CN103849850A

CN103849850A - 光学薄膜的膜厚监控方法及非规整膜系光学膜厚仪

Info

Publication number: CN103849850A
Application number: CN201410114949.4A
Authority: CN
Inventors: 弥谦; 杭凌侠; 潘永强
Original assignee: Xian Technological University
Current assignee: Xian Technological University
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2014-06-11

Abstract

本发明涉及一种光学薄膜的膜厚监控方法及非规整膜系光学薄厚仪。现有技术存在的精度不高、难以得到良好的重复性、后续处理操作繁琐、对设备的稳定程度要求较高和成本高的问题。一种光学薄膜的膜厚监控方法，采用相同膜料进行预镀；调整；消除直流分量；通过数学处理可以得到近似的三角波；非规整膜系光学薄厚仪，包括单一波长的激光光源、比较片、光电探测器、放大器和计算机，出射光光路上有调制器和分束器，比较片上有四片相同膜料进行预镀且薄膜光学厚度分别相差为λ/8的薄膜；光电探测器采用四象限探测器。本发明方法实现非规整膜系的监控，设备测量精度高，信号稳定。

Description

光学薄膜的膜厚监控方法及非规整膜系光学膜厚仪

技术领域

本发明涉及光学薄膜性能测试技术领域，具体涉及一种光学薄膜的膜厚监控方法及非规整膜系光学薄厚仪。

背景技术

光学薄膜是指基于电磁理论，通过单层或者多层薄膜产生的多光束干涉来改变透射或反射光的光强、偏振状态、相位等特征，常用的有减反、高反、低通、高通、窄带、分色薄膜等薄膜，最终满足我们需要的光谱特性。

镀制性能良好的光学薄膜，除了要求选择合适的蒸发工艺、使用优质的膜厚材料，更需要精确地监控每一层薄膜厚度。光学薄膜的光谱特性与其膜系的每一层膜厚紧密相关，为了镀制符合要求的光学薄膜，在蒸镀过程中对每一层膜厚的监控都非常重要。

光学薄膜通常采用2~3种光学薄膜材料制备，由不同材料交替制备薄膜，当每层的光学厚度（折射率和几何厚度乘积）相等或为整数倍时，这样的膜系结构称为规整膜系。如果每一层薄膜的光学厚度不同或不成整数倍，这样的薄膜结构称为非规整膜系。虽然制备非规整膜系难度更大，但是，非规整膜系比规整膜系有着更优异的光谱特性，非规整膜系的使用越来越多的应用到实际生产当中。

目前，光学薄膜的膜厚监控方法主要有光电极值法、宽光谱扫描法、石英晶振法和椭偏法。

1、光电极值法

由多光束干涉原理可知，膜系反射率随膜厚呈周期性变化，当膜层的光学厚度为监控波长的四分之一整数倍时反射率（透射率）出现极值。利用膜层沉积过程中反射率(或透射率)随膜厚变化的这种规律，通过光电膜厚监控仪检测淀积过程中反射率(或透射率)出现的极值点来监控四分之一波长整数倍的膜系，这种方法称为光电极值法。

2、石英晶振法

其原理就是利用石英晶体片的固有振动频率随着其质量的变化而变化的这一特性，将石英晶片置于真空室中，当晶体表面被镀上膜层，其总质量发生变化，从而晶振频率也随之改变，测量出频率的变化便可计算出其质量厚度。若已知薄膜的密度，则可进而确定薄膜的几何厚度。

3、宽光谱扫描法

在非四分之一波长宽带光学薄膜的镀制中，单波长监控很难精确控制其宽波段特性，必须对膜层在很宽的波长范围内进行宽光谱扫描。宽光谱扫描法是利用实测的宽光谱扫描曲线与理论计算的目标光谱曲线进行比较，并以评价函数反馈比较结果给控制系统的一种膜厚监控方法。

设待镀光学薄膜第j层的目标光谱透射率曲线为

，在镀制过程中实测透射率曲线为

Figure 2014101149494100002DEST_PATH_IMAGE004

，则可定义评价函数为：

在蒸镀过程中用计算机连续计算该评价函数，当

Figure 2014101149494100002DEST_PATH_IMAGE008

取得极小值时停止蒸镀。

4、偏振光分析法

偏振光分析法是通过用入射偏振光照射薄膜表面，测量反射偏振光偏振状态的变化来研究薄膜特性的监测方法，它可直接测量薄膜厚度。

1、光学极值法

常规的光学镀膜设备配备的是光学极值法，所使用的光学膜厚仪由光源、镀膜机、单片比较片、单色仪、光电探测器、放大器和信号处理电路组成，光源采用卤素灯，根据膜层光学厚度，通过单色仪选择合适的波长，由于光线经过单色仪的单色性和光能量受到相互制约（单色性好，要求单色仪狭缝小，光能量大幅度减小。反之，光能量大，狭缝大，单色性差），随着薄膜厚度的增大测量误差也同步增大。光电探测器将得到的信号通过放大器放大后送入信号处理电路。虽然结构简单，成本低，但是只能控制规整膜系，对于非规整膜系很难实现控制，并且精度不高，最小监控膜厚在100nm左右。

2、石英晶振

它直接测量的是薄膜的质量厚度而不是光学厚度，对于密度和折射率显著依赖于蒸发条件的蒸发膜料，难以得到良好的重复性；它不象光学方法中的极值法等具有厚度自动补偿机理，对设备稳定性要求高，可以实现非规整膜系的控制。通常应用在金属薄膜或超薄厚度的薄膜控制以及蒸发速率的监控中。

3、宽光谱扫描法

要预先知道目标光谱透射率（或反射率），而目标光谱透射率的确定相当繁琐，且实际曲线与理论曲线有偏差，对于每一层都不同，需要设计不同的程序去判定，较为繁琐。这种方法对设备的稳定程度要求较高，主要应用在高端进口设备上。可以实现非规整膜系的控制。

4、椭偏法

由于椭偏仪成本高，约10万元以上，目前，镀膜设备很少使用，国外也只有在少量的研究设备上使用。可以实现非规整膜系的控制。

发明内容

本发明要克服现有技术存在的精度不高、难以得到良好的重复性、后续处理操作繁琐、对设备的稳定程度要求较高和成本高的问题。

为了克服现有技术存在的问题，本发明提供一种光学薄膜的膜厚监控方法，依次包括下述步骤：

一、采用相同膜料进行预镀，四片薄膜光学厚度分别相差为λ/8，然后在实际镀膜过程中四片一起被沉积上薄膜，可以得到四路相差为90度的正弦或余弦信号，数学表达式依次记为：

Figure 2014101149494100002DEST_PATH_IMAGE010

Figure 2014101149494100002DEST_PATH_IMAGE012

Figure 2014101149494100002DEST_PATH_IMAGE014

二、调整：对四路信号依次求倒数，再乘以常数，得到信号F01、F02、F03、F04

三、消除直流分量，得到依次相差90度的正弦或余弦信号：

Figure 2014101149494100002DEST_PATH_IMAGE018

四、由四路相位依次相差90度的正弦信号，通过数学处理可以得到近似的三角波。

一种利用上述方法制得的非规整膜系光学薄厚仪，包括光源、比较片、光电探测器、放大器和计算机，其特殊之处在于，所述光源为单一波长的激光光源，其出射光光路上设置有调制器和分束器，分束器的四路出射光进入镀膜机内的比较片上，所述比较片上设置有四片相同膜料进行预镀且薄膜光学厚度分别相差为λ/8的薄膜；所述光电探测器采用四象限探测器。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、采用本发明的方法可以测量任意光学厚度的薄膜，处理后的测量数据和光学厚度呈现线性关系，可实现非规整膜系的监控。仪器总体监控精度为1%，最小监控光学厚度能够达到2nm以下。仪器长时间稳定性小于0.3%，采用四路信号相互补偿，仪器的重复性好。

2、采用本发明设备：（1）保障测量精度：采用单一波长，光源选用激光光源，单色性好，光能量大，信噪比好，信号稳定，设备自身稳定程度较高，因此测量精度高；（2）、结构简单，成本低；（3）、采用四路（原理上可以是两路，四路抗干扰能力强，精度高）测量，采用四路信号可以相互补偿，可以消除光源波动、环境影响等因素，另外，三角波信号幅值是根据四路信号运算得到的，薄膜厚度测量是根据在三角波斜线上占幅值比例来确定，可以大幅度提高仪器的抗干扰能力，提升仪器精度。（4）通过对四路（两路）光电信号的数学运算，可以得到运算后的数据和薄膜的光学厚度呈现三角波的线性关系，实现任意厚度光学薄膜的监控，满足对非规整膜系的制备要求。

附图说明

图1是光学极值法的原理示意图；

图2是单层薄膜的反射率曲线；

图3是线性化处理示意图；

图4是装置的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，光学极值法是利用膜层沉积过程中反射率(或透射率)随膜厚变化的这种规律，通过光电膜厚监控仪检测淀积过程中反射率(或透射率)出现的极值点来监控四分之一波长整数倍的膜系。

所采用的传统的光学膜厚仪：采用单光路，光源亮暗波动会直接影响到信号的波动；膜厚仪是通过单色仪选择单色光，测量光信号的单色性受单色仪本身和狭缝大小的影响，单色性较激光差，光信号弱，信噪比差；光信号通常采用光电倍增管接收，光电倍增管电源的电压波动会在信号端产生约十倍影响，对电源的要求很高。因为常规的光学膜厚仪没有相应的补偿环节，受环境等因素的影响大。通常国内生产的膜厚仪实际精度在2%左右，并且只能实现规整膜系的监控，不能完成较薄的薄膜制备。

本发明的原理是：根据光束干涉理论，单层薄膜的反射率曲线如下图2。它们是具有周期性高低起伏变化的曲线，透过率（反射率）大小同薄膜的光学厚度之间呈现非线性关系。在传统的光学极值方法中是通过极值拐点来确定薄膜的光学厚度，光学厚度对应于监控波长的四分之一

Figure 2014101149494100002DEST_PATH_IMAGE020

。因为曲线非线性，很难确定任意光学厚度。

在薄膜不考虑薄膜吸收的情况下，单层薄膜的透过率公式见公式1。

Figure 2014101149494100002DEST_PATH_IMAGE022

其中，入射介质的折射率为n₀，基底的折射率为n₂，为薄膜的光学厚度，r和t分别为薄膜的反射系数与透射系数。本发明的方法是对公式1进行倒数运算，消除常数项，以得到标准的正弦（余弦）信号。通过数学运算可以得到，透过率（反射率）大小和薄膜的光学厚度近似为线性，我们能够通过测量透过率或反射率得到任意光学厚度的薄膜。

基于上述的工作原理下面将结合附图对本发明进行详细地描述。

一种光学薄膜的膜厚监控方法，依次包括下述步骤：

Figure 2014101149494100002DEST_PATH_IMAGE026

二、调整：因为四路信号均非零，故通过对四路信号依次求倒数，再乘以常数，得到信号

三、消除直流分量，得到依次相差90度的正弦或余弦信号：

四、由四路相位依次相差90度的正弦信号，通过数学处理（电路信号处理中应用）可以得到近似的三角波。参见图3，下面曲线为四路正弦波，上面是通过数学处理得到的近似三角波曲线。可以看到，四路透过率值经过数据处理后得到的数值和薄膜的光学厚度呈现较好的线性关系，因此可以实现对任意光学厚度的侧量。

为了实现上述的方案，本发明给出了一种利用上述方法制得的非规整膜系光学薄厚仪，包括光源、调制器、分束器、比较片、光电探测器、放大器和计算机。所述光源为单一波长的激光光源，其出射光光路上设置有调制器和分束器，分束器的四路出射光进入镀膜机内的比较片上，所述比较片上设置有四片相同膜料进行预镀且薄膜光学厚度分别相差为λ/8的薄膜；所述光电探测器采用四象限探测器。采用单独的四个探测器也可以，但是四象限探测器可以保证四个探测器的性能完全一样，这样有利于提高测量精度。

使用时，一种薄膜材料使用对应一组（4片）比较片。对于低折射率材料，可以在初始预镀高折射率材料一个周期，再用低折射率材料预镀依次相差λ/8薄膜，其中，λ为激光光源的波长。

Claims

1.一种光学薄膜的膜厚监控方法，其特征在于：依次包括下述步骤：

一、采用相同膜料进行预镀，四片薄膜光学厚度分别相差为λ/8，然后在实际镀膜过程中四片一起被沉积上薄膜，可以得到四路相差为90度的正弦或余弦信号，数学表达式依次记为：T₀₁、T₀₂、T₀₃、T₀₄

Figure 2014101149494100001DEST_PATH_IMAGE002

(2)

Figure 2014101149494100001DEST_PATH_IMAGE004

(3)

(4)

(5)

Figure 2014101149494100001DEST_PATH_IMAGE010

(6)

Figure 2014101149494100001DEST_PATH_IMAGE012

(7)

(8)

(9)

三、消除直流分量，得到依次相差90度的正弦或余弦信号：

Figure 2014101149494100001DEST_PATH_IMAGE018

（10）

Figure 2014101149494100001DEST_PATH_IMAGE020

（11）

Figure 2014101149494100001DEST_PATH_IMAGE022

（12）

Figure 2014101149494100001DEST_PATH_IMAGE024

（13）

其中，

2.根据权利要求1所述方法制得的非规整膜系光学薄厚仪，包括光源、比较片、光电探测器、放大器和计算机，其特征在于：所述光源为单一波长的激光光源，其出射光光路上设置有调制器和分束器，分束器的四路出射光进入镀膜机内的比较片上，所述比较片上设置有四片相同膜料进行预镀且薄膜光学厚度分别相差为λ/8的薄膜；所述光电探测器采用四象限探测器。