光学薄膜监控技术

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1、光学薄膜监控技术薄膜厚度是薄膜最重要的参数之一，它影响着薄膜的各种性质及其应用。薄膜淀积速率是制膜工艺中的一个重要参数，它直接影响薄膜的结构的特性。重点：薄膜厚度的测量和监控。监控基本概述质量厚度定义为单位面积上的膜质量光学薄膜的沉积监控技术是光学薄膜制备的关键技术之一对薄膜的监控主要是对膜层厚度的监控薄膜厚度有三种概念，即几何厚度、光学厚度和质量厚度。光学厚度是物理厚度与膜层材料折射率的乘积，即nd；几何厚度表示膜层的物理厚度；★膜厚的分类厚度：是指两个完全平整的平行平面之间的距离。理想薄膜厚度：基片表面到薄膜表面之间的距离。由于薄膜具有显微结构，要严格定义和精确测量薄膜厚度，实际上比较困难

2、的。薄膜厚度的定义是与测量方法和目的相关的。衬底的平均表面薄膜形状表面质量等价表面物性等价表面形状厚度dT是接近与直观形式的厚度。质量厚度dM反映了薄膜中质量的多少。物性厚度dP实际使用较少。目视法：目视观察薄膜干涉色的变化来控制介质膜的厚度。基板镀膜后，入射光在薄膜的两个分界面分成两束反射光，这两束反射光是相干的，各个波长的反射光强度就不相等，带有不同的干涉色彩，不同的膜厚对于不同的颜色。镀制单层的MgF2，对绿光减反射，反射光是紫红色。★目视法★光学方法光吸收法测量薄膜透射光强度。式中，为入射光强度，透射光强度，膜厚，吸收系数，薄膜与空气界面的反射率。方法简单适合于连续薄膜光干涉法(光电极

3、值法）光学薄膜需要监控的是光学厚度，而不是几何厚度。是光学厚度，可用波长表示。当、、确定后，反射率只与薄膜厚度有关；薄膜厚度连续变化时，透射率或反射率出现周期性极值；透过或反射光强度为薄膜厚度的函数。例题：设计淀积2m厚的SiO薄膜，已知SiO的折射率为2.0，监控片的折射率为1.5，单色光波长为1m，假设薄膜吸收为零，如何监控？根据干涉原理：监测到第8个最大值即可。极值法在基片上镀制单一层膜时，薄膜的透射光或反射光强度随着薄膜厚度的变化曲线呈余弦状。极值法：监控淀积过程中出现极值点的次数来控制四分之一波长整数倍膜层厚度极值法控制技巧直接控制：全部膜层直接由被镀样品进行控制第一，相邻膜层之

4、间能自动进行膜厚误差的补偿；第二，避免了因凝集特性变化所引起的误差。因而使窄带滤光片获得较高的波长定位精度。过正控制：镀制过程中故意产生一个一致性的过正量，以减少判断厚度的随机误差（极值监控时常用的控制手段）。极值法控制技巧定值法控制：在干涉截止滤光片中有特殊应用。由于定值法的停点一般选择在远离极值点，所以其控制精度是非常高的。若ΔT=1%，则高折射率层的膜厚相对精度P=1.35%，低折射率层P=3.9%主要用于截止滤光片的制造单波长监控系统单光路系统：不能排除光源波动和电路系统暗噪声、漂移影响，称为“光量测量”。相对测量精度可以达到0.01%。双光路系统：通过对参考光和暗信号的测量，消除光源

5、和电路暗噪声、漂移影响，为“光度测量”。绝对测量精度可以达到0.001%单波长监控系统单波长监控系统-硬件特点高分辨率单色仪焦距150mm，光栅1200线。波长范围350nm-900nm。线色散5.4nm/mm，狭缝10μm-3mm可调高灵敏度探测器CR114光电倍增管：185-870nm宽谱响应锁相放大器，从强干扰中提取弱信号单波长监控系统-软件处理材料色散和折射率测量n（λ）=A0+A1/λ+A2/λ2数据处理：剔除粗大误差双光路系统采用13HZ斩波器对参照光、信号光、暗底三相分频用直流放大器取代锁相放大器，锁相放大器有信号延迟的缺点双光路优点参考光测量消除光源发光功率波动的影响暗信号测量

6、消除杂散光以及电路系统暗电流的影响误差传递和累积膜层设计厚度含误差厚度误差误差百分比183.7nm88.7nm5nm6%2119.6nm122.6nm3nm2.5%329.9nm36.7nm7nm23.4%4159.4nm153.4nm-6nm-3.76%565.9nm61.9nm-4nm-6.1%绝对误差（nm）1.4H1.2L0.5H1.6L1.1H(膜层)停点选择对控制精度的影响以G/H/A膜系为例，nH=2.35,λ0=550nmλc=550nm;当光度值变化0.01%，厚度的相对误差为1%。λc=500nm;当光度值变化0.01%，厚度的相对误差为0.1%单层膜的厚度误差分析AB监控

7、法所谓AB监控法，就是设计一个监控装置，采用AB两块监控片交替使用，把一个由高低折射率组成的膜系的膜层顺序打乱，低折射率材料膜层镀在A监控片上，高折射率材料膜层镀在B监控片上。AB监控法的优点第一，适当地移动监控波长，可以使各层膜理论停点选择在远离极值点位置，从而得到高的膜厚监控精度；第二，由于膜层材料是单一的，理论上的反射率极大值点与极小值点是可以预测的，利用这些极值点作为参照点，发展一种实用的