11光学薄膜监控技术

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。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。响薄膜的结构的特性。 重点：薄膜厚度的测量和监控。重点：薄膜厚度的测量和监控。 监控基本概述监控基本概述 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；

2、 几何厚度表示膜层的物理厚度； 厚度：是指两个完全平整的平行平面之间的距离。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。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，实际上比较困难的。厚度，实际上比较困难的。 薄膜厚度的定义是与测量方法和目的相关的。薄膜厚度的定义是与测量方法和目的相关的。 S S衬底的平均表面衬底的平均表面 T S薄膜形状表面薄膜形状表面 质量等价表面质量等价表面 M S 物性等价表面物性等价表面 P S 形状厚度形状厚度dT是接近

3、与直观形式的厚度。是接近与直观形式的厚度。 质量厚度质量厚度dM反映了薄膜中质量的多少。反映了薄膜中质量的多少。 物性厚度物性厚度dP实际使用较少。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。 目视法目视法 q 光干涉法光干涉法( (光电极值法）光电极值法） 光学薄膜需要监控的是光学厚度，而不是几何厚度。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

4、用波长表示。是光学厚度，可用波长表示。 f nd 111 52 10 2 121201 3 101212011201 iii t errtterrttettE 1 1 2 1210 1210 1 i i t err ett E dn rr t n n rr t n n E n n T f t 4 cos21 2cos21 2 2 0 2 1 2 2 0 2 2 0 2 d 0 n f n s n 0 f s 10 r 20 r 12 t 10 t 1201t tt 1210r rr 当当 、 、 确定后，反射率只与薄膜厚度有关；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

5、率出现周期性极薄膜厚度连续变化时，透射率或反射率出现周期性极 值；值； 透过或反射光强度为薄膜厚度的函数。透过或反射光强度为薄膜厚度的函数。 f n s n 0 n 例题：设计淀积例题：设计淀积2 2 m m厚的厚的SiOSiO薄膜，已知薄膜，已知SiOSiO的折射率为的折射率为2.02.0， 监控片的折射率为监控片的折射率为1.51.5，单色光波长为，单色光波长为1 1 m m，假设薄膜吸收为，假设薄膜吸收为 零，如何监控？零，如何监控？ 根据干涉原理：根据干涉原理： 4 f mn d 4 4 2 2 16 1 f n d m 监测到第监测到第8 8个最大值即可。个最大值即可。 极值法 在基

6、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T=1%，则高折

7、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10m-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，

8、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（）=A0+A1/+A2/2 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 183.7nm88.7nm 5nm 6% 2119.6nm122.6nm 3nm 2.5% 329.9nm36.7nm 7nm 23.4% 4159.4nm153.4nm -6nm -3.76% 565

9、.9nm61.9nm -4nm -6.1% 绝对误差（nm） 1.4H 1.2L 0.5H 1.6L 1.1H (膜层) 停点选择对控制精度的影响 以G/H/A膜系为例，nH=2.35,0=550nm c=550nm;当光度值变化0.01%，厚度的相对误 差为1% 。 c=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

10、，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 一种实用的膜厚修正方法，即比例修正法。 AB监控法的优点 第三，在极值点处导纳值为实数，可以方便地计算出 其导纳值，用这个实数导纳值取代前面已经镀过的所 有膜层，就好像后面所有的膜都是镀在这样导纳值的 一个新基片上，膜厚误差被截断了； 第四，在监控片上理论膜系的膜层顺序是被打乱的， 前一层膜的监控误差不会影响到本膜层，这样也有利 于监控过程中膜厚误差的截断与补偿； 第五，透（反）射率都在一个固定的范围内变化，监 控

11、系统不需要在大的动态范围内切换，可以利用放大 器和探测器的最佳工作区，把系统设计的非常稳定、 非常线性，从而保证高的控制精度。 AB法监控时的监控方案选择法监控时的监控方案选择 根据AB监控法的原理，编排一个非常方便使用的计算程序。通过 重新编排膜层顺序和改变监控波长的方法，寻找各层膜合适的透 （反）射率停点。选择停点的基本原则：一是避开极值点；二是 每层膜的停点最好至少要过一个极值点。 当在A监控片上镀制低折射率材料时，透（反）射率值变化幅度 很小，这样不利于膜厚的精确控制。此时，在重新分配膜层时， 把第一层的高折射膜层并入A监控片，以提高A片上低折射率膜层 的透（反）射率的变化幅度。 由于

12、应力的原因，在一块监控片上镀制同一种膜层不宜太厚，一 般每块监控片的膜层累积厚度不宜超过十个/4，=550nm。当 膜层数过多时，可以重新更换新的监控片C、D、E、F等。 采用多个监控片时，使选择AB法监控有更多的选择方案。比如某 一层膜按顺序安排在B监控片上，不符合选择停点的原则，找不 到好的停点，那么可以将它安排到其它监控片上。 AB法监控方案的选择是一个反复实验的过程。 31层非规整膜系的AB法监控 光谱曲线 光学监控系统 单波长监控系统 光学监控系统 宽光谱监控系统 宽光谱监控 宽光谱扫描，在很宽的波长范围内监视薄膜的 特性，使控制既直观又精确 监控原理：实时测量膜系的光谱特性，并不断

13、 地比较实时测定的光谱曲线与理论要求的曲线。 在不考虑误差的情况下，当两者完全一致时， 就认为膜层达到理论设计厚度 宽光谱监控 宽光谱监控的波长、光学厚度、透过率的三维函数图 宽光谱监控 宽光谱监控的优点 可以直观方便地控制宽谱特性 宽谱补偿：前面膜层的误差，在一定程度上被后 续膜层补偿和截断 实现非规整膜系的监控 1.镀制过程中对透、反射特性的曲线分析处理，可 以计算出已镀膜层的折射率、吸收率、色散、厚 度等参数 Filmonitor BS宽光谱监控系统 宽光谱监控原理图 Filmonitor BS宽光谱监控系统 系统特点 每秒输出三个数据值 有效监控波长范围从400nm到800nm，完全覆

14、盖 可见光范围 1.系统测量精度可以达到0.1% Filmonitor BS-硬件特点 光路 使用紫外增强石英光维接收光信号，传输损耗优 于普通光纤，紫外波段的传导特性较好。光纤孔 径角22。 光源后添加一个球形反射镜，增加光源使用效率 加光阑限制杂散光进入 光源选用卤钨灯，特点是亮度高，稳定 性好。采用风冷 1.光谱仪：2048像元线阵CCD，分辨率2- 3nm。工作范围：1100-200nm。 Filmonitor BS-软件功能 膜系光谱特性计算 自动测定镀膜材料的折射率和色散 三种判停方式 ：目视法人工判停；特征 点法自动判停；能量法自动判停 实时修正：分析当前膜层光谱曲线，计 算膜层

15、厚度，优化后续膜层 Filmonitor BS-折射率测定 折射率测定是光学镀膜的一个非常重要的工艺 工作，材料的色散是受设备及镀制工艺影响的 无吸收曲线呈等幅震荡，有吸收时，呈震荡收 敛形状 n=（Y*ng）1/2 Filmonitor BS-折射率测定 二十四层冷光膜镀制实验 未修正折射率的理论与实际光谱修正折射率后的理论与实际光谱 积木式光学薄膜监控系统积木式光学薄膜监控系统 积木式监控：把多种监控系统集成在一起，根 据实际情况来选择合适的监控方式，从而对镀 膜过程实行实时监控。 积木式结构组成：石英晶振监控法 ；单波长监 控系统 ；宽光谱监控系统 。 根据需要，交叉组合，协调工作。 积

16、木式光学薄膜监控系统积木式光学薄膜监控系统 晶控系统: 控制淀积速率； 控制极薄层 (厚度极薄或光度变化不敏感膜层）； 进行批量自动化生产。 注：首先需要光控对其进行标定。 积木式光学薄膜监控系统积木式光学薄膜监控系统 单波长监控系统： 测定材料色散； 标定工具因子（晶控与监控片，监控片与工件）； 窄带滤光片的镀制； 使用AB法实现高精度控制； 注：晶控控制蒸发速率。 积木式光学薄膜监控系统积木式光学薄膜监控系统 宽光谱监控系统： 测定材料色散； 宽带产品的镀制，比如分光膜，AR膜，截至膜等； 监视产品的光谱曲线（用晶控或单波长控制镀膜过 程时）。 注：晶控控制蒸发速率。 石英晶体振荡法：石英

17、晶体振荡法： 石英晶体具有压电效应，其固有频率不仅取决于几何尺石英晶体具有压电效应，其固有频率不仅取决于几何尺 寸和切割类型，而且还取决于厚度寸和切割类型，而且还取决于厚度d。 若厚度为若厚度为d的石英晶片厚度改变的石英晶片厚度改变d，则晶体振动频率，则晶体振动频率 变化变化f，负号表示频率随厚度的增加而减少。，负号表示频率随厚度的增加而减少。 N取决于石英晶体的几何尺寸和切割类型的频率常数 d N f 镀膜时质量增量所产生的晶体频率变化： 2 d dN f 把石英晶片厚度改变把石英晶片厚度改变d变换成膜层厚度增量变换成膜层厚度增量dM dAdAm QMM M d d N f 2 Q M d

18、N f Q M A是晶体受镀面积， 为膜层密度， 为石英密度 M d N f f 2 Q M ff M d 是石英晶体的基频， 与 之间是线性关系。 厚度的变化与振荡频率成正比。厚度的变化与振荡频率成正比。 注意！注意！ Q m N f C 2 M d N f f 2 Q M dAdAm QMM M Q M dd 在石英晶片上淀积厚度为在石英晶片上淀积厚度为 ，则相应晶体厚度变化为：，则相应晶体厚度变化为：d MmM dCd N f f M 2 Q M 当膜厚不大，即薄膜质量远小于石英基片质量时，晶当膜厚不大，即薄膜质量远小于石英基片质量时，晶 片谐振频率变化不大，片谐振频率变化不大， 可认为常数。可认为常数。 m C mm dfCdx v 对于特定的石英晶体测量膜厚，随薄膜厚度增加，频率对于特定的石英晶体测量膜厚，随薄膜厚度增加，频率 和厚度的关系偏离线性。和厚度的关系偏离线性。 令：令： ，称为质量灵敏度。，称为质量灵敏度。 Q m N f C 2 v石英晶体片起始频率越高，质量灵敏度越高。石英晶体片起始频率越高，质量灵敏度越高。 v石英晶体监控的有效精度取决于电子线路的稳定性，所石英晶体监控的有效精度取决于电子线路的稳定性，所 用晶体的温度系数、石英晶体传感探头的特定结构。用晶体的温度