CN113862629A

CN113862629A - 一种光学薄膜沉积在线膜厚监控系统及方法

Info

Publication number: CN113862629A
Application number: CN202010620578.2A
Authority: CN
Inventors: 刘书琴
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2021-12-31

Abstract

本发明涉及光学薄膜制备技术领域，尤其涉及一种光学薄膜沉积在线膜厚监控系统及方法。该系统包括真空室、工件盘、夹具孔、光源、光谱采集仪、信号传输系统、上位机，工件盘置于真空室内，光谱采集仪置于真空室外部；夹具孔设置在工件盘上，工件盘旋转过程中，夹具孔所在圆环与光源和光谱采集仪构成的光路相交；夹具孔包括与工件盘的旋转轴等距设置的第一通孔和第二通孔；第一通孔或第二通孔上放置监控片；光谱采集仪和上位机通过信号传输系统通信连接。本发明利用光源、光谱采集仪、夹具孔等构成光路，对沉积在工件盘上的薄膜的透过率或反射率光谱进行实时采集，通过上位机计算实时获知薄膜厚度，实现了对光学薄膜厚度的在线直接监控。

Description

一种光学薄膜沉积在线膜厚监控系统及方法

技术领域

本发明涉及光学薄膜制备技术领域，尤其涉及一种光学薄膜沉积在线膜厚监控系统及方法。

背景技术

光学薄膜泛指在光学器件或光电子元器件表面用物理化学等方法沉积的，利用光的干涉现象以改变其光学特性来产生增透、反射、分光、分色、带通或截止等光学现象的各类膜系。光学薄膜的制备是一个复杂的过程，制备过程中包括环境真空条件、蒸发速率、基板温度等工艺因素都会对薄膜的结构和性能产生影响，其中影响最大的往往是薄膜的厚度均匀性。因此在薄膜制备设备中，往往都配有膜厚监控系统。

现阶段用于光学薄膜厚度在线监控的技术是晶振监控。晶振监控的工作机理是基于晶振片的固有频率与其质量的近似线性相关性，如下式所示。

其中，f为晶振片的振动频率，ρ_M和ρ_Q分别为膜料与晶振片的密度，d为膜料厚度，N是与石英晶体的几何尺寸和切割类型相关的频率常数。当膜层质量远小于晶振片的质量时，石英晶体频率的变化Δf与沉积薄膜厚度Δd_M呈近似线性关系。

通过测量固有频率的变化，对横截面积、薄膜密度等常数的数学处理，可实现对沉积在晶振片上薄膜的质量监测，即可间接实现对薄膜厚度的在线监控。然而针对现有晶振监控技术，存在下述两方面的缺点：

一方面，该监控技术对薄膜厚度的监控涉及对薄膜密度等中间常数的数学转换，属于间接测量。确切薄膜密度实际上难以获知，实践中的普遍处理方式是采用椭偏仪等离线方式测量薄膜厚度，与晶振监控所测的薄膜厚度进行对比，从而得到真实的薄膜密度。因间接测量涉及到较多中间步骤，因此晶振监控技术容易引入系统性误差，造成厚度测量不精确，导致产品不合格。

另一方面，离子源辅助沉积是当前薄膜行业普遍采用的工艺。晶振监控技术却难以应用于该场合，其原因在于晶振片表面的金属电极非常容易被离子束破坏，导致测量误差极大甚至无法测量。因此，晶振监控技术只适合于无离子源辅助的场合，势必导致薄膜疏松等质量问题，是当今薄膜行业亟需解决的问题。

此外，晶振监控因涉及到较多中间步骤，导致光学薄膜器件生产成本较高；而且晶振片价格昂贵，使用寿命较短，也增加了光学薄膜器件的生产成本。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提供一种光学薄膜沉积在线膜厚监控系统，对沉积在基片上薄膜的透过率或反射率光谱进行实时采集，通过计算实时获知薄膜厚度。

本发明采用以下技术方案：

一种光学薄膜沉积在线膜厚监控系统，包括真空室、工件盘、夹具孔、光源、光谱采集仪、信号传输系统、上位机，其中：

工件盘置于真空室内，光谱采集仪置于真空室外部；

夹具孔设置在工件盘上，工件盘旋转过程中，夹具孔所在圆环与光源和光谱采集仪构成的光路相交；

夹具孔包括与工件盘的旋转轴等距设置的第一通孔和第二通孔；

第一通孔或第二通孔上放置监控片；

光谱采集仪和上位机通过信号传输系统通信连接；

当采集参数为薄膜透射率光谱时，光源置于工件盘下方，光源发出的光线透过夹具孔被光谱采集仪采集；

当采集参数为薄膜反射率光谱时，光源置于真空室外部，光源发出的光线沿光纤射至夹具孔并反射至光谱采集仪中采集；

光谱采集仪实时采集光谱信息并通过信号传输系统传送至上位机，上位机利用光谱信息计算当前的膜层厚度。

进一步的，光谱采集仪内包括依次设置的窗口滤光片、光阑、聚焦元件、分光元件和感光元件。

进一步的，第一通孔或第二通孔为台阶状结构，用于放置监控片；监控片为石英片或玻璃片。

进一步的，第一通孔和第二通孔与工件盘的旋转轴之间的距离在20mm以上；第一通孔和第二通孔与旋转轴连线的夹角为10-180°。

进一步的，工件盘旋转一周，光谱采集仪采集多组光谱信息并取平均值得到透过薄膜或经薄膜反射的光谱强度I_m、光源光谱强度I_s和噪声光谱I₀。

另一方面，本发明还提供一种光学薄膜沉积在线膜厚监控方法，采用上述监控系统对光学薄膜的厚度进行监控。

进一步的，该监控方法包括以下步骤：

(1)根据工件盘旋转速度和光谱采集频率确定夹具孔和监控片的口径；根据光源和光谱采集仪的位置确定夹具孔在工件盘上的位置；

(2)工件盘旋转，光源交替照射夹具孔所在圆环的各位置，光谱采集仪实现对透过薄膜或经薄膜反射的光谱强度I_m、光源光谱强度I_s和噪声光谱I₀的交替采集；

(3)信号传输系统将光谱采集仪采集到的光谱信息传输至上位机，上位机根据采集的光谱信息计算当前膜层厚度。

进一步的，上位机通过包络法拟合进行计算，所需的参数包括波长范围、光谱、初始膜系设计参数、各膜层材料的色散、入射角；输出的监控数据包括实时光谱、目标光谱、在镀层薄膜实时厚度及误差范围、在镀层目标厚度。

进一步的，上位机在线测量单层膜或多层膜的光谱；上位机对单层膜或多层膜各膜层的色散进行计算，所需计算参数包括波长范围、光谱和初始膜系设计参数；输出数据包括单层膜或多层膜中各膜层厚度，单层膜或多层膜中各膜层的色散。

进一步的，上述方法还包括：上位机根据用户指定的膜层色散和膜层厚度计算单层膜或多层膜的光谱，并根据用户指定的光谱目标进行膜厚设计。

本发明的光学薄膜沉积在线膜厚监控系统及方法，具有以下有益效果：

(1)本发明的光学薄膜沉积在线膜厚监控系统，通过在工件盘上设置监控片，利用光源、光谱采集仪、夹具孔等构成光路，对沉积在工件盘上的薄膜的透过率或反射率光谱进行实时采集，通过上位机计算实时获知薄膜厚度，实现了对光学薄膜厚度的在线直接监控；通过在薄膜沉积生产过程中直观监测实时光谱及膜厚，避免了晶振监控法的膜层密度校准等中间步骤，有效减少了系统误差，减少工艺步骤及工艺成本，提升生产效率。

(2)本发明无需采用晶振片，克服了晶振监控技术无法应用于离子束辅助沉积的缺点，使用普通石英或者其他透明基片作为监控基片，避免了金属电极，不再受离子束的破坏，可用于离子束辅助沉积等有高能离子束的场合，扩大了该薄膜厚度在线监控系统的应用范围。

(3)本发明的光学薄膜沉积在线膜厚监控方法，根据工件盘旋转速度和光谱采集频率确定夹具孔和监控片的口径，使得工件盘旋转一周过程中，可对第一通孔和第二通孔处光谱信息进行多次采集，使得在计算过程中通过求平均值可有效减小误差，提高该监控方法的有效性和正确性。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明的以透射率光谱为采集参数的光学薄膜沉积在线膜厚监控系统示意图；

图2为本发明的以反射率光谱为采集参数的光学薄膜沉积在线膜厚监控系统示意图；

图3为本发明的在线膜厚监控系统中工件盘结构俯视图；

图4为本发明的在线膜厚监控系统中窗口滤光片对光源强度的修正作用示意图；

图5为本发明的在线膜厚监控方法中多次采集结果示意图；

图6为本发明的在线膜厚监控系统测量的真空环境下TiO₂薄膜透过率光谱及色散曲线图；

图7为利用本发明的在线膜厚监控系统进行膜系设计的光谱图；

图8为本发明的在线膜厚监控系统监测光谱图；

图9为本发明的在线膜厚监控方法中拟合计算膜层厚度实时监测图；

图中：1-真空室，2-工件盘，3-夹具孔，31-第一通孔，32-第二通孔，4-光源，5-光谱采集仪，51-窗口滤光片，52-光阑，53-聚焦元件，54-分光元件，55- 感光元件，6-光纤，7-真空室透明窗口，8-光线。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

一种光学薄膜沉积在线膜厚监控系统，如图1-3所示，包括真空室1、工件盘2、夹具孔3、光源4、光谱采集仪5、信号传输系统、上位机(图中未示出)，其中：

工件盘2置于真空室1内，光谱采集仪5置于真空室1外部；

夹具孔3设置在工件盘2上，工件盘2旋转过程中，夹具孔3所在圆环与光源4和光谱采集仪5构成的光路相交；

夹具孔3包括与工件盘2的旋转轴等距设置的第一通孔31和第二通孔32；

第一通孔31或第二通孔32上放置监控片；

光谱采集仪5和上位机通过信号传输系统通信连接；

当采集参数为薄膜透射率光谱时，如图1所示，光源4置于真空室1内部、工件盘2下方，光源4发出的光线8透过夹具孔3被光谱采集仪5采集；

当采集参数为薄膜反射率光谱时，如图2所示，光源4置于真空室1外部，光源4发出的光线沿光纤6射至夹具孔3并反射至光谱采集仪5中采集；

光谱采集仪5实时采集光谱信息并通过信号传输系统传送至上位机，上位机利用光谱信息计算当前的膜层厚度。

本发明的光学薄膜沉积在线膜厚监控系统，通过在工件盘上设置监控片，利用光源、光谱采集仪、夹具孔等构成光路，对沉积在工件盘上的薄膜的透过率或反射率光谱进行实时采集，通过上位机计算实时获知薄膜厚度，实现了对光学薄膜厚度的在线直接监控；通过在薄膜沉积生产过程中直观监测实时光谱及膜厚，避免了晶振监控法的膜层密度校准等中间步骤，有效减少了系统误差，减少工艺步骤及工艺成本，提升生产效率。

具体的，光谱采集仪5内包括依次设置的窗口滤光片51、光阑52、聚焦元件53、分光元件54和感光元件55。同时，真空室1上部设置有真空室透明窗口7，供光源4穿过。

光源提供涵盖近紫外—近红外波段(350-1200nm)的光，光强-波长分布由光谱采集仪5的窗口滤光片51进行修整，均匀的强度分布有利于提高测量精度；光阑52可以为孔径光阑或其它可以减小透光口径的光通道；聚焦元件53可以为凸透镜、凹镜等，功能是实现光线聚焦；分光元件54可以为棱镜、光栅等，功能是实现不同波长光线的空间分离；感光元件55可以为CCD、光电倍增管等，功能是实现不同波长光线强度的测量。

本发明采集的光谱为一段波长范围的光谱，具体光谱范围取决于光源4和光谱采集仪5的设计；在光谱采集仪5内部，光线依次穿过窗口滤光片51、光阑52、聚焦元件53、分光元件54、感光元件55，各元件在光路的顺序可调整。制备完成的光谱仪需要检测汞光源或其它校准光源，以校准实际光谱探测范围。

具体的，在本发明的一些实施例中，感光元件对相对强度40％以上的光最为敏感。如图4所示，如果无窗口滤光片51，有效探测波段为750-900nm；在光谱采集仪5上加窗口滤光片51后，探测波段得以展宽，为550-1050nm。探测波段的展宽能有效减小系统误差。

具体的，第一通孔31或第二通孔32为台阶状结构，用于放置监控片；监控片为石英片或玻璃片。本发明无需采用晶振片，克服了晶振监控技术无法应用于离子束辅助沉积的缺点，使用普通石英或者其他透明基片作为监控基片，避免了金属电极，不再受离子束的破坏，可用于离子束辅助沉积等有高能离子束的场合，扩大了该薄膜厚度在线监控系统的应用范围。

具体的，如图3所示，第一通孔31和第二通孔32与工件盘旋转轴连线的夹角为10-180°，以不相互干扰光路的工作为准。

具体的，工件盘2旋转一周，光谱采集仪5采集多组光谱信息；优选的，分别采集光源光谱和监控片光谱至少三次。在本发明的一些实施例中，根据工件盘旋转速度和光谱采集频率确定夹具孔和监控片的口径，进而使得在工件盘旋转一周过程中实现对光源光谱和监控片光谱的多次采集，利用多次采集求均值可减少系统误差。

具体的，光路与工件盘的旋转轴的间距可根据实际情况进行不同设置，优选的，第一通孔31和第二通孔32与工件盘的旋转轴之间的距离在20mm以上。同时，光路与监控片法线方向可保持一定的夹角，该夹角若小于6°，则上位机进行计算时无需特殊设置，否则应精确测量夹角，并在计算中带入该参数。

具体的，该监控方法包括以下步骤：

具体的，在本发明的一些实施例中，光谱采集仪、光源与工件盘上的夹具孔共同构成光路。更具体的，工件盘上与光路相交的圆环上设置的夹具孔包括第一通孔和第二通孔，在其中一个中放置监控片，另一个保留为通孔，其余不透光部分为暗孔；通过工件盘的旋转，监控片、通孔、暗孔交替穿过光路。当以透射率为采集光谱参数时，光谱采集仪实现对透过薄膜的光谱强度I_m、光源光谱强度I_S和噪声光谱I₀的交替采集，该位置处基片上薄膜的透射率为：

T＝(I_m-I₀)/(I_s-I₀)

上位机能根据光谱采集仪采集的各项数据实时计算薄膜的厚度，该设计方案有效避免了沉积在真空腔壁、窗口等光路其它部位的膜层对检测的干扰。

更具体的，工件盘旋转一周，采集多组光谱信息并取平均值得到透过薄膜或经薄膜反射的光谱强度I_m、光源光谱强度I_S和噪声光谱I₀。优选的，在工件盘旋转一周过程中，实现对光源光谱和监控片光谱的至少各三次采集，求均值可减小系统误差。

具体的，作为本发明的一个实施方式，工件盘旋转速度为10rpm，光谱采集频率为24帧，夹具孔直径为25mm，相应的监控片口径为25mm；夹具孔距离工件盘旋转轴120mm，第一通孔和第二通孔与旋转轴连线的夹角为90°。在工件盘旋转一周过程中，对每个夹具孔的采集次数为5次，如图5所示。通过求平均值可有效减小误差。

具体的，上位机能根据薄膜透过率或反射率光谱直接计算各膜层的厚度，算法基于对薄膜光谱的包络法拟合；进行计算所需的参数包括波长范围、光谱、初始膜系设计参数、各膜层材料的色散、入射角，无需膜层密度等中间参数；输出的监控数据包括实时光谱、目标光谱、在镀层薄膜实时厚度及误差范围、在镀层目标厚度。

更具体的，上位机能对不同真空环境下单层薄膜或多层薄膜的色散进行计算，所需计算参数为：波长范围、光谱和初始膜系设计参数；输出数据为：单层或多层膜中各膜层厚度，单层膜或多层膜各膜层的色散。膜层色散可保存为单独文件，亦可直接传递给膜系设计模块。

具体的，在本发明的一些实施例中，上述方法还包括：上位机提供薄膜设计窗口，根据用户指定的膜层色散和膜层厚度计算单层膜或多层膜的光谱，并根据用户指定的光谱目标进行膜厚优化，实现膜系设计。

以上对本发明的光学薄膜沉积在线膜厚监控系统做了详细的描述，下面将结合具体实施例做进一步说明。

实施例1

在本实施例中，由基于透射率参数的在线膜厚监控系统采集了10^-2Pa真空环境下TiO₂单层膜的透射率光谱，并由上位机计算该薄膜在真空环境下的色散，如图6所示分别显示了测量光谱、拟合光谱以及薄膜色散。

图7所示为采用TiO₂和SiO₂进行的膜系设计实施例。初始膜系为中心波长在800nm的膜堆(HL)⁸，初始光谱如图7中虚线所示。本次设计的目标是实现 532nm的零透过率以及1064nm的100％透过率，如图7中的点线图所示。经过程序优化后的膜系光谱如图7中实线曲线所示，实现了既定目标。

实施例2

如图8-9所示，为对一单层膜膜厚监控的测试图。图8为监测的透过率光谱图，同时显示了目标膜厚对应的光谱、当前光谱测量曲线，以及根据拟合的厚度所计算的曲线。三条光谱曲线接近重合，说明当前厚度已达到目标膜厚。图9 所示为根据光谱计算的膜层厚度数据，同时显示了目标膜厚和当前膜厚以及可能的误差范围。该测试持续50s，大约10s采集一次薄膜厚度，膜厚误差在3nm 以内。

本发明的光学薄膜沉积在线膜厚监控系统和方法，实现了对沉积过程中薄膜光谱和厚度的直接测量，避免了晶振监控法的膜层密度校准等中间步骤；且采用石英或玻璃等作为监控片替代常用的晶振片，避免了离子束对监控基片的破坏，使其可应用于离子束辅助沉积等需要采用离子源的沉积方式，降低成本且增大适用范围；同时从监测光谱图等结果可见，本发明的监控方法测试结果精准，有助于更好的实现对薄膜厚度的监测。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims

1.一种光学薄膜沉积在线膜厚监控系统，其特征在于，包括真空室、工件盘、夹具孔、光源、光谱采集仪、信号传输系统、上位机，其中：

所述工件盘置于所述真空室内，所述光谱采集仪置于所述真空室外部；

所述夹具孔设置在所述工件盘上，所述工件盘旋转过程中，所述夹具孔所在圆环与所述光源和光谱采集仪构成的光路相交；

所述夹具孔包括与所述工件盘的旋转轴等距设置的第一通孔和第二通孔；

所述第一通孔或第二通孔上放置监控片；

所述光谱采集仪和所述上位机通过所述信号传输系统通信连接；

当采集参数为薄膜透射率光谱时，所述光源置于所述工件盘下方，所述光源发出的光线透过所述夹具孔被所述光谱采集仪采集；

当采集参数为薄膜反射率光谱时，所述光源置于所述真空室外部，所述光源发出的光线沿光纤射至所述夹具孔并反射至所述光谱采集仪中采集；

所述光谱采集仪实时采集光谱信息并通过所述信号传输系统传送至所述上位机，所述上位机利用所述光谱信息计算当前的膜层厚度。

2.根据权利要求1所述的光学薄膜沉积在线膜厚监控系统，其特征在于，所述光谱采集仪内包括依次设置的窗口滤光片、光阑、聚焦元件、分光元件和感光元件。

3.根据权利要求1所述的光学薄膜沉积在线膜厚监控系统，其特征在于，所述第一通孔或第二通孔为台阶状结构，用于放置所述监控片；所述监控片为石英片或玻璃片。

4.根据权利要求1所述的光学薄膜沉积在线膜厚监控系统，其特征在于，所述第一通孔和第二通孔与所述工件盘的旋转轴之间的距离在20mm以上；所述第一通孔和第二通孔与旋转轴连线的夹角为10-180°。

5.根据权利要求1所述的光学薄膜沉积在线膜厚监控系统，其特征在于，所述工件盘旋转一周，所述光谱采集仪采集多组光谱信息并取平均值得到透过薄膜或经薄膜反射的光谱强度I_m、光源光谱强度I_S和噪声光谱I₀。

6.一种光学薄膜沉积在线膜厚监控方法，其特征在于，采用权利要求1-5中任一项所述的监控系统对光学薄膜的厚度进行监控。

7.根据权利要求6所述的光学薄膜沉积在线膜厚监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

(3)信号传输系统将所述光谱采集仪采集到的光谱信息传输至上位机，所述上位机根据采集的光谱信息计算当前膜层厚度。

8.根据权利要求7所述的光学薄膜沉积在线膜厚监控方法，其特征在于，所述上位机通过包络法拟合进行计算，所需的参数包括波长范围、光谱、初始膜系设计参数、各膜层材料的色散、入射角；输出的监控数据包括实时光谱、目标光谱、在镀层薄膜实时厚度及误差范围、在镀层目标厚度。

9.根据权利要求8所述的光学薄膜沉积在线膜厚监控方法，其特征在于，所述上位机在线测量单层膜或多层膜的光谱；所述上位机对单层膜或多层膜各膜层的色散进行计算，所需计算参数包括波长范围、光谱和初始膜系设计参数；输出数据包括单层膜或多层膜中各膜层厚度，单层膜或多层膜中各膜层的色散。

10.根据权利要求9所述的光学薄膜沉积在线膜厚监控方法，其特征在于，所述方法还包括：所述上位机根据用户指定的膜层色散和膜层厚度计算单层膜或多层膜的光谱，并根据用户指定的光谱目标进行膜厚设计。