CN103105190B - 一种镀膜速率的精确标定方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镀膜速率的精确标定方法及其应用，方法为：制备包括衬底和干涉膜的标准基片；制备方法为：在衬底上引入一层足以形成干涉的干涉膜；测量标准基片的透射谱或反射谱；将待测速率薄膜镀制在标准基片上一段时间；测量镀膜后的标准基片的透射谱或反射谱；比较镀膜前后透射谱或反射谱，根据峰位的变化量计算出镀膜厚度从而计算出镀膜速率。本发明在衬底上预先引入一层足以形成干涉的干涉膜，在此基础上，只要在标准基片上镀制厚度极薄的待测薄膜，即可引起干涉峰位的明显偏移，远远高于传统方法直接在衬底上镀制待测薄膜前后透射谱的强度变化，可以显著提升标定精度，特别适用于在线检测和实时监控，尤其适合对超低镀膜速率的精确标定。

Description

一种镀膜速率的精确标定方法及其应用

技术领域

本发明涉及薄膜领域，特别涉及一种镀膜速率的精确标定方法及其应用。

背景技术

薄膜技术在科技发展中起着日益广泛和重要的作用，膜厚监控技术作为薄膜技术中的一项关键技术也引起了人们越来越多的重视。而镀膜速率在工艺中对光学器件的设计、功能的实现及控制至关重要，尤其是随着软X射线多层膜技术的深入发展，在短波波段对镀膜的精确性要求越来越高，准确测量出各点的镀膜速率，并严格控制测量精度成为影响其发展的重要因素之一。

对于软X射线多层膜而言，由于厚度极薄，其镀膜速率无法直接标定，厚度难以精确控制，通常所采用的长时间累积测厚来推算其镀膜速率的方式误差很大，从而导致高性能软X射线多层膜的镀制难度很高。因此，能够精确标定镀膜速率对薄膜实际厚度的控制具有非常重要的意义。

现所普遍采用的速率测算方法中，常用方法主要有光学监控法和石英晶振法：光学监控法一般通过镀膜前后的透射光谱的变化来进行速率监控，其有着广泛的优点，比如可以直接测量光学厚度的镀膜速率，并能测出薄膜折射率、结构、吸收等相关信息，因此可以在单位时间内对某些膜系厚度误差进行自动补偿，最终完成膜厚监控，所以光学监控法是光学薄膜镀膜监控中使用最多的方法。但镀膜速率较低时，尤其是所镀薄膜厚度不足四分之一监控波长时，光谱中含有的厚度信息显著下降，拟合精度明显降低，其速率检测精度相应下降很多。而且当噪声较大时，精度也会随之下降。

石英晶振法进行镀膜速率的监控主要是利用了石英晶体的两个效应，即压电效应和质量负荷效应。石英晶体的压电效应的固有频率不仅取材于其几何尺寸，切割类型，而且取决于芯片的厚度。当芯片上镀了某种膜层，使其厚度增大时，则芯片的固有频率会相应的衰减。这种监控方法也正是通过测量频率或与频率有关的参数的变化来间接监控镀膜速率的。它直接监控的是一定时间内薄膜的质量变化，与工作波段无关，设置简单，各种厚度皆可控制，而且这种方法监控单位时间内膜厚产生的信号容易处理并可进行自动控制。但石英晶振法只能控制膜层的质量厚度，而不能直接反映出其光学厚度。另一方面石英晶体振荡频率的稳定性是影响测量精度的最重要因素，其稳定度主要取决于测量电路和晶体工作的环境温度，其中环境温度又处于主导地位。晶体的基频会随温度发生变化.同时沉积过程的温度受蒸发源的辐射热的影响。此外，蒸汽在晶体上凝聚时会直接释放出热量，凝聚热使局部温度发生明显的变化，导致其误差增大、精度下降。

因此在镀膜速率比较低、膜层比较薄的时候，传统方法往往由于薄膜厚度已经超过其测量极限而无法进行直接的速率监控。这时速率的测量只能采用反复累加求平均的方法来实现，即通过延长镀膜时间、测量可精确检测的足够累积厚度，然后以平均镀膜速率来代替。这样，一方面会把镀膜速率随时间的变化或不稳定性引入进来平均掉，不能完全反映所需时刻镀膜速率的真实情况，导致其测量精度下降甚至不准；另一方面，长时间的累积误差也会使测量误差变大和精度下降。还有，过长的测量时间，对在线检测和实时监控不利。现有方法都难以精确测量实时的镀膜速率，无法评估镀膜速率的稳定性随时间的变化。

发明内容

本发明的目的是克服传统方法的原理限制和难以逾越的困难，提供一种简便、快捷的能精确标定各种介质薄膜的镀膜速率的方法，该方法能保持传统光学监控法的优势，又能消除石英晶振等方法的稳定性问题，特别适用于在线检测和实时监控，尤其适合对超低镀膜速率的精确标定。

实现本发明目的的技术方案是一种镀膜速率的精确标定方法，包括以下步骤：

①制备标准基片；所述标准基片包括衬底和干涉膜；制备方法为：在衬底上引入一层足以形成干涉的干涉膜；

②测量标准基片的透射谱或反射谱；

③将待测速率薄膜镀制在标准基片上，镀膜时间为t；

④测量镀膜后的标准基片的透射谱或反射谱；

⑤比较第②步和第④步中的透射谱或反射谱，根据峰位的变化量计算出镀膜厚度d，则根据镀膜时间t和镀膜厚度d计算出镀膜速率v。

所述第⑤步中，采用多峰分解拟合技术确定镀制待测薄膜前后的峰位；所述多峰分解拟合技术的具体步骤为：

①在原始数据光谱上，初步确定构成光谱的主峰和次峰总数；

②通过数据分析处理软件或自编程序，生成每个峰的初始结构；

③确定拟合目标误差值，通过不断调节各分解子波的占比来构筑总的拟合光谱；

④对比拟合光谱与原始光谱之间差异，当此差异小于给定的拟合目标误差值时，停止拟合，此时得到的特定分解子波占比构成的拟合光谱即为目标拟合光谱，该光谱的峰位即为最终确定的精确峰位；

⑤如果经过长期拟合仍然达不到给定的拟合目标误差值，重新回到步骤①，修改调整分解子波的初始结构或数量，重复步骤②～④，直至达到目标拟合误差值，确定干涉峰的精确峰位。

所述标准基片的衬底与干涉膜的折射率不同。

所述标准基片的干涉膜的厚度使干涉膜在400-1000nm波段只产生一级干涉。

所述标准基片的衬底可以选自光学玻璃、石英片、宝石片、硅片或锗片。

所述第③步中镀制待测速率薄膜的方法包括磁控溅射和蒸发镀膜方法。

前述镀膜速率的精确标定方法还可以应用在镀膜速率稳定性和镀膜速率随时间变化的精确测量中。

采用了上述技术方案后，本发明具有以下的积极的效果：(1)本发明在玻璃等衬底上预先引入一层足以形成干涉的干涉膜，此时标准基片的透射谱或反射谱已经形成干涉峰，在此基础上，只要在标准基片上镀制厚度极薄的待测薄膜，即可引起干涉峰位的明显偏移，远远高于传统方法直接在衬底上镀制待测薄膜前后透射谱的强度变化。而由于峰位携带了大量与材料光学常数和厚度等相关的最重要信息，同时不易受测试系统的影响和外界的干扰，因此它的变化可以很好地反映出材料的厚度等信息；虽然光谱的强度也与材料的光学常数和厚度相关，但很容易受到测试系统的影响和外界的干扰(比如光源的稳定性等)，难以准确测量。因此，本发明通过形成干涉峰并通过精确获取峰位的变化来达到精确标定镀膜速率，方法简单，可以显著提升标定精度。

(2)本发明通过多峰分解拟合技术来精确确定镀制待测薄膜前后的峰位，因此尽管噪声大、信噪比差，但仍然能够精确确定干涉峰位，进而获得精确的镀膜速率从而进一步提升镀膜速率标定的精确性，从而本发明可以实现0.1nm/s以上镀膜速率的精确标定，对超低镀膜速率的精确标定特别有利。

(3)本发明所选干涉膜材料与衬底折射率不同，且二者之间的折射率差别越大越好，这样产生的干涉幅度越大、效果越明显。同时在选择干涉膜的厚度时，选择在400-1000nm波段只产生一级干涉的厚度，以使干涉峰可以获得最大的偏移，厚度引起的变化最明显。

(4)本发明方法既保留了传统光学监控法的优势，可以直接精确地测量薄膜的光学厚度镀膜速率，易于实现在线检测和实时监控，还突破了传统光学监控法的限制，可以非常方便、准确地测量超低的镀膜速率。由于镀膜速率标定精度的大大提高，还可以用来研究镀膜速率的稳定性和镀膜速率随时间的变化情况，对镀膜过程的精确监控和膜系的优化设计具有非常重要的指导意义。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为含有干涉膜的标准基片及镀制待测薄膜后的结构示意图。

图2a为直接在衬底上镀制不同厚度的Nb₂O₅透射光谱，图2b为含有干涉膜的标准基片上镀制不同厚度的Nb₂O₅透射光谱。

图3为多峰分解拟合技术及拟合示意图。

图4为一万次重复性实验所采集的典型透射光谱。

图5为一万次重复性实验拟合结果的分布图。

图6为一万次重复性实验干涉峰位拟合结果的统计情况。

图7为载玻片上含有150nm的Si3N4透射光谱。

图8a为实施例一中镀制5s前后透射光谱的变化，图8b为图8a峰位局部放大图。

图9为实施例二中镀制5min前后透射光谱的变化。

图10为实施例三中镀制10s前后透射光谱的变化。

图11为实施例四中镀制1min前后透着光谱的变化。

图12为实施例五中在10s、30s、1min、10min时的透射谱。

具体实施方式

(实施例1)

本实施例的镀膜速率的精确标定方法以待测速率薄膜2为SiO2(折射率约为1.46)为例。

第①步：制备标准基片1；见图1，标准基片1包括衬底11和干涉膜12；制备方法为：在衬底11上引入一层足以形成干涉的干涉膜12；标准基片1的衬底11与干涉膜12的折射率不同，且折射率差异越大越好。标准基片1的干涉膜12的厚度使干涉膜12在400-1000nm波段只产生一级干涉，此时干涉峰可以获得最大的偏移，厚度引起的变化最明显。在干涉膜厚度一定时，干涉膜的折射率越小，峰位相对偏移越明显。由于SiO2是弱吸收材料，因此衬底11可以选择透明材料，比如光学玻璃、石英片、宝石片、硅片或锗片等，本实施例选择常用的光学玻璃(折射率约为1.52)。干涉膜12选择和衬底11折射率不同的Si3N4(折射率约为2)，由于150nm厚的Si3N4已经产生了明显的干涉，其透射谱如图7所示，因此以150nm厚的Si3N4为干涉膜12，以此来标定镀膜速率。直接在衬底11上镀制不同厚度的Nb2O5透射光谱如图2a，含有干涉膜12的标准基片1上镀制不同厚度的Nb2O5透射光谱如图2b，可见本发明的方法引起的强度变化远远高于传统方法直接在衬底上镀制待测薄膜前后透射谱的强度变化。

第②步：测量标准基片1的透射谱或反射谱，测量结果见图8a，峰位局部放大见图 8b；

第③步：将待测速率薄膜2镀制在标准基片1上，镀膜时间为t；本实施例采用磁控(反应)溅射方法镀制待测速率的SiO2薄膜5s，按照以下步骤进行镀制：

1)检查确认各部件后，打开机械泵冷却水

2)打开机械泵，当真空度到达E0Pa时，关闭机械泵的手动阀

3)打开分子泵，当真空度达到E-3Pa时，即达到工作条件。

4)选择靶材及控制模式，打开靶材阴极冷却水

5)充气：先冲一定流量的Ar烧靶(清洁靶材表面)；若是反应溅射，则再充入一定量的反应气体(如N2、O2等)。

6)打开工作电压，设定功率、流速、流量等工艺参数，开始溅射。

第④步：测量镀膜后的标准基片1的透射谱或反射谱，测量结果见图8a，峰位局部 放大见图8b；

第⑤步：比较第②步和第④步中的透射谱或反射谱，根据峰位的变化量计算出镀膜厚度d，则根据镀膜时间t和镀膜厚度d计算出镀膜速率v。如图8b峰位局部放大图所 示，采用多峰分解拟合技术确定镀制待测薄膜前后的峰位。多峰分解拟合技术具体步骤 为：①在原始数据光谱上，初步确定构成光谱的主峰和次峰总数；

②通过Origin等数据分析处理软件或自编程序，生成每个峰的初始结构，见图3中的分解子波；

③确定拟合目标误差值，通过不断调节各分解子波的占比来构筑总的拟合光谱；

④对比拟合光谱与原始光谱之间差异，当此差异小于给定的拟合目标误差值时，停止拟合，此时得到的特定分解子波占比构成的拟合光谱即为目标拟合光谱(见图3)，该光谱的峰位即为最终确定的精确峰位。

⑤如果经过长期拟合仍然达不到给定的拟合目标误差值，重新回到步骤①，修改调整分解子波的初始结构或数量，重复步骤②～④，直至达到目标拟合误差值，确定干涉峰的精确峰位。

如图3所示，当将一个实测的干涉峰分解为5个子波组合进行拟合时，尽管噪声大、信噪比差，但仍然能够精确确定干涉峰位，进而获得精确的镀膜速率。传统拟合方法则往往会受到光谱信噪比和外界干扰等因素的影响而使得所拟合的结果呈现较大范围的分布，从而使得峰位的定位精度不高。为了验证本实施例的多峰分解拟合技术所能达到的精度，对一个厚度已经形成干涉的薄膜样品，在所有条件均保持不变的情况下，连续进行一万次不间断的透射谱采集，所采集到的典型透射谱如图4所示。然后通过多峰分解拟合方法，对所采集到的一万条透射谱的干涉峰进行拟合。从理论上而言，由于是针对同一点的反复测量，所有测量得到的厚度都应该完全一样。但实际实验过程中的噪声问题和外界干扰等因素，测量出来的数据和拟合结果会出现一定程度的偏差和波动。从图5中一万次拟合结果的分布上看，大部分结果都集中在±0.1nm范围内，只有极少部分会有所偏离，但大多都不超过±0.3nm。由图6的统计结果可以看出，一万次重复测量后的拟合结果围绕真值呈正态分布，绝大部分处于±0.1nm范围内。因此，该方法的光谱峰位确定精度高达0.1nm，相应待测薄膜的光学厚度和镀膜速率的测量精度同样高达0.1nm，如果待测薄膜的折射率已知的话，其物理厚度镀膜速率的测量精度也可以高达0.1nm。

经过比较计算，干涉峰位偏移量为2.7nm，厚度拟合结果为0.9nm，可得镀膜速率为10.8nm/min。本实施例仅仅镀制了5s时间，虽然厚度变化很小，但仍然被精确测量出来了，因此本发明的方法灵敏度极高，而且适用于磁控溅射方法镀膜的速率标定，传统方法根本无法精确检测到0.9nm的变化，

对于测量波段吸收小的材料均可采用透射或反射光谱方法进行测量，相比而言，透射光谱方法精度较高；对于吸收比较严重的材料，可以采用反射谱法进行测量，以减小吸收对测试结果的影响。

(实施例2)

本实施例仍以镀制SiO2为例，基本标定方法如实施例1，不同之处在于镀制待测速率的SiO2薄膜5min。前后透射光谱如图9所示，计算可得：干涉峰位偏移量为81.9nm，厚度拟合结果为56.1nm，可得镀制速率为11.2nm/min。本实施例结果说明，当待测薄膜较厚或镀膜速率较高时，本发明申请方法仍然有效。

(实施例3)

本实施例仍以镀制SiO2为例，基本标定方法如实施例1，不同之处在于：通过真空蒸发镀膜系统镀制待测速率的SiO2薄膜10s，按照以下步骤进行镀制：

1)清洗钨丝、载玻片和坩埚。

2)检查钨丝的固定情况及处在钟罩内的电极的位置，坩埚内加入石英砂，放入坩埚。

3)抽至真空度达1.5x10-2Pa以上，开始蒸发镀膜。

4)镀膜完成后，处理真空机组的后续工作。

镀好待测速率的SiO2薄膜后，再次测量透射谱或反射谱，前后透射光谱如图10所示。然后对镀膜前后测量的透射谱或反射谱进行多峰分解拟合，其干涉峰位偏移量为32.2nm，厚度拟合结果为23.6nm，可得镀制速率为142.1nm/min。本实施例结果说明，本发明申请方法同样适用于蒸发镀膜的速率标定。

(实施例4)

本实施例仍以镀制SiO2为例，基本标定方法如实施例3，不同之处在于：镀制待测速率的SiO2薄膜1min。前后透射光谱如图11所示，计算可得：干涉峰位偏移量为283.4nm，厚度拟合结果为148.6nm，可得镀制速率为148.6nm/min。本实施例结果说明，待测薄膜较厚或镀膜速率较高时，本发明申请方法仍然有效。

(实施例5)

本发明申请方法还可应用于镀膜速率稳定性和速率随时间变化情况的标定。

同样以待测薄膜为SiO2为例，以磁控射系统镀膜。分别测量其再不同时刻下的镀膜速率。首先以含有150nmSi3N4干涉膜12的载玻片11作为标准基片1，测量其透射谱或反射谱。然后通过磁控(反应)溅射方法镀制待测速率的SiO2薄膜，分别在10s、30s、1min、10min时测量其镀膜速率，镀制步骤与实施例1和实施例2相同。

镀好待测速率的SiO2薄膜后，再次测量透射谱或反射谱，各个时刻的透射光谱如图12。然后对镀膜前后测量的透射谱或反射谱进行多峰分解拟合，其拟合厚度分别依次为1.5nm、4.7nm、9.9nm、101.2nm，得到不同时刻的实时速率依次为8nm/min，9.4nm/min，9.9nm/min，10.1nm/min。由速率可知，开始镀制时速率较慢，之后速率趋于稳定，镀膜速率随时间变化情况的精确标定，对镀膜过程的精确监控和膜系的优化设计具有非常重要的指导意义。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种镀膜速率的精确标定方法，其特征在于包括以下步骤：

①制备标准基片(1)；所述标准基片(1)包括衬底(11)和干涉膜(12)；制备方法为：在衬底(11)上引入一层足以形成干涉的干涉膜(12)；

②测量标准基片(1)的透射谱或反射谱；

③将待测速率薄膜(2)镀制在标准基片(1)上，镀膜时间为t；

④测量镀膜后的标准基片(1)的透射谱或反射谱；

⑤比较第②步和第④步中的透射谱或反射谱，根据峰位的变化量计算出镀膜厚度d，则根据镀膜时间t和镀膜厚度d计算出镀膜速率v；采用多峰分解拟合技术确定镀制待测薄膜前后的峰位；所述多峰分解拟合技术的具体步骤为：

①在原始数据光谱上，初步确定构成光谱的主峰和次峰总数；

②通过数据分析处理软件或自编程序，生成每个峰的初始结构；

③确定拟合目标误差值，通过不断调节各分解子波的占比来构筑总的拟合光谱；

④对比拟合光谱与原始光谱之间差异，当此差异小于给定的拟合目标误差值时，停止拟合，此时得到的特定分解子波占比构成的拟合光谱即为目标拟合光谱，该光谱的峰位即为最终确定的精确峰位；

⑤如果经过长期拟合仍然达不到给定的拟合目标误差值，重新回到步骤①，修改调整分解子波的初始结构或数量，重复步骤②～④，直至达到目标拟合误差值，确定干涉峰的精确峰位。

2.根据权利要求1所述的一种镀膜速率的精确标定方法，其特征在于：所述标准基片(1)的衬底(11)与干涉膜(12)的折射率不同。

3.根据权利要求1所述的一种镀膜速率的精确标定方法，其特征在于：所述标准基片(1)的干涉膜(12)的厚度使干涉膜(12)在400-1000nm波段只产生一级干涉。

4.根据权利要求1所述的一种镀膜速率的精确标定方法，其特征在于：所述标准基片(1)的衬底(11)可以选自光学玻璃、石英片、宝石片、硅片或锗片。

5.根据权利要求1所述的一种镀膜速率的精确标定方法，其特征在于：所述第③步中镀制待测速率薄膜(2)的方法包括磁控溅射和真空蒸发镀膜方法。