CN107726987B - 一种光学薄膜的膜厚监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学薄膜的膜厚监控方法，包括如下步骤：1)监控膜层的T或者R随膜厚增加过程中的极值点数目，得到以λ/4为基本单位的整数厚度的膜层；2)当n₁·d₁变化时，dR/d(n₁·d₁)呈周期性变化代之以对时间t进行微分；3)在预设的极值点附近选取合适数目的数据点进行直线拟合，得到最佳直线方程；由端点法确定a的初值，利用一维优化方法搜索a*，用逐次逼近方法，给定初始值a⁽⁰⁾，选取步长h，并逐步调整步长，直至满足：|u(a^(k))‑u(a^(k‑1))|＜ε；4)根据步骤3)确定出的最佳步长h，确定出最佳直线；根据该最佳直线，就能够精确地进行膜层淀积厚度的监控。本发明能够准确监控光学薄膜的膜厚，从而提高光学薄膜的光学性能。

Description

一种光学薄膜的膜厚监控方法

技术领域

本发明涉及光学薄膜加工技术领域，尤其涉及一种光学薄膜的膜厚监控方法。

背景技术

光学薄膜是激光系统的重要组成部分，在激光系统中发挥着重要作用。一方面它是激光系统实现设计指标的基础组成部分,另一方面也是决定系统整体性能、使用寿命和环境稳定性的关键因素。激光器所使用的光学薄膜已经不仅仅是传统的单一波长的高反射率和高透射率薄膜，大多需要满足多波长光谱的透反要求，这给薄膜的设计和制备带来了较大难度。

在制备具有优异性能的光学薄膜时，不单单需要选择合适的制备工艺，优质的原材料，还需要采取相应措施对薄膜厚度加以精确监控。在实际设计过程中，光学薄膜通常是由多膜层构成的，如果某层薄膜光学的厚度一旦出现偏差，就会造成薄膜的实际光谱性能与理论设计出现误差，将使整个薄膜失去应用价值。

目前，普遍采用的膜厚监控方法主要采用光学监控，光学监控是在假设膜层没有吸收的条件下，运用沉积薄膜的反射率或者透射率，随着沉积薄膜厚度的增大而表现出呈周期性极值变化的特性进行监控的方式，也称之为光电极值法。采用光学监控膜厚，临近膜层具有自动补偿特性,使其发展成为截至目前光学薄膜膜厚监控中最为普遍的方法。如图1所示。然而，因为薄膜的反射率在靠近极值的时候，变化比较缓慢，因此光电极值法在极值点附近的灵敏度很低。如图2所示。当使用光电极值法监控薄膜沉积时，反射率在它的极值点附近，对于膜层厚度的改变非常不灵敏，所以，光电极值法具有两个主要缺陷：①极值点的判读精度差；②没有考虑到薄膜整个光谱的光学特性；并且这种监控方式不能精准监控非规整膜系的沉积，需要对其改善。

使用光电极值法监控非规整膜系，因为反射率与薄膜的光学厚度之间存在着非线性关系，非常容易造成计算机的误判,从而影响到制备的光学薄膜的光学性能。因此,应用计算机监控、使用光电极值法的光学薄膜膜厚监控的系统中，准确判读极值点的方法将成为整个系统的关键所在。

同时，随着光学薄膜光学性能要求地不断提高，非规整膜系比规整膜系光谱性能更加优异，客观上要求设计出能够监控任意膜厚的方法。迫切需要进一步提升光学薄膜的监控水平；研究出可以监控任意膜厚的监控方案已经成为了光学薄膜领域急需解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于怎样解决现有光学监控过程中，极值点的判断精度差，容易造成误判，不能精准监控非规整膜系的沉积的问题，提供一种光学薄膜的膜厚监控方法，能够准确监控光学薄膜的膜厚，从而提高光学薄膜的光学性能。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种光学薄膜的膜厚监控方法，包括如下步骤：

1)利用光电测光法监控膜层的T或者R随膜厚增加过程中的极值点数目，得到以λ/4为基本单位的整数厚度的膜层，其中，单层膜反射率为R，透射率为T，T+R＝1：

式中：n₀为空气折射率；n₁为膜层材料的折射率；n₂为基板的折射率，δ₁为单层膜层的位相厚度；

其中，d₁为膜层厚度；

当时，R或T为极值，其中：

①针对一个确定的波长λ，当m＝1,2,3,……时，T或者R具有极值；

②针对一个确定的n₁·d₁,当时，T或者R具有极值；

2)当n₁·d₁变化时，dR/d(n₁·d₁)呈周期性变化；当dR/d(n₁·d₁)＝0时，为反射率R的极值点；由于R(λ₀)难于从电路上实现对n₁·d₁微分，同时，积淀薄膜的厚度跟时间t近成正比，故代之以对时间t进行微分，得到：

3)由于极值点附近的区域非常接近线性，并且停镀点在极值点附近,因此在预设的极值点附近选取合适数目的数据点{x_n,y_n},n＝1,2…,N进行直线拟合，得到最佳直线方程：

y＝a^*x+b^*；

则a^*、b^*使为最小，即δ(a^*,b^*)≤δ(a,b)；

对于或

由端点法确定a的初值，利用一维优化方法搜索a^*，用逐次逼近方法，给定初始值a⁽⁰⁾，选取步长h，将a⁽⁰⁾和a⁽¹⁾＝a⁽⁰⁾+h代入目标函数u(x)进行计算并比较大小：

若u(a⁽¹⁾)＜u(a⁽⁰⁾)，则继续以该步长向下搜索，a⁽²⁾＝a⁽¹⁾+h；

若u(a⁽¹⁾)＞u(a⁽⁰⁾)，则选取

以此顺推，并逐步调整步长，直至满足：|u(a^(k))-u(a^(k-1))|＜ε；

其中，ε为一给定的极小的数；若连续p个监控点都满足小于ε，则判定监控信号已进入极值点领域；

4)根据步骤3)确定出的最佳步长h，确定出最佳直线；由于停镀点在极值点附近，在上述数据点中，对应最佳直线的Y轴最大值的点即为优化后的实际停镀点；由于积淀薄膜的厚度跟时间t近成正比，因此在薄膜的淀积过程中,根据该最佳直线，就能够精确地进行膜层淀积厚度的监控。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：通过本方法进行线性拟合计算停镀点，改善了光学极值法停镀时有随机误差的缺点，实现了对极值点的准确判读，最大限度地抑制了噪声及其它信号的干扰；避免监控薄膜沉积时引起的非线性误差而影响极值点的判读；保证了光学薄膜的制备精度。

附图说明

图1为现有技术中采用光电极值法时反射率在靠近极值时的变化曲线图。

图2为现有技术中使用光电极值法监控薄膜沉积时反射率极值点附近时对膜层厚度的反应曲线图。

图3为单层膜的反射曲率曲线图。

图4为单层膜HfO₂的dR/dt曲线图。

图5为模拟线性拟合停镀点的示意图。

图6为具体实施例的薄膜沉积的监控示意图。

图7为具体实施例拟合结果曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：一种光学薄膜的膜厚监控方法，包括如下步骤：

1)利用光电测光法监控膜层的T或者R随膜厚增加过程中的极值点数目，得到以λ/4为基本单位的整数厚度的膜层。其中，单层膜反射率为R，透射率为T，T+R＝1。光电极值法是通过透射率(或者反射率)产生的极值点，来监控光学薄膜沉淀的厚度；其中，不需要考虑膜层吸收时，单层膜反射率的计算公式如下:

式中：n₀为空气折射率；n₁为膜层材料的折射率；n₂为基板的折射率，δ₁为单层膜层的位相厚度。

其中，d₁为膜层(物理)厚度，n₁·d₁则为膜层的光学厚度。

当时，R或T为极值，其中：

①针对一个确定的波长λ，当m＝1,2,3,……时，T或者R具有极值；

②针对一个确定的n₁d₁,当时，T或者R具有极值。

如图3所示，利用TFC软件模拟了HfO₂单层膜的反射率曲线。

2)现有技术中，由于在极值点附近,透过率改变非常缓慢，给提高光学极值法监控精度造成了很大困难；为此，本发明对R取微分，如图4所示，图4为对图3进行微分后的曲线图。当n₁·d₁变化时，dR/d(n₁·d₁)呈周期性变化；当R下降时，dR/d(n₁·d₁)为负值，当R上升时，dR/d(n₁·d₁)为正值。当dR/d(n₁·d₁)＝0时，为反射率R的极值点。由于R(λ₀)难于从电路上实现对n₁·d₁微分，考虑到积淀过程中积淀速率变化不大，即积淀薄膜的厚度跟时间t近成正比，故代之以对时间t进行微分，得到：

3)通过步骤2)，将变化率极小的极值点改成相应的变化率较大的微分信号的零点；从而将R的极值点判定改作零点(定值)判读；由于微分信号在零点位置变化率最大，因此判定误差也就相应的减少。

但是，由于反射率与薄膜的光学厚度之间存在着非线性关系；R极值点(零点)附近，ΔR/Δ(n₁·d₁)也很小，极值点的准确判断还是很困难的。

由于极值点附近的区域非常接近线性，并且停镀点在极值点附近,因此在预设的极值点附近选取合适数目的数据点{x_n,y_n},n＝1,2…,N进行直线拟合，其拟合直线的原则为：应尽可能地逼近已知的各个实验数据点，也就是希望拟合直线和实验数据点之间的最大偏差达到最小，得到最佳直线方程：

y＝a^*x+b^*；

从而把监控信号和光学厚度间的非线性关系转变成为线性关系；这样可以避免掉一系列非线性误差。

则a^*、b^*使为最小，即δ(a^*,b^*)≤δ(a,b)；

对于或

由端点法确定a的初值，利用一维优化方法搜索a^*，用逐次逼近方法，给定初始值a⁽⁰⁾，选取步长h，h的适当选取可加快逼近速度，将a⁽⁰⁾和a⁽¹⁾＝a⁽⁰⁾+h代入目标函数u(x)进行计算并比较大小：

若u(a⁽¹⁾)＜u(a⁽⁰⁾)，则继续以该步长向下搜索，a⁽²⁾＝a⁽¹⁾+h；

若u(a⁽¹⁾)＞u(a⁽⁰⁾)，则选取

以此顺推，并逐步调整步长，直至满足：|u(a^(k))-u(a^(k-1))|＜ε；

其中，ε为一给定的极小的数，若连续p个监控点都满足小于ε，则判定监控信号已进入极值点领域。

4)如图5所示，根据步骤3)确定出的最佳步长h，确定出最佳直线；在上述数据点中，对应最佳直线的Y轴最大值的点即为优化后的实际停镀点；在薄膜的淀积过程中,根据该最佳直线，就能够精确地进行膜层淀积厚度的监控。

下面列举一具体实施例：

使用日本光驰公司的OTFC1300镀膜设备进行了监控薄膜沉积的实验。监控法淀积时所得成膜的反射率实测值与求微分后的实测值均示于图5中。

如图6所述，可以看出，通过原始信号的极值点可以判断出经过微分计算后的判读点应该在926s停镀。那么问题就转化为应该提前多少时间开始预判？通过上面拟合直线的方法选取不同的数目的实验数据点开始进行拟合。拟合时选取100个数据点，对应的时间为25s。根据原始信号的极值点可推算出停镀点的位置。经过多次重复实验调整，确定了最佳的步长h＝5。每次外推5个点，每个点对应时间为0.25s，拟合不同的直线，拟合结果如图7所示。最终选出判断极值点最准确的直线方程。表1给出了设置起判点的位置与对应的预判时间及拟合对应的直线方程。

表1起判点与预判时间之间的关系

最后，根据停镀点的位置，确定出最佳直线方程：

Y＝-0.03x+28.99

因此，监控薄膜沉积时，提前2.5s开始起判为最佳时间。通过这种新算法的处理,把监控信号和光学厚度间的非线性关系转变为线性关系。

该方法与传统的光电极值法相比的优点见表2：

表2本方法与光学极值法监控比较

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种光学薄膜的膜厚监控方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)利用光电测光法监控膜层的T或者R随膜厚增加过程中的极值点数目，得到以λ/4为基本单位的整数厚度的膜层，其中，单层膜反射率为R，透射率为T，T+R＝1：

式中：n₀为空气折射率；n₁为膜层材料的折射率；n₂为基板的折射率，δ₁为单层膜层的位相厚度；

其中，d₁为膜层厚度；

当时，R或T为极值，其中：

①针对一个确定的波长λ，当m＝1,2,3,……时，T或者R具有极值；

②针对一个确定的n₁·d₁,当时，T或者R具有极值；

2)当n₁·d₁变化时，dR/d(n₁·d₁)呈周期性变化；当dR/d(n₁·d₁)＝0时，为反射率R的极值点；由于R(λ₀)难于从电路上实现对n₁·d₁微分，同时，积淀薄膜的厚度跟时间t近成正比，故代之以对时间t进行微分，得到：

3)由于极值点附近的区域非常接近线性，并且停镀点在极值点附近,因此在预设的极值点附近选取合适数目的数据点{x_n,y_n},n＝1,2…,N进行直线拟合，得到最佳直线方程：

y＝a^*x+b^*；

则a^*、b^*使为最小，即δ(a^*,b^*)≤δ(a,b)；

对于或

由端点法确定a的初值，利用一维优化方法搜索a*，用逐次逼近方法，给定初始值a⁽⁰⁾，选取步长h，将a⁽⁰⁾和a⁽¹⁾＝a⁽⁰⁾+h代入目标函数u(x)进行计算并比较大小：

若u(a⁽¹⁾)＜u(a⁽⁰⁾)，则继续以该步长向下搜索，a⁽²⁾＝a⁽¹⁾+h；

若u(a⁽¹⁾)＞u(a⁽⁰⁾)，则选取

以此顺推，并逐步调整步长，直至满足：|u(a^(k))-u(a^(k-1))|＜ε；

其中，ε为一给定的极小的数；若连续p个监控点都满足小于ε，则判定监控信号已进入极值点领域；

4)根据步骤3)确定出的最佳步长h，确定出最佳直线；由于停镀点在极值点附近，在上述数据点中，对应最佳直线的Y轴最大值的点即为优化后的实际停镀点；由于积淀薄膜的厚度跟时间t近成正比，因此在薄膜的淀积过程中,根据该最佳直线，就能够精确地进行膜层淀积厚度的监控。