CN102980522A - 一种快速反演薄膜生长厚度的光学监控追迹方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速反演薄膜生长厚度的光学监控追迹方法，属于薄膜生长光学监控技术领域。该方法建立了一种有别于导纳追迹方式的光学监控追迹方式，以膜系透射率的倒数及膜层等效位相厚度同时作为追迹对象，可以在监控过程中实时看到薄膜生长过程中光学特性的变化，并建立直观的监控透射率信号与膜层厚度的对应关系，完成薄膜生长厚度的监控。根据设计参数进行理论计算并作好预期追迹图像，通过实际光学监控信号的极值点来修正预期追迹图像，完成实际追迹图像，获得实际膜层折射率,从而修正膜系设计参数，并进行不同膜层间厚度的自动补偿。

Description

一种快速反演薄膜生长厚度的光学监控追迹方法

技术领域

本发明涉及薄膜生长光学监控技术，具体涉及一种快速反演薄膜生长厚度的光学监控追迹方法。

背景技术

光学薄膜生长的光学特性的好坏取决于对生长的膜层折射率及厚度参数的精确掌握和控制。传统上的监控方法有时间监控、石英晶振监控和光强值的光学监控，前两者对于膜层的折射率无法进行获取，对于膜层的光学厚度的控制存在较大误差。光学监控方法可以同时获取膜层的折射率及厚度生长信息，被认为是光学薄膜生长监控中最有效的方法之一。一般来讲，光学监控直接获得的信号是生长薄膜的透射光或反射光的光强信号。为了得到薄膜的生长厚度及折射率，我们需要对监控信号进行持续的追迹，然后通过计算反演才能获得薄膜生长信息。最早的光学监控追迹以膜层生长时间为横坐标，以监控光信号为纵坐标进行实时记录，如图1所示。这种方法一般用于规整厚度的薄膜监控时，但是由于极值点信号相对膜层生长厚度不敏感，存在厚度判断误差较大的问题。用于非规整厚度的薄膜生长监控时，由于膜层实际折射率与理论设计偏差的影响，监控容易失效。目前先进的光学监控采用导纳追迹方式，通过对薄膜与基底组合导纳的实时计算，画出薄膜生长过程中的组合导纳追迹图，然后通过比较和分析实际与预期的导纳图，进行膜层折射率修正以及厚度的自动补偿，如图2。图中，虚线代表预期的组合导纳图，实线代表实际的组合导纳图。作为直接显示在镀膜工作者面前的追迹图像，导纳图很难直观地将薄膜的光学特性及膜层厚度信息直接对应起来，特别是当组合导纳不在实轴时，即非规整膜厚的监控时。而当组合导纳位于实轴上，代表膜层厚度对应规整厚度，光信号对应极值，而这个位置正好是光学监控不灵敏区。

因此，在对非规整厚度光学薄膜高精度监控的要求下，一般的光学监控追迹方式很难兼具直观的膜系光学特性表征以及快速的膜层生长厚度反演功能。

发明内容

本发明目的是能获得直观的膜系光学特性表征，能根据光学监控信号快速反演得到膜层生长厚度，并能在实际镀膜与预期不同的时候进行膜层折射率修正及膜层间厚度自动补偿。

为了达到以上目的和作用，本发明提出一种光学监控追迹方式作为薄膜生长光学监控的依据，其特征在于以直角坐标系下的点坐标

为目标对象进行追迹，追迹图像为以(0.5(1/T_E+1/T_S),0)为圆心的一段圆弧，圆弧的弧度为膜层的位相厚度的两倍。其中，T表示从真空或空气介质垂直入射到生长薄膜的基底介质的膜系透射率，T_E和T_S分别表示当前膜层生长过程中可能出现的T的两个极值点，

表示当前膜层对应的等效位相厚度（

为π/2的偶数倍和奇数倍时，T分别对应T_S和T_E）。追迹的理论依据来源于经由薄膜特征矩阵推导得到的公式(1)，其追迹的图解如图3所示：

从图3的追迹原理图中可以很清晰地看到薄膜监控过程中膜系透射率倒数与膜层生长厚度的对应关系，达到直观的监控效果要求。其中，理论预期的T_E和T_S可经由薄膜特征矩阵公式计算获得，同时，由实际获得的T_E和T_S值可以计算得到膜系的组合导纳n_E和n_S，根据膜层折射率可以非常方便地获得实际膜层的折射率，进而修正膜层的折射率偏差。根据实际获得的T_E和T_S值以及即时采集监控信号而获得的T值，同样很简单地获得了膜层实际的等效位相厚度。本发明的追迹方式在同一膜层生长过程中获得两个信号极值点后，就可以不依赖前面膜层的生长信息而独立地获取膜层生长信息，并且能对前面膜层厚度的累积误差进行补偿，具有非常高的厚度判停精度，特别适用于非规整膜层厚度的监控。

对于多层膜的生长监控的追迹原理，如图4所示。根据膜层1的生长完成后的等效位相厚度

对应的两个膜系透射率极值T_1S和T_1E以及膜层2的折射率n₂，经过薄膜特征矩阵的数值计算，得到膜层2的预期初始生长信息，包括初始等效位相厚度

预期膜系透射率极值T_2S和T_2E，然后根据理论设计的膜层2的生长位相厚度要求δ₂，算出目标等效位相厚度以及对应的判停透射率值并标示判停坐标点。当经过一个极值点，经由理论计算反演可以对n₂和

中较不可靠的参数进行修正，而当连续经过两个极值点，则可以对n₂和

同时进行修正，并作出修正后的追迹图像，补偿前面累积厚度误差。

在公式(1)中，T表示镀膜面单面正入射透射率，设透明基底另一面的正入射透射率为T_b，则可以获得基片两面的整体正入射透射率T_d与T和T_b的关系可以表示成公式(2)的形式：

$\frac{1}{T}=\frac{1}{T_d}+1-\frac{1}{T_b}---\left(2\right)$

将公式(2)代入公式(1)中，可以获得基片两面的整体正入射透射率在薄膜生长过程中的变化满足公式(3)：

其中，T_dS和T_dE分别表示镀膜面单面透射率为T_S和T_E时基片两面的整体透射率，计算根据为公式(2)。公式(3)表明：此监控追迹方式同样适用于基片两面透射率（即原始监控信号）快速反演膜层生长厚度。

本发明提出一种新的追迹方式作为薄膜生长的光学监控方式，其实施采用的监控系统装置与传统光学监控系统装置一致，但是通过改进监控信号的处理方法，将膜系的透射率倒数与膜层等效位相厚度的关系以一种监控追迹图像呈现出来。根据预期与实际追迹图像的差异，采用计算机进行数据处理，获得膜层的实际折射率和膜层厚度变化，并对当前膜层生长前的累积厚度误差进行有效的补偿。本发明的实施步骤如下，同时参见附图5：

（1）根据前面膜层的生长监控情况以及当前膜层的设计参数，采用薄膜特征矩阵理论计算出当前膜层的初始生长等效位相厚度

和结束等效位相厚度

以及膜层生长过程中可能出现的两个膜系透射率极值T_S和T_E，以直角坐标系下的点坐标

为追迹点作出预期追迹图像。

（2）对于不经历任何透射率极值的膜层生长，根据预期结束信息（T_S，T_E，

）采用公式(1)计算得到对应的透射率值T_end，标示预期结束坐标点，作为结束生长的参考。

（3）对于生长经历一个极值点的膜层，根据当前膜层折射率n的可能偏离情况以及前面膜层控制的误差情况（反映为的误差），对n或者

进行修正。而对连续经历两个及以上极值点的情况，可以对n和

同时进行修正，并更新预期追迹图像作为后面生长厚度判断的依据。

（4）根据修正后的参数，重复(2)~(3)步骤，直到实时追迹点与预期结束坐标点重叠，完成判停。

（5）当多层膜膜系的整体完成后，结束生长；如未完成，则重复(1)~(4)步骤，直到整个膜系镀制完成。

本发明的优点在于：本发明克服了传统透射率-生长时间追迹方式无法监控非规整厚度薄膜生长且规整厚度薄膜生长监控不灵敏的缺点，克服了导纳追迹方式无法获得直观膜系光学特性和无法快速进行薄膜生长厚度反演的缺点。

附图说明

为了使本发明之目的、原理、功能更清晰表示出来，采用了一些附图进行说明，并在接下来的具体实施方式中以实例进一步阐明本发明的特点。附图说明如下：

图1是常见的透射率-生长时间光学监控追迹方式，横坐标为薄膜生长时间，纵坐标为监控的透射率（反射率）。

图2是光学监控的导纳追迹方式，参数Y表示薄膜与基底的组合导纳，横坐标为组合导纳的实部，纵坐标为组合导纳的虚部。

图3是本发明提出的透射率倒数-位相厚度追迹方式的原理图，追迹点坐标为

追迹点作出的圆弧对应的弧度为当前膜层对应的位相厚度的两倍。

图4是本发明应用于多层膜监控的原理图，T表示薄膜生长过程中膜系的透射率，T_1E、T_1S和T_2E、T_2S分别表示膜层1和膜层2生长过程中可能出现的T的两个极值点，表示膜层1和膜层2生长完成时对应的等效位相厚度，

表示膜层2开始生长前对应的膜层2的初始等效位相厚度，δ₂表示膜层2设计的位相厚度，

图5是本发明的实施步骤的流程图。

图6是本发明应用于三层膜生长实例的光学监控追迹图像。其中，1、2、3分别表示三层膜的实际追迹点的轨迹，4、5代表第一层结束第二层开始的膜系透射率值和第二层结束第三层开始的膜系透射率值，上标“′”和“〞”表示理论设计时的追迹图像和镀膜过程中对下一膜层的预期追迹图像。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明的实施方案，图6给出了一个非规整膜系的三层增透膜生长监控的具体追迹实例，点虚线代表理论设计的追迹图像，短划线代表当前膜层生长完成后对下一膜层的预期追迹图像，实线代表每一膜层的实际追迹图像。在监控过程中对每一层的等效位相厚度

保持与设计的等效位相厚度

相同。在监控追迹过程中，第一膜层的预期追迹图像与理论设计追迹图像一样，而实际追迹图像由于经历了一个透射率极值点，实现了对膜层折射率n的修正，因此实际追迹图像与理论设计追迹图像偏离。修正的结果同时使得第二膜层的预期追迹图像和理论设计追迹图像偏离，但是由于第二膜层并未经历任何透射率极值点，无法进行第二膜层的等效位相厚度或折射率的修正，因此第二膜层的实际追迹图像与预期追迹图像重叠，这会使得第二膜层累积一定的厚度监控误差，表现为等效位相厚度

存在误差，这会导致第三膜层的初始等效位相厚度计算产生误差。对于第三膜层，由于前面膜层参数的修正，预期的追迹图像偏离理论设计追迹图像，同时由于第三膜层生长经历透射率极值点，实际的追迹图像与预期追迹图像偏离，实现了对累积厚度误差的补偿。

本发明具有以下一些特点：

（1）采用的追迹图像同时包含了膜系透射率（反射率）和膜层位相厚度信息，很方便建立监控光学信号与膜层厚度的对应关系，方便监控；

（2）通过追迹图像很方便获得各个膜层的初始位相厚度及结束位相厚度，实现对单一膜层厚度精确控制，可以实现对规整厚度和非规整厚度薄膜的高精度监控；

（3）利用监控信号的极值点信息很方便实现膜层折射率修正、膜层间位相厚度的补偿；

（4）与现有监控系统完全的兼容，只需进行信号处理方式的改进，不需要做任何硬件改动，即可实现本发明的光学监控追迹方式；

终上所述，本发明公布了一种快速反演薄膜生长厚度的光学监控追迹方法，以膜系透射率倒数及膜层等效位相厚度同时作为追迹对象，其作用在于可以在监控过程中实时看到薄膜生长过程中光学特性的变化，并直观显示膜系透射率信号与膜层位相厚度的对应关系，对规整膜厚和非规整膜厚生长均具有高精度的控制，根据实际的追迹图像能完成对膜层折射率的修正，并对前面膜层的累积误差完成补偿功能。本发明兼容性强，可以很方便地加入现有的任何光学监控系统，实现更先进、更可靠的监控。

以上所述的采用本发明方法进行三层增透膜镀制的实例，是为了进一步阐述本发明的设计思路及实施方案，但本发明不仅限于对此种类薄膜的监控。本发明实施应用同样适用于其他类型的光学薄膜的生长监控。因此，凡依本发明所述之方法、内容及权利要求范围而进行形式变化的等效方法，均属于本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (1)

1.一种快速反演薄膜生长厚度的光学监控追迹方法，其特征在于包括以下步骤：

1)．根据膜系设计参数进行薄膜特征矩阵的理论计算，以膜系垂直透射率T的倒数及膜层等效位相厚度

同时作为追迹对象，在直角坐标系中以坐标点

的轨迹变化，作出薄膜生长监控的预期追迹图像，其中T_E和T_S表示T的两个极值点，对应膜层等效位相厚度为π/2的奇数倍和偶数倍；

2)．实施薄膜生长，即时采集监控单色光的透射光或反射光光强信号，计算出对应的膜系透射率倒数值，在预期追迹图像上绘制追迹点的轨迹图像，如预期追迹图像已被修正则在最新修正的预期追迹图像上绘制追迹点的轨迹图像；

3)．根据监控过程中出现的透射光或反射光光强信号极值，修正预期追迹图像，修正膜层折射率及膜层位相厚度，并对前面膜层的累积厚度误差进行补偿；

4)．重复步骤2）和步骤3）直到追迹点与预期结束点重合，完成当前膜层生长；

5)．进入下一膜层生长，重复步骤1）至步骤4），直到完成所有膜层生长监控。

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