明双腔滤光片膜系；第二步：模拟计算膜层厚度变化对所诉双腔滤光片峰值透过率及中心波长的影响；第三步：计算尖峰极值点透过率比值与膜层光学厚度比值，中心波长与总光学厚度，两组数学关系。第四步：根据第三步的数学关系，求解计算膜厚的公式；第五步：从工件盘中心到边缘摆放数量大于2的基片，沉积本发明所述双腔滤光片，测量出每一片的中心波长和尖峰极值透过率，用第四步的公式计算出每一片两种膜层厚度，得到镀膜机镀膜膜厚度分布即膜厚均匀性。实验表明：本发明可以快速准确获得光学镀膜机镀膜膜厚均匀性数据，为镀膜机镀膜膜厚均匀性修正提供依据。

Description

一种检测光学镀膜机镀膜膜厚均匀性的方法

技术领域

本发明涉及光学薄膜，特别是一种能准确有效检测光学镀膜机上镀膜厚度均匀性的方法。

背景技术

光学干涉薄膜技术是光学学科与技术最为重要和最为普及的分支学科之一。在现代光学学科中很难找到不使用单层或多层薄膜的光学元件。它已被广泛的应用于人们的日常生活、工业、农业，建筑、交通运输、医学、天文学、军事和航天等领域。这些薄膜不仅改善系统性能，而且是满足设计目标和作用功能所必须的手段。没有光学薄膜，这些系统将不复存在。

光学薄膜是在光学镀膜机中沉积生成的，光学镀膜机镀膜膜厚度均匀性的控制是光学薄膜生产过程中的一个重要问题。所谓膜厚均匀性是指待镀膜基片上所镀的膜厚随着基片在镀膜机真空室内所处的位置变化而变化的一种性质。镀膜机镀膜膜厚均匀性直接关系到产品的良率和薄膜的质量。镀膜机镀膜膜厚均匀性可以通过改变镀膜机的配置或添加修正挡板实现，而准确获得膜厚均匀性数据则是进行均匀性修正的前提。

镀膜机镀膜膜厚均匀性的检测通常可以采用沉积测量单层膜或法-泊滤光片来实现。采用单层膜法检测膜层厚度的分布需要沉积比较厚的单层膜，再根据单层膜光谱极值点计算膜厚，这种方法最简单，但准确性较差，不能满足高精度镀膜要求。采用法-泊滤光片法检测膜厚的分布则需要分别沉积间隔层为高、低折射率材料的法-泊滤光片，再分别测量各自的中心波长，最后计算出高、低折射率膜层的厚度，此种方法的准确性很高，但过程复杂，增加了解决问题的劳动量与成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种准确有效的检测光学镀膜机镀膜膜厚均匀性的方法，沉积本发明所述的双腔滤光片，沉积一次就可以准确确定出构成双腔滤光片两种镀膜材料的膜厚分布。本方法适用于各种光学镀膜机沉积各种介质光学薄膜，尤其适用于镀膜机交替沉积两种折射率镀膜材料的镀膜方式。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的光学镀膜机镀膜膜厚均匀性的检测方法，其包括如下步骤：

第一步：设计一双腔滤光片膜系，该双腔滤光片膜系为S/(HL)^a(HH)^d(LH)^b(LL)^e(HL)^c/Air的；

其中，S代表基底，Air代表空气，H和L分别代表光学厚度为λ₀/4的M1材料膜层和M2材料膜层，λ₀为参考波长，且M1材料膜层的折射率大于M2材料膜层的折射率；a、b、c、d和e均为整数，代表膜层的重复次数；(HL)^a为依次沉积H膜层和L膜层并重复a次；(HH)^d为依次沉积H膜层和H膜层并重复d次；(LH)^b为依次沉积L膜层和H膜层并重复b次；(LL)^e为依次沉积L膜层和L膜层并重复e次；(HL)^c为依次沉积H膜层和L膜层并重复c次；

所述双腔滤光片膜系是指：在S基底上依次沉积(HL)^a、(HH)^d、(LH)^b、(LL)^e和(HL)^c，所述(HL)^c与Air临界；

按此双腔滤光片膜系的镀膜为一个双腔滤光片，在其中心波长两侧各有一个透射尖峰，如图1所示，横坐标为波长，纵坐标为透过率；

第二步：针对上述双腔滤光片膜系，分别改变M1材料膜层和M2材料膜层的光学厚度，利用光学薄膜设计软件计算出双腔滤光片中心波长λ_c，透射尖峰的透过率，填入表2，再计算出双腔滤光片总光学厚度TOT＝(OT)_H+(OT)_L，M1材料膜层与M2材料膜层光学厚度比

左尖峰极值透过率与右尖峰极值透过率比

填入表1；

表1为：M1材料膜层和M2材料膜层不同光学厚度下的模拟计算数据

第三步：以上一步计算出的左尖峰极值点透过率与右尖峰极值点透过率比值为横坐标，对应M1材料膜层光学厚度与M2材料膜层光学厚度比值为纵坐标绘制散点图，如图2a所示，进行拟合计算，求出第一拟合函数：

\frac{{(OT)}_{H}}{{(OT)}_{L}} = k_{1} \frac{T_{left}}{T_{right}} + C_{1};

(k₁，C₁为拟合计算出的常数)

以上一步计算出的中心波长为横坐标，对应双腔滤光片总光学厚度为纵坐标，绘制散点图，如图2b所示，进行拟合计算，求出第二拟合函数：

TOT＝k₂λ_c+C₂；(k₂，C₂为拟合计算出的常数)

TOT为双腔滤光片的总光学厚度，λc为中心波长；

第四步：根据第一拟合函数和第二拟合函数，推导出能够由测量得到的双腔滤光片中心波长、尖峰极值透过率计算出两种膜层厚度的数学公式，如下：

\{\begin{matrix} {(OT)}_{H}^{i} = k_{2} λ_{c}^{i} + C_{2} - \frac{k_{2} λ_{c}^{i} T_{right}^{i} + C_{2} T_{right}^{i}}{k_{1} T_{left}^{i} + T_{left}^{i} + C_{1} T_{right}^{i}} \\ {(OT)}_{L}^{i} = \frac{k_{2} λ_{c}^{i} T_{right}^{i} + C_{2} T_{right}^{i}}{k_{1} T_{left}^{i} + T_{left}^{i} + C_{1} T_{right}^{i}} \end{matrix}

其中，1≤i≤j，j≥2，i代表第i个S基片或该基片所处位置；

第五步：从光学镀膜机工件盘中心到边缘摆放数量大于2片的S基片，沉积第一步所述双腔滤光片膜系，测量出每一片双腔滤光片的中心波长和尖峰极值透过率，用第四步的公式计算出每一片两种膜层厚度；最后，以基片在工件盘上的位置为横坐标，对应的膜层厚度为纵坐标，绘制散点图，最终得到膜层厚度的随位置的分布，即膜厚均匀性。

附图说明

图1为双腔滤光片透过率曲线；

图2a为双尖峰极值透过率比与M1材料膜层/M2材料膜层光学厚度比关系；

图2b为中心波长与总光学厚度关系；

图3a为双尖峰极值透过率比与TiO₂/SiO₂光学厚度比关系；

图3b为中心波长与总光学厚度关系；

图4为未加修正前在工件盘不同位置沉积的双腔滤光片透过率曲线；

图5a为未加修正前TiO₂膜层均匀性；

图5b为未加修正前SiO₂膜层均匀性；

图6为修正后在工件盘不同位置沉积的双腔滤光片透过率曲线；

图7a为修正后TiO₂膜层均匀性；

图7b为修正后SiO₂膜层均匀性；

表1为M1材料膜层和M2材料膜层不同光学厚度下的模拟计算数据；

表2为TiO₂膜层和SiO₂膜层不同光学厚度下的模拟计算数据；

表3为未加修正前测量和计算数据；

表4为修正后的测量和计算数据。

具体实施方式

下面结合实施例和附图、附表进一步说明本发明。

本发明方案的根据说明如下：

光学镀膜机镀膜膜厚均匀性是光学薄膜生产中普遍存在的问题，准确获得膜厚均匀性数据是进行均匀性修正的前提。

本发明提供的结构为S/(HL)^a(HH)^d(LH)^b(LL)^e(HL)^c/Air的双腔滤光片膜系，这种双腔滤光片具有一种独特的性质^[1]现代光学薄膜技术.唐晋发，顾培夫，刘旭，李海峰.P140-146.杭州：浙江大学出版社，2006，即，构成双腔滤光片的两种材料膜层光学厚度比值与双尖峰透过率比值的关系，总光学厚度与双腔滤光片中心波长关系，这两组关系都是一一对应的线性关系；基于这种关系，通过测量实际沉积的双腔滤光片的中心波长，透射尖峰极值透过率，就可以计算出两种膜层厚度，从而得到光学镀膜机的工件盘上的两种膜层的厚度分布，即膜厚均匀性；沉积一次就可以获得两种膜层的膜厚均匀性。

本发明具体步骤如下：

第一步：如要对某一光学镀膜机沉积M1材料膜层和M2材料膜层的膜厚均匀性进行检测，首先采用光学薄膜设计软件设计如下膜系：

S/(HL)^a(HH)^d(LH)^b(LL)^e(HL)^c/Air；

所述膜系是指：在基底S上依次沉积(HL)^a、(HH)^d、(LH)^b、(LL)^e和(HL)^c，所述(HL)^c与Air临界；

此膜系为一双腔滤光片，在中心波长两侧各有一个透射尖峰，如图1所示，横坐标为波长，纵坐标为透过率；a，b，c，d，e数值越大，透射尖峰越尖锐，尖峰的极值透过率随M1材料膜层、M2材料膜层厚度的变化越敏感；

第二步：针对第一步设计的膜系，分别改变M1材料膜层和M2材料膜层的光学厚度，利用光学薄膜设计软件计算出所述双腔滤光片中心波长λ_c，透射尖峰的透过率，填入表1；再计算出总光学厚度TOT＝(OT)_H+(OT)_L，M1材料膜层与M2材料膜层光学厚度比

左尖峰极值透过率与右尖峰透过率极值比

填入表1；

第三步：以第二步计算出的左尖峰极值点透过率与右尖峰极值点透过率比值为横坐标，对应M1材料膜层光学厚度与M2材料膜层光学厚度比值为纵坐标绘制散点图，如图2a所示，进行线性拟合计算，求出第一拟合函数，如式(1)所示；

\frac{{(OT)}_{H}}{{(OT)}_{L}} = k_{1} \frac{T_{left}}{T_{right}} + C_{1}

(k₁，C₁为拟合计算出的常数)(1)

其中(OT)_H为M1材料膜层的光学厚度，(OT)_L为M2材料膜层的光学厚度，T_left和T_right为左尖峰极值透过率和右尖峰透过率极值；

以第二步计算出的中心波长为横坐标，对应总光学厚度为纵坐标，绘制散点图，如图2b所示，进行线性拟合计算，求出第二拟合函数，如式(2)所示；

TOT＝k₂λ_c+C₂(k₂，C₂为拟合计算出的常数)(2)

TOT为总光学厚度，λc为中心波长；

这两种关系都是一一对应的线性关系，即一个中心波长对应一个总光学厚度，一个透过率比对应一个光学厚度比，因此在得到这两条线性关系后，通过测量实际沉积所述双腔滤光片的中心波长、尖峰极值透过率，就可以计算出M1材料膜层、M2材料膜层厚度，从而得到工件盘上的两种膜层的厚度分布，即膜厚均匀性；

第四步：根据第三步的第一和第二拟合函数，推导出能够由测量得到的中心波长、尖峰极值透过率计算出两种膜层厚度的数学公式；计算公式如式(3)和(4)所示：

{(OT)}_{H}^{i} = k_{2} λ_{c}^{i} + C_{2} - \frac{k_{2} λ_{c}^{i} T_{right}^{i} + C_{2} T_{right}^{i}}{k_{1} T_{left}^{i} + T_{left}^{i} + C_{1} T_{right}^{i}} - - - (3)

{(OT)}_{L}^{i} = \frac{k_{2} λ_{c}^{i} T_{right}^{i} + C_{2} T_{right}^{i}}{k_{1} T_{left}^{i} + T_{right}^{i} + C_{1} T_{right}^{i}} - - - (4)

其中，1≤i≤j，j≥2，i代表第i个基片或该基片所处位置；

第五步：从光学镀膜机工件盘中心到边缘摆放数量大于2片的S基片，沉积第一步设计的膜系，测量出每一片所述双腔滤光片的中心波长和尖峰极值透过率，用第四步的公式计算出每一片两种膜层的厚度，以基片在工件盘上的位置为横坐标，对应的膜层厚度为纵坐标，绘制散点图，最终得到膜层厚度的分布即均匀性。

实施例1：

现以在ZZS-800镀膜机上蒸镀TiO₂薄膜和SiO₂薄膜为例说明采用本发明检测镀膜膜厚均匀性的步骤及结果：

第一步：采用薄膜设计软件设计膜系，本实施例中采用如下参数a＝b＝c＝4，d＝e＝1，膜系结构为S/(HL)⁴(HH)(LH)⁴(LL)(HL)⁴/Air，S代表K9玻璃基底，Air代表空气；H和L分别代表光学厚度为λ₀/4的TiO₂膜层和SiO₂膜层，λ₀为参考波长，本实施例取λ₀＝600nm；设计曲线如图1所示；

第二步：针对第二步设计的膜系，分别改变TiO₂膜层和SiO₂膜层的光学厚度，利用光学薄膜设计软件，计算出所述双腔滤光片的中心波长λ_c，透射尖峰透过率，填入表2，再计算出总光学厚度TOT＝(OT)_TiO2+(OT)_SiO2，TiO2膜层与SiO2膜层光学厚度比

左尖峰极值透过率与右尖峰透过率极值比

填入表2。(OT)_TiO2代表TiO₂膜层光学厚度，(OT)_SiO2代表SiO₂膜层光学厚度；

表2：TiO₂膜层、SiO₂膜层不同光学厚度下的模拟计算数据

第三步：以第二步计算出的左尖峰极值点透过率与右尖峰极值点透过率比值为横坐标，对应TiO₂膜层光学厚度与SiO₂膜层光学厚度比值为纵坐标绘制散点图，如图3a所示，进行线性拟合计算，求出第一拟合函数，如式(5)所示；以第二步计算出的中心波长为横坐标，对应总光学厚度为纵坐标，绘制散点图，如图3b所示，进行线性拟合计算，求出第二拟合函数，如式(6)所示；

\frac{{(OT)}_{TiO 2}}{{(OT)}_{SiO 2}} = 0.1315 * \frac{T_{left}}{T_{right}} + 0.8679 - - - (5)

TOT＝0.0479*λ_c-0.7648(6)

第五步：根据第三步的第一和第二拟合函数，推导出能够由测量得到的所述双腔滤光片中心波长、尖峰极值透过率计算出两种膜层厚度的数学公式，如式(7)和(8)所示：

其中，1≤i≤j，j≥2，i代表第i个基片或该基片所处位置；

第五步：从ZZS-800镀膜机工件盘中心到边缘摆放7片基片，相邻两片间隔30mm，沉积第一步设计的双腔滤光片，测量出每一片的中心波长和尖峰极值透过率，用第四步的公式(7)和(8)计算出每一片两种膜层的厚度，以基片在夹具上的位置为横坐标，对应的膜层厚度为纵坐标，绘制散点图，最终得到膜层厚度的分布即均匀性。

光学镀膜机镀膜膜厚的均匀性可以通过添加修正挡板得到改善；本实施例中分别检测未添加修正挡板和添加修正挡板情况下工件盘上的均匀性，意在通过对比验证本发明的有效性。

先检测未加均匀性修正的膜厚分布；图4为未加修正在工件盘不同位置沉积的双腔滤光片透过率曲线，R代表工件盘上不同位置，横坐标为波长，纵坐标为透过率，曲线比较离散，可以粗略推断均匀性不是很好；测量和计算的数据列于表3，膜厚随位置的分布如图5a和图5b所示，这里，厚度进行了归一化处理，方便分析不同位置膜厚的相对变化；本实施例中，膜厚均匀性U的定义为：膜厚数据中的最大值减去最小值的差除以平均值再乘以百分之百；理想状况下，均匀性为零，所以U值越趋近于零表明均匀性越好。从数据中可以看出，未加修正前，TiO₂膜厚均匀性为3.92％，SiO₂膜厚均匀性为3.59％，工件盘上的膜厚均匀性较差。

表3：未加修正前测量和计算数据

再检测修正后的膜厚分布；图6为修正后在工件盘不同位置沉积的双腔滤光片透过率曲线，R代表工件盘上不同位置，横坐标为波长，纵坐标为透过率，曲线很集中，可以推断均匀性较好；测量和计算数据列于表4，膜厚随位置的分布如图7a和图7b所示，这里，厚度进行了归一化处理。可以看出，修正后，TiO₂膜厚均匀性为0.44％，SiO₂膜厚均匀性为0.1％，工件盘上的膜厚均匀性得到了很大改善；证明本发明能快速准确测量出修正挡板对均匀性的改善效果，为均匀性的修正提供依据。

表4：修正后的测量和计算数据

Claims

1.一种检测光学镀膜机镀膜膜厚均匀性的方法，其特征在于，在光学镀膜机上沉积由M1材料膜层和M2材料膜层构成的双腔滤光片，通过测量该双腔滤光片中心波长和尖峰极值透过率，计算出光学镀膜机上沉积的M1材料膜层和M2材料膜层的厚度均匀性，其具体步骤如下：

第二步：从光学镀膜机工件盘中心到边缘摆放数量大于2片的S基片，在S基片上沉积第一步所述双腔滤光片膜系；

第三步：测量每一片双腔滤光片的中心波长和尖峰极值透过率，将相应数据填入均匀性计算数据备用表；

表中涉及：M1材料膜层光学厚度(OT)_H；M2材料膜层光学厚度(OT)_L；双腔滤光片左尖峰极值点透过率T_left；双腔滤光片右尖峰极值点透过率T_right；双腔滤光片中心波长λc；S基片的数量j；j≥2；

第四步：将第三步均匀性计算数据备用表中的测量数据代入下面的公式，计算出每一片的M1材料膜层光学厚度(OT)_H与M2材料膜层光学厚度(OT)_L；所述公式为：

\{\begin{matrix} {(OT)}_{H}^{i} = k_{2} λ_{c}^{i} + C_{2} - \frac{k_{2} λ_{c}^{i} T_{right}^{i} + C_{2} T_{right}^{i}}{k_{1} T_{left}^{i} + T_{left}^{i} + C_{1} T_{right}^{i}} \\ {(OT)}_{L}^{i} = \frac{k_{2} λ_{c}^{i} T_{right}^{i} + C_{2} T_{right}^{i}}{k_{1} T_{left}^{i} + T_{left}^{i} + C_{1} T_{right}^{i}} \end{matrix};

其中，1≤i≤j，i代表第i个S基片或该基片所处位置，k₁，k₂，C₁和C₂为拟合计算出的常数；

第五步：以S基片在工件盘上的位置为横坐标，对应的膜层厚度为纵坐标，绘制散点图，最终得到膜层厚度随位置的分布，即膜层厚度均匀性；