CN1718851A - 光学膜系制备的监控装置 - Google Patents

Abstract

光学膜系制备的监控装置，属于光学薄膜的镀膜设备，解决现有监控装置设备昂贵，成本高的问题。本发明在真空室内设置有坩埚或舟、挡板、比较片和夹具，夹具下方位置装有可转动的复合调制板；光源入射光通过真空室入射窗口到达比较片、经反射后通过出射窗口直接耦合进光导纤维，再顺序进入光信号探测器、膜厚控制仪；复合调制板由径向均匀开有M个扇形孔的两块相同的圆形板叠合而成。本发明可以提高镀制规整膜系的监控精度，准实时监控膜料折射率，通过监控规整膜系来镀制非规整膜系，精确镀制紫外膜系，还可简化通用镀膜机的光控系统，降低成本并提高该系统的信噪比和监控精度。在现有一般的镀膜机上进行简单的改造即可完成，简便易行，通用性好。

Description

光学膜系制备的监控装置

技术领域

本发明属于光学薄膜的镀膜设备，具体涉及镀膜机膜层监控装置。

背景技术

在光学薄膜的制备过程中，需要对膜系各膜层的折射率及光学厚度进行有效的监控。薄膜折射率的适时监控方法有椭偏仪测试法，它能适时监测但设备昂贵；膜厚监控方法有：光学极值法、波长调制法、石英晶体监控法以及宽光谱扫描法。光学极值法是使用最广泛的监控方法，它直接监控膜层的光学厚度，但控制精度低；成都南光厂生产的ZZS-700/G型镀膜机是使用光学极值法的一种典型设备，在真空室内设置有坩埚或舟、其上方有挡板，真空室内上部设置有比较片和夹具，比较片为工位数大于2的多工位比较片，薄膜制备过程中可以轮换；光源发出入射光通过真空室底部的入射窗口到达比较片、经反射后通过真空室底部的出射窗口直接耦合进光导纤维，其中的光信号再顺序进入单色仪、光电倍增管和膜厚控制仪。波长调制法是测量比较片的反射率对波长的导数，其控制波长是一个波段；石英晶体监控法监控的是膜层的物理厚度而非光学厚度，且精度随膜厚的增加而降低；宽光谱扫描法要求扫描控制十分精确可靠及终点判断精度高。

以上监控方法若要达到较高的监控精度，则设备昂贵，成本较高；而那些价格相对低廉的设备，其控制精度又难以令人满意。因此，有必要寻找一种简单易行、成本较低，监控精度又能满足当前光学薄膜设计要求的监控方法。

发明内容

本发明提出一种光学膜系制备的监控装置，在现有镀膜机的光控系统上进行简单的改造来实现，解决现有监控装置达到较高的监控精度设备昂贵，成本高的问题。

本发明一种光学膜系制备的监控装置，在真空室内设置有坩埚或舟、其上方有挡板，真空室内上部设置有比较片和夹具，所述比较片为工位数大于2的多工位比较片，薄膜制备过程中可以轮换；光源发出入射光通过真空室底部的入射窗口到达比较片、经反射后通过真空室底部的出射窗口直接耦合进光导纤维，其中的光信号再顺序进入光信号探测器、膜厚控制仪；其特征在于所述真空室中的夹具下方位置装有可转动的复合调制板；所述复合调制板由径向均匀开有M个扇形孔的两块相同的圆形板叠合而成，所述圆形板为球面形金属薄板，圆形板圆心处开有圆孔、其直径略大于控制片的直径。

所述光学膜系制备的监控装置，其特征在于所述圆形板从圆心等分为M份，每等份上开有一径向扇形孔，扇形孔与其旁边扇形板的圆心角之比为1，扇形孔对应的圆心角θ＝π/M；两块圆形板圆心重合、可相对旋转角度α，α≤θ。

所述光学膜系制备的监控装置，其特征在于所述光源为白光光源；所述光信号探测器由单色仪和光电倍增管连接组成。

所述光学膜系制备的监控装置，其特征在于所述光源为激光光源；所述光信号探测器为激光探测器。

在本发明中，调制板由两片形状大小相同的圆形板重叠组成，当两圆形板互相将对方的扇形孔完全遮挡，这时定义α为0；当两板完全重合，扇形孔完全开放时α＝θ。定义复合调制板的调制比为：两圆形板相对旋转形成的扇形孔圆心角α与调制板M等分中，每等份对应的圆心角(2π/M)之比，用k表示，则k＝Mα/2π(0≤k≤0.5)，显然，调制比k与相对角α是线性关系。并且，调制比k与设计波长、监控波长的关系为k＝设计波长/监控波长，其中设计波长为需要镀制的薄膜波长，监控波长为选定的监控光的波长。在使用时，一板固定，另一板可被控精确的转动一个角度，这样两板重合后的调制比可调，其大小可在零到0.5之间变化。扇形孔全被遮挡时，调制比为0；扇形孔完全不被遮挡时，为0.5。基片和比较片都处于调制板的上方，但与调制板的垂直距离不大于10mm±5mm。在镀膜过程中，调制板匀速转动，这样由于蒸镀到基片的膜料被均匀遮挡掉一定比例，比较片的膜料不被遮挡，实现比较片上的膜厚与基片上的膜厚成一定比例。比较片的膜厚由监控波长和监控级次共同决定，基片的膜厚由比较片的膜厚和复合调制板的调制比共同决定。该装置可应用于以下几个领域：

1)可镀制一般的规整膜系，并可提高原光电极值监控系统的控制精度。举例来说，若选定设计波长和监控波长为λ，调制比选定为0.5，当比较片上的膜厚为λ/4时，基片上的膜厚为比较片上膜厚的二分之一，即λ/8。这时并不停止镀膜，当比较片上的膜厚为λ/2时，基片上的膜厚为λ/4时，用光电极值法监控并停镀。此时若比较片上膜厚的监控误差为10nm，因为基片上的膜厚为比较片上膜厚的二分之一，基片上的误差也为比较片上误差的二分之一，即5nm。若减小调制比，那么误差还可以进一步减小，但膜料的耗费会相应的增加。

2)准实时的监控膜料的折射率。当调制板的两块圆形板相对旋转θ角(即k＝0)时，通孔面积为零，基片的膜料被全部遮挡，此时只给比较片镀膜。当膜厚达到监控波长的四分之一时，比较片的反射率达到极值： $R={\left(\frac{n_0-n_1^2/n_g}{n_0+n_1^2/n_g}\right)}^2,$ 其中n₁为薄膜的折射率，n₀为入射介质折射率，n_g为比较片的折射率，n₀、n_g已知，根据反射率的读数R即可求出薄膜的折射率n₁，从而实现该工艺条件下薄膜折射率的“准”适时监控。

3)镀制紫外膜系。现有镀膜机的光学监控波长在紫外区需达到200nm，但是对于现有的光源在波长小于380nm时，监控信号变弱、不稳定，因而监控效果不理想。本装置选用稳定的长波长的光对紫外光学薄膜进行监控，变薄为厚，使比较片上的膜厚对于基片上的膜厚成一定比例，该比例由设计波长、监控波长来决定。

4)镀制非规整膜系。在膜系设计中，对膜系进行优化后，一般得到的是非规整膜系。这些膜系的理论模拟结果可以非常精确的达到设计要求，但是如何镀制仍然是一难题。关键就在于非规整膜系的膜厚难以用一般的光学方法进行监控；若用晶振监控法，若薄膜层数较多时，其累积的监控误差较大，也难以达到要求。本发明可以通过改变调制比，来改变比较片上的膜厚相对于基片上的膜厚的比例，从而用光电极值法监控规整膜系来镀制非规整膜系。

使用本发明时，首先算出调制比，它等于设计波长/监控波长。若设计的膜厚为非规整膜系，设其非规整系数为x，则这时的调制比为x(设计波长/监控波长)。这样通过改变调制比，就可镀制非规整膜系。

本发明的优点在于：

1.应用范围广，可镀制一般的规整膜系，并可提高原光电极值监控系统的控制精度；将调制比设为0时，可准实时的监控一定工艺条件下膜料的折射率，而基片上并未镀膜；通过改变调制比，可容易的实现用光电极值法监控规整膜系来镀制非规整膜系；可镀制紫外膜系，使镀膜机的镀膜波段向短波方向大幅度扩展，并极大的简化了短波长薄膜的镀制对镀膜机光控系统的要求。

2.结构简单，极大简化通用镀膜机的光控系统，成本低廉，装卸方便，通用性好，可以方便的对现有镀膜机进行改造；提高监控系统的信噪比，从而提高了监控精度。

附图说明

图1为本发明的一个实施例结构示意图；

图2为本发明的复合调制板结构示意图；

图3为本发明另一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

图1所示为本发明的一个实施例，图中光源1、比较片2、光导纤维3、单色仪4、光电倍增管5、膜厚控制仪6、坩埚或舟7、膜料8、挡板9、夹具10、基片11、复合调制板12及真空室13。比较片2是多工位比较片(工位数大于2)，薄膜制备过程中可以轮换。其中除复合调制板12以外，均为现有镀膜机的光电极值膜厚监控系统的现成装备，只要在真空室(13)中的夹具(10)下方10mm±5mm位置加装复合调制板(12)即可完成改造。简便易行。

复合调制板12由径向均匀开有18个扇形孔的两块相同的圆形板叠合而成，见附图2，构成复合调制板12的圆形板为球面形金属薄板，以保证镀膜的均匀性，圆形板圆心处开有略大于控制片的圆孔，使控制片不被遮挡。圆形板等分为18份，每等份对应的圆心角为2π/18；每等份上开有一径向扇形孔，扇形孔对应的圆心角为θ(θ＝π/18)；图中圆形板的圆环部分12-1；圆心角为θ的扇形孔12-2。两块调制板可相对旋转一定角度α(α≤θ)，α的大小可以调节。

镀膜时，复合调制板12固定在真空室13内旋转夹具10的正下方，与旋转夹具10同心，高度方向上尽量与旋转夹具10接近，复合调制板12固定不动，基片11随旋转夹具10旋转运动。镀制时，由于比较片2未被遮挡，其膜厚与监控波长相符，而基片11被复合调制板12按一定比例遮挡掉一部分膜料，因此基片11上的膜厚为比较片2上膜厚的几分之一，这一比例由复合调制板12的调制比来决定。

镀膜实施例：使用复合调制板制备GaN管芯端面410nm超低剩余反射薄膜

外腔型GaN半导体激光器有着广泛的应用前景。它需要在GaN管芯的端面镀制超低剩余反射率薄膜，R＜0.1％@ 407nm-415nm，激光器工作波长为410nm，GaN在410nm处的折射率为n_GaN＝2.4。单层增透膜的设计要求为：n＝1.55±0.02，d＝66.13±2nm，选用氧化铝作薄膜材料，制备该薄膜的难点在于准确地监控膜层的折射率和光学厚度。现采用成都南光厂生产的ZZS-700/G型镀膜机改装，该机控制波长为可见光，在450nm-700nm监控光信号理想。

第一步：准适时监控膜层的折射率。实验采用单面抛光的硅片作比较片，反射式监控，n_Si＝3.45，单面剩余反射为30.3％。设置复合调制板的调制比K＝0，即基片被完全遮挡。此时镀制薄膜，根据 $R={\left(\frac{n_0-n_1^2/n_g}{n_0+n_1^2/n_g}\right)}^2,$ 比较片读数下降的极值达到2.8-3.2％，则膜层的折射率为n＝1.55±0.02。稳定工艺参数，更换比较片的工位，设置适当的调节比K，可实现对管芯的镀膜。

第二步：准确监控膜层的厚度。由于极值法的监控精度一般为5-6％，不能满足要求，所以需要提高膜厚的监控精度。设置复合调制板的调制比K＝1/5，监控波长为512.5nm，共镀制四个极值，则膜层的物理厚度为66.13nm，监控精度为512.5÷4÷1.55×0.05÷5＝0.83nm，满足膜厚监控精度的要求。

图3所示为本发明另一个实施例的结构示意图。图中比较片2、光导纤维3、膜厚控制仪6、坩埚或舟7、膜料8、挡板9、夹具10、基片11、复合调制板12、真空室13、激光探测器14、激光光源15；与图1相比更换了光源，增加了低廉的激光探测器，省去了单色仪、光电倍增管等昂贵设备。该实施例选定一单色的激光光源作为监控光，由于调制比＝设计波长/监控波长，固定监控波长而改变调制比来适应设计波长变化的要求，就可省去一般光电极值监控系统的单色仪、光电倍增管等昂贵的设备，从而极大的降低成本。同时，由于激光的单色性、稳定性好和相对于一般光源的高功率，可极大的提高监控信噪比和控制精度。

Claims (4)

1、一种光学膜系制备的监控装置，在真空室内设置有坩埚或舟、其上方有挡板，真空室内上部设置有比较片和夹具，所述比较片为多工位比较片，薄膜制备过程中可以轮换；光源发出入射光通过真空室底部的入射窗口到达比较片、经反射后通过真空室底部的出射窗口直接耦合进光导纤维，其中的光信号再顺序进入光信号探测器、膜厚控制仪；其特征在于所述真空室中的夹具下方位置装有可转动的复合调制板；所述复合调制板由径向均匀开有M个扇形孔的两块相同的圆形板叠合而成，所述圆形板为球面形金属薄板，圆形板圆心处开有圆孔、其直径略大于控制片的直径。

2、如权利要求1所述的光学膜系制备的监控装置，其特征在于构成所述复合调制板的圆形板从圆心等分为M份，每等份上开有一径向扇形孔，扇形孔与其旁边扇形板的圆心角之比为1，扇形孔对应的圆心角θ＝π/M；两块圆形板圆心重合、可相对旋转角度α，α≤θ。

3.如权利要求1或2所述的光学膜系制备的监控装置，其特征在于所述光源为白光光源；所述光信号探测器由单色仪和光电倍增管连接组成。

4.如权利要求1或2所述的光学膜系制备的监控装置，其特征在于所述光源为激光光源；所述光信号探测器为激光探测器。

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