CN103540906A - 光控-晶控综合膜厚监控方法 - Google Patents

Abstract

一种用于镀膜装置精确控制制备高性能光学薄膜的光控-晶控综合膜厚监控方法，该方法包括：镀膜前向计算机输入镀膜参数；计算机根据输入的镀膜参数给出所镀膜系的镀膜监控表，包括相应层膜的监控波长、理论极值数或晶控系数；镀膜等步骤。本发明综合了光电极值法和石英晶体振荡法的优点，能够克服两者单独使用时石英晶体振荡仪的工具因子易受膜层沉积参数影响，以及光电极值法监控非规整膜系误差大的缺点。该方法可对规整膜系和非规整膜系进行监控，有效降低了膜厚监控误差，提高了薄膜的光谱性能，具有良好的重复性。

Description

光控-晶控综合膜厚监控方法

技术领域

本发明涉及镀膜，特别是一种用于镀膜装置精确控制制备高性能光学薄膜的光控-晶控综合膜厚监控方法。

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后调制成为调制光，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。光电极值法将薄膜透射率（或反射率）的极值点作为停镀点,通过调节监控波长，也能够实现非规整膜系的监控。然而，由于光学镀膜材料在不同波长存在色散，对于膜层较厚的膜系而言，对每层都调节监控波长，势必会由于色散问题造成较大的厚度误差。石英晶体振荡法能够监控非规整膜系，然而，它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，镀膜工艺参数，包括沉积速率、沉积温度、真空度等参数的改变，会引起晶控仪工具因子较大的变化。这样，如果单独使用石英晶体振荡法进行监控，在镀膜工艺参数稍微变动的情况下，就不得不通过实验来确定新的工具因子，大幅度增加镀膜成本。

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，提供一种用于镀膜装置精确控制制备高性能光学薄膜的光控-晶控综合膜厚监控方法。该方法综合了光电极值法和石英晶体振荡法的优点，能够克服两者单独使用时石英晶体振荡仪的工具因子易受膜层沉积参数影响，以及光电极值法监控非规整膜系误差大的问题。

本发明的解决方案如下:

一种用于镀膜装置精确控制制备高性能光学薄膜的光控-晶控综合膜厚监控方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1）镀膜前向计算机输入需要的镀膜参数：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、所需镀制的膜系和总的膜层数K；

2）计算机根据输入的镀膜参数，给出所镀膜系的镀膜监控表，第1层膜、第2层膜采用光电极值法进行监控，其他膜层都采用石英晶体振荡法监控，镀膜监控表中给出相应层膜的监控波长λ_j、理论极值数E_jT或晶控系数R_j；

3）开机镀膜：

①镀制第1层膜，令第1层膜的实际极值数E_1A=0，计算机的第四串口发出信号将单色仪的波长调节至第1层膜的监控波长λ₁；然后，计算机向挡板开关控制电路发出信号打开高折射率蒸发源挡板，同时，计算机开始采集并保存锁相放大器输出的监控片的透射率信号值，每透射率信号出现极值，则该层膜的实际极值数E_1A=E_1A+1；当第1层膜的实际极值数E_1A等于第1层膜的理论极值数E_1T时，计算机向挡板开关控制电路发出关闭信号，关闭高折射率蒸发源挡板，同时，计算机采集并保存晶控仪显示的晶控厚度M_H，第1层膜镀制完成；

②镀制第2层膜，令第2层膜的实际极值数E_2A=0，计算机的第四串口发出信号将单色仪的波长调节至第2层膜的监控波长λ₂；然后，计算机向挡板开关控制电路发出信号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，每透射率信号出现极值，则该层膜的实际极值数E_2A=E_2A+1；当第2层膜的实际极值数E_2A等于第2层膜的理论极值数E_2T，计算机向挡板开关控制电路发出关闭信号，关闭低折射率蒸发源挡板，同时，计算机采集并保存晶控仪显示的晶控厚度M_L，第2层膜镀制完成；

③镀制第j层膜，j=3：

当当前层为高折射率材料时，计算机向挡板开关控制电路发出信号打开高折射率蒸发源挡板，同时，计算机开始采集并保存晶控仪输出的膜层厚度M_jA，当M_jA=R_j×M_H时，计算机向挡板开关控制电路发出信号，关闭高折射率蒸发源挡板；

当当前层为低折射率材料时，计算机向挡板开关控制电路发出信号打开低折射率蒸发源挡板，同时，计算机开始采集并保存晶控仪输出的膜层厚度M_jA，当M_jA=R_j×M_L时，计算机向挡板开关控制电路发出信号，关闭低折射率蒸发源挡板；

④j=j+1,重复上述步骤③，直至j=k,所有的膜层都镀制完毕，镀膜结束。

所述的计算机根据输入的镀膜参数，给出所镀膜系的镀膜监控表的具体步骤如下：

①计算机计算第1层的理论极值数E_1T和第1层的监控波长λ₁：

第1层膜的理论极值数E_1T＝int(d₁×λ_D/λ_Min)，其中，int()表示对括号中的数值取整，第1层膜的监控波长λ₁＝d₁×λ_D/E_1T；

②计算机计算第2层膜的监控波长λ₂和第2层膜的理论极值数E_2T：

（a）令监控波长λ＝λ_Min，

（b）按下列公式计算基底和第j（j=2）层膜的组合导纳Y_j：

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

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

(c)当组合导纳Y_j的虚部不为零时，令λ=λ+0.1，重复步骤(b)，否则，令第2层膜的监控波长λ₂＝λ；

当d₂×λ_D/λ₂为整数时，第2层膜的理论极值数E_2T＝d₂×λ_D/λ₂，否则，当d₂×λ_D/λ₂不为整数时，第2层膜的理论极值数E_2T＝int（d₂×λ_D/λ₂）+1，进入步骤③；

③计算第j层膜（j=3）的晶控系数R_j：当第j层膜为高折射率材料时，R_j=d_j/d₁；否则，第j层膜为低折射率材料，R_j=d_j/d₂；

④令j=j+1,重复第③步，直至j=k，所有的膜层都计算完毕，给出所镀膜系的镀膜监控表，包括相应层膜的监控波长λ_j、理论极值数E_jT或晶控系数R_j；计算完毕。

本发明的技术效果：

本发明方法，根据输入的镀膜参数，包括设计波长、高折射率材料折射率、低折射率材料折射率、基底折射率、入射介质折射率、最小监控波长和所需镀制的膜系；计算机给出所镀膜系的镀膜监控表，第1层膜、第2层膜采用光电极值法进行监控，其他膜层都采用石英晶体振荡法监控，镀膜监控表中给出相应层膜的监控波长、理论极值数或晶控系数。

本发明结合光电极值法和石英晶体振荡法对膜层厚度进行监控。一方面，能够克服石英晶体振荡仪的工具因子易受膜层沉积参数影响的问题；另一方面，能够克服光电极值法监控非规整膜系时，由于光学材料色散问题导致厚度监控误差大的问题。

本发明综合光电极值法和石英晶体振荡法，采用光电极值法监控第一层和第二层，同时采集晶控仪的厚度。在第一层和第二层镀膜完成的时候，计算机程序就能够给出后续所有膜层的晶控数据。

本发明综合了光电极值法和石英晶体振荡法两者的优点，有效降低了膜层沉积参数对膜层厚度监控误差带来的影响。能够以较高的精度监控规整膜系和非规整膜系，提高了薄膜的光谱性能，具有良好的重复性。

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为本发明采用的计算机控制镀膜装置的结构示意图

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、锁相放大器12和晶控仪26五部分组成的光控-晶控综合膜厚监控系统，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、晶控仪26、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、第二串口32、第三串口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。

以设计波长为500nm，结构为1.3H1.2L2.8HL0.5H0.8L的膜系为例说明本发明用于镀膜装置精确控制制备高性能光学薄膜的光控-晶控综合膜厚监控方法。该方法包括下列步骤：

（1）镀膜前向计算机30输入需要的镀膜参数：包括设计波长λ_D（500nm）、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）、所需镀制的膜系（1.3H1.2L2.6H1.2L0.65H0.9L）和总的膜层数6；

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（第j层）的厚度系数d_j，膜层的光学厚度等于厚度系数乘以四分之一监控波长；

（2）根据输入的镀膜参数，计算机给出所镀膜系的镀膜监控表：

①计算机计算第1层的理论极值数E_1T和第1层的监控波长λ₁：

第1层膜的理论极值数E_1T＝int(d₁×λ_D/λ_Min)=int(1.3×500nm/400nm)=1，其中，int()表示对括号中的数值取整；第1层膜的监控波长

②计算机计算第2层膜的监控波长λ₂和第2层膜的理论极值数E_2T：

(a)令监控波长λ＝λ_Min=400nm，

(b)按下列公式计算基底和第j（j=2）层膜的组合导纳Y_j：

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

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

(c)当组合导纳Y_j的虚部不为零时，令λ=λ+0.1，重复步骤(b)，否则，令第2层膜的监控波长λ₂＝λ；

当d₂×λ_D/λ₂为整数时，第2层膜的理论极值数E_2T＝d₂×λ_D/λ₂，否则，当d₂×λ_D/λ₂不为整数时，第2层膜的理论极值数E_2T＝int（d₂×λ_D/λ₂）+1，进入步骤③；

③计算第j层膜（j=3）的晶控系数R_j：当第j层膜为高折射率材料时，R_j=d_j/d₁；否则，第j层膜为低折射率材料，R_j=d_j/d₂；

④j=j+1,重复第③步，直至j=6,所有的膜层都计算完毕，给出所镀膜系的镀膜监控表，包括相应层膜的监控波长λ_j、理论极值数E_jT或晶控系数R_j；计算完毕。

该膜系的镀膜监控表如表1所示。

表1.本发明中实施例的镀膜监控表

膜层	监控波长	理论极值数	晶控系数
				1	650nm	1
2	615nm	1
				3			2
4			1
				5			0.5
6			0.75

本实施例中采用光控-晶控综合膜厚监控方法，第1层膜和第2层膜采用光电极值发进行监控，只需要使用两个不同的监控波长，减少了由于材料色散引起的厚度控制误差。此外，利用光电极值法监控时实时测得的晶控数据对后续的膜层进行监控，避免了由于膜层沉积参数改变引起晶控工具因子变化而造成的不必要的实验。

(3)开机镀膜：

①镀制第1层膜，令第1层膜的实际极值数E_1A=0，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1层膜的监控波长λ₁；然后，计算机30向挡板开关控制电路20发出信号打开高折射率蒸发源挡板23，同时，计算机30开始采集并保存锁相放大器12输出的监控片的透射率信号值，每透射率信号出现极值，则该层膜的实际极值数E_1A=E_1A+1；当第1层膜的实际极值数E_1A等于第1层膜的理论极值数1时，计算机30向挡板开关控制电路20发出关闭信号，关闭高折射率蒸发源挡板23，同时，计算机30采集并保存晶控仪26显示的晶控厚度M_H，第1层膜镀制完成；

②镀制第2层膜，令第2层膜的实际极值数E_2A=0，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2层膜的监控波长λ₂；然后，计算机30向挡板开关控制电路20发出信号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，每透射率信号出现极值，则该层膜的实际极值数E_2A=E_2A+1；当第2层膜的实际极值数E_2A等于第2层膜的理论极值数1，计算机30向挡板开关控制电路20发出关闭信号，关闭低折射率蒸发源挡板36，同时，计算机30采集并保存晶控仪26显示的晶控厚度M_L，第2层膜镀制完成；

③镀制第j层膜，j=3：

当当前层为高折射率材料时，计算机30向挡板开关控制电路20发出信号打开高折射率蒸发源挡板23，同时，计算机30开始采集并保存晶控仪26输出的膜层厚度M_jA，当M_jA=R_j×M_H时，计算机30向挡板开关控制电路20发出信号，关闭高折射率蒸发源挡板23；

当当前层为低折射率材料时，计算机30向挡板开关控制电路20发出信号打开低折射率蒸发源挡板36，同时，计算机30开始采集并保存晶控仪26输出的膜层厚度M_jA，当M_jA=R_j×M_L时，计算机30向挡板开关控制电路20发出信号，关闭低折射率蒸发源挡板36；

④j=j+1,重复上述步骤③，直至j=6,所有的膜层都镀制完毕，镀膜结束。多次实验表明：本发明采用的膜厚监控方法，有效地综合了光电极值法和石英晶体振荡法的优点，能够克服两者单独使用时石英晶体振荡仪的工具因子易受膜层沉积参数影响，以及光电极值法监控非规整膜系误差大的缺点。该方法可对规整膜系和非规整膜系进行监控，有效降低了膜厚监控误差，提高了薄膜的光谱性能，具有良好的重复性。

Claims (2)

1.一种光控-晶控综合膜厚监控方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1）镀膜前向计算机（30）输入需要的镀膜参数：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、所需镀制的膜系和总的膜层数K；

2）计算机根据输入的镀膜参数，给出所镀膜系的镀膜监控表，第1层膜、第2层膜采用光电极值法进行监控，其他膜层都采用石英晶体振荡法监控，镀膜监控表中给出相应层膜的监控波长λ_j、理论极值数E_jT或晶控系数R_j；

3）开机镀膜：

①镀制第1层膜，令第1层膜的实际极值数E_1A=0，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1层膜的监控波长λ₁；然后，计算机（30）向挡板开关控制电路（20）发出信号打开高折射率蒸发源挡板（23），同时，计算机（30）开始采集并保存锁相放大器（12）输出的监控片的透射率信号值，每透射率信号出现极值，则该层膜的实际极值数E_1A=E_1A+1；当第1层膜的实际极值数E_1A等于第1层膜的理论极值数E_1T时，计算机（30）向挡板开关控制电路（20）发出关闭信号，关闭高折射率蒸发源挡板（23），同时，计算机（30）采集并保存晶控仪（26）显示的晶控厚度M_H，第1层膜镀制完成；

②镀制第2层膜，令第2层膜的实际极值数E_2A=0，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2层膜的监控波长λ₂；然后，计算机（30）向挡板开关控制电路（20）发出信号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，每透射率信号出现极值，则该层膜的实际极值数E_2A=E_2A+1；当第2层膜的实际极值数E_2A等于第2层膜的理论极值数E_2T，计算机（30）向挡板开关控制电路（20）发出关闭信号，关闭低折射率蒸发源挡板（36），同时，计算机（30）采集并保存晶控仪（26）显示的晶控厚度M_L，第2层膜镀制完成；

③镀制第j层膜，j=3：

当当前层为高折射率材料时，计算机（30）向挡板开关控制电路（20）发出信号打开高折射率蒸发源挡板（23），同时，计算机（30）开始采集并保存晶控仪（26）输出的膜层厚度M_jA，当M_jA=R_j×M_H时，计算机（30）向挡板开关控制电路（20）发出信号，关闭高折射率蒸发源挡板（23）；

当当前层为低折射率材料时，计算机（30）向挡板开关控制电路（20）发出信号打开低折射率蒸发源挡板（36），同时，计算机（30）开始采集并保存晶控仪（26）输出的膜层厚度M_jA，当M_jA=R_j×M_L时，计算机（30）向挡板开关控制电路（20）发出信号，关闭低折射率蒸发源挡板（36）；

④j=j+1,重复上述步骤③，直至j=k,所有的膜层都镀制完毕，镀膜结束。

2.根据权利要求1所述的光控-晶控综合膜厚监控方法，其特征在于所述的计算机根据输入的镀膜参数，给出所镀膜系的镀膜监控表的具体步骤如下：

①计算机计算第1层的理论极值数E_1T和第1层的监控波长λ₁：

第1层膜的理论极值数E_1T＝int(d₁×λ_D/λ_Min)，其中，int()表示对括号中的数值取整，第1层膜的监控波长λ₁＝d₁×λ_D/E_1T；

②计算机计算第2层膜的监控波长λ₂和第2层膜的理论极值数E_2T：

(a)令监控波长λ＝λ_Min，

(b)按下列公式计算基底和第j（j=2）层膜的组合导纳Y_j：

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

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

(c)当组合导纳Y_j的虚部不为零时，令λ=λ+0.1，重复步骤(b)，否则，令第2层膜的监控波长λ₂＝λ；

当d₂×λ_D/λ₂为整数时，第2层膜的理论极值数E_2T＝d₂×λ_D/λ₂，否则，当d₂×λ_D/λ₂不为整数时，第2层膜的理论极值数E_2T＝int（d₂×λ_D/λ₂）+1，进入步骤③；

③计算第j层膜（j=3）的晶控系数R_j：当第j层膜为高折射率材料时，R_j=d_j/d₁；否则，第j层膜为低折射率材料，R_j=d_j/d₂；

④j=j+1,重复第③步，直至j=k,所有的膜层都计算完毕，给出所镀膜系的镀膜监控表，包括相应层膜的监控波长λ_j、理论极值数E_jT或晶控系数R_j；计算完毕。

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