第四章 膜层厚度监控方法

第四章膜层厚度监控方法

光学薄膜制备技术光电制造技术

§4.1

膜层厚度监控薄膜的制备，除了选适当的材料和制备工艺外，还必须精确控制其厚度。厚度有三种概念，即几何厚度、光学厚度和质量厚度。几何厚度:表示膜层的物理厚度。光学厚度:几何厚度与膜层折射率的乘积称为光学厚度。质量厚度:质量厚度定义为单位面积上的膜层质量，若已知膜层的密度，则可以方便地转换成相应的几何厚度。2/4/20232为了监控薄膜厚度，首先需要的是厚度测量。原则上可以有很多测量厚度的途径，但都需要找到一个随着厚度的变化而适当变化的参数，然后设计一个在蒸发时监控这一参数的方法。镀金属膜时可根据电阻变化来测定膜厚；镀光学膜时可根据测试片的透射率和反射率变化来换算膜厚；还可利用石英晶体振荡频率变化来测量薄膜的质量厚度等等。控制金属薄膜厚度测量薄膜电阻变化是控制金属薄膜厚度最简单的一种方法。下图表示用惠斯顿电桥测量薄膜电阻率的例子。用这种方法可以测量大约从1欧姆到几百兆欧姆的电阻，若用一个继电器控制挡板，电阻率的控制程度可达到1％。如再加上适当的DC放大器，则电阻率的控制精度可望达到0.01。但是随着膜厚增加，电阻减小要比预期的慢，造成这种现象的原因是膜层的边界效应、薄膜与大块材料之间的结构差异以及残余气体的影响，所以用此方法所能达到的几何厚度监控精度很难优于5％．尽管如此，它在电学膜制备中仍有一定的价值。2/4/20234最早的光学控制方法是利用眼睛作为接收器，目视观察薄膜干涉色的变化来控制介质膜的厚度。2/4/20236一、目视法图4-1薄膜的干涉在折射率为n2的基板上有一折射率n1和厚度d1的薄膜，一入射光在薄膜的两个分界面上分成两束反射光（略去多次反射光束），这两束反射光是相干的。当n0＜n1＜n2时，波长为λ0／2的反射光线，干涉加强．

n0＜n1＞n2界面0上反射光有半波损失，而界面I上的反射光没有半波损失，所以干涉情况与上述相反，如图4-1（b）。波长大于λ0的光线和波长在λ0/2至λ0之间的光线则介于两者之间，既不加强，又不抵消。这样，基板镀膜以后，各个波长的反射光强度就不相等，因而带有不同的干涉色彩，不同的膜厚有不同的颜色，因此可以根据薄膜干涉色的变化来监控介质膜的厚度。根据薄膜干涉原理，基板镀膜以后，各个波长的反射光强度就不相等，因而带有不同的干涉色彩，不同的膜厚有不同的颜色，因此可以根据薄膜干涉色的变化来监控介质膜的厚度。这种方法对于镀制单层MgF2减反射膜是非常方便的。至今仍有着广泛的应用。色品图如图表示MgF2单层膜的反射光CIE-XYZ色品图。随着薄膜光学厚度n1d1

的增加[图

(a)]可以读出对应的颜色变化[图(b)]。例如在

n1d1=λ/4（

λ=560nm）附近，颜色从紫变成蓝。膜厚变化5nm时，其颜色变化用肉眼是不难识别的。2/4/202310互补色由于反射光和透射光的颜色是互补的，因此用白光照明时，我们可以根据图4-4的互补色方便地确定镀膜时的薄膜干涉色。例如对目视光学仪器，要求对绿光减反射，故反射光应是紫红色。互补色用目视法观察透射光的颜色变化是不成功的。因为单层膜（特别是减反射膜）的透射背景太亮，以致淹没了干涉色的变化，所以必须采用反射光观察。这时，带来的问题是照明光源和观察眼睛必须保持一定的角度。可是，同一膜层在不同的角度下观察的干涉色是不同的，如果我们使倾斜观察时的干涉色恰好符合要求，则垂直观察时膜就要偏厚了，所以实际中根据角度需要进行修正。薄膜的透射光或反射光强度是随着薄膜厚度的变化而变化的。厚度变化一个微小量△n1d1所引起的透射率或反射率的变化为△T或△R，在不同的厚度时是不同的。但在极值点附近，△T／△n1d1很小，接近于零，亦即这时透射率或反射率对厚度的变化不灵敏，这也是该方法原理所固有的缺陷。2/4/202313二、光学监控法(一)极值法1、极位法控制的典型装置反射控制只能用于减反射和低反射膜系的监控。极值法在控制四分之一波长厚度时精度比较低，其原因是在极值点附近反射率或透射率对于厚度的变化不灵敏，同时只有在极值以前的那部分信号对操作者才有用，只有熟练的操作者才能达到理论上预示的精度。2/4/2023142、极值法控制的技巧为进一步挖掘极值法的潜在精度，可采用适当的控制技巧，或者改进方法的原理。极值法控制有二种方式。一种是直接控制，即全部膜层自始至终直接由被镀样品进行控制，不换控制片；另一种是间接控制，即控制是在一系列的控制片上进行的。在这两种基本方式之间，还可以附加一种叫半直接控制，它是在镀有预镀层的控制片上直接监控所有膜层。2/4/2023152、极值法控制的技巧（1）、直接控制理论和实验两方面都论证了直接控制对窄带滤光片控制的合理性。其原因在于：（a）、相邻膜层之间能自动地进行膜厚误差的补偿（在控制波长上）；（b）、避免了因凝聚特性变化所引起的误差，因而使窄带滤光片获得很高的波长定位精度。2/4/202316间接控制一个的缺点，即淀积在一个已有膜层的基板上的膜层厚度和同时淀积在一个新鲜基板上的膜层厚度之间有明显的差异。窄带滤光片的峰值波长定位精度是由直接控制本身所决定的，而不取决于个别膜层厚度的控制精度。但是必须指出，这种补偿只对控制波长有效，所以，对于诸如宽带减反射膜的多层膜系。特别是制备包含不规整厚度的膜系时，还需采用间接控制。（2）、过正控制如前所述，极值法的固有精度不高，其原因正是极值处监控信号对于膜厚的变化率为零，这样就给判断极值点的准确性带来困难。有经脸的镀膜操作者一般并不把蒸发停止在理论极值处，而是停止在眼睛能分辨的反转值处，其目的是故意产生一个一致性的过正量，以减少判断膜厚的随机误差。2/4/202318在这种情况下，反射率误差有两部分组成：一部分是不变的一致性过正误差，另一部分是很小的随机判断误差，采用过正控制的随机误差比非过正控制要小得多，相等的反射率误差ΔR，采用过正控制后膜厚随机误差明显降低。2/4/202319（3）、预镀层技术预镀层是指在控制片上预先镀上若干层膜，然后以这种具有预镀层的控制片进行膜厚控制。下面我们来举例说明，G/LM2HL/A，其中ng=1.52，nL=1.38,nM=1.47，nH=2.09。假定该膜系膜层厚度误差满足正态分布，每层膜的误差是相互分离的。计算表明，2％的厚度标准偏差是允许的，5％的标准偏差就到了极限值，而10％的标准偏差就完全破坏了减反射膜的性能要求。如果采用二层预镀层GHL，同时采用过正控制，每层膜的过正量均为0.2％，并且随机误差为0.1％，则得到最高的控制精度。2/4/202320对1.06μ激光平板偏振片：nL=1.38,nH=2.09，λ0＝956nm，若采用二级控制，则四层预镀层G/HLHL/的成品率几乎可达100％，而无预镀层仅20％左右。2/4/202321（4）、高级次控制在极值法监控技术中最常用的方法是一级控制。所谓一级控制，就是当光学厚度达到控制波长的1/4时，也即指示器第一次出现极值时停止蒸发，而将大于一级次的控制称为高级次控制。2/4/202322高级次控制的优点可用长波通滤光片为例来说明。这类膜系采用一级控制常常会遇到H/2镀制的麻烦，然而，这种麻烦对二级控制是不存在的。对这种膜系分析表明，最好是使用一个三层预镀层的二级控制。不采用预镀层，仅用二级控制，截止带的定位精度是12％，使用三层预镀层的二级控制，则截止波长的定位精度可达0.8％。与高级次控制方法相似。采用遮蔽板技术把基板档去一定比例的蒸汽分子，也可提高控制精度，这种方法在镀制波长较短的紫外膜时有其重要的应用。2/4/202323（5）、定值法控制定值法控制在干涉截止滤光片中有其特殊的应用。现在设长波通滤光片为

，显然它可以分解为2/4/2023242/4/202325为了提高控制精度，控制波长并不选在中心波长λ0而在λc。这时，前4层的导纳轨迹示于图3-62，图中，以等反射率线（Rc）为界，两侧分别分布着各H层和L层的导纳圆。显然，第(5)、

(9)……..(21)各层膜的导纳圆将与第一层的导纳圆重合。同理，其余各层分别与第(2)、(3)或（4)层的导纳圆重合。第(1)层膜的导纳圆从起始点（ns）出发，随着膜厚增加，反射率达到Rc，再镀第二层至导纳圆与实轴相交，

任意厚度的薄膜系统，虽然具有优良的光学特性，但给厚度监控带来了很多困难，因此探索任意厚度的监控方法引起了国内外薄膜工作者的普遍关心。

到目前为止，监控任意厚度的方法主要有：石英晶体监控、单波长监控和宽光谱扫描等。2/4/202326三、任意厚度的监控方法和装置极值控制方法的基本精度是5％左右。如果使用波长调制法，则控制精度能够得到较大的提高。这个方法与微分法相似，不是测量控制片的反射率（或透射率），而是测量反射率（或透射率）对波长的导数。在极值点，反射率曲线的导数为零，在极大值情况下，从正值到负值迅速地变化，在极小值的情况下变化则相反。这就给出了一种控制四分之一波长或其整数倍厚度膜层的精确方法。2/4/2023271、波长调制法波长调制法的控制系统的安排如图所示，由光源发出的白光，透过（当然也可以安排成反射）控制片而照明单色仪的入射狭缝，从单色仪振动狭缝出射的单色光被光电倍增管接收，然后经电路系统显示。波长调制法与微分法非常相似，但它们的原理是不同。波长调制法的变化周期2πft是由狭缝的振动频率决定的。而微分法的反射率或透射率的变化周期直接由膜厚作为自变量。其次，波长调制法的控制波长是λ±Δ

。而微分法仍属单色控制。此外，波长调制法对多层膜的起始几层灵敏度很低，而微分法却仍保持了极值法的特点。2/4/2023282、单波长监控利用光电极值法监控四分之一波长厚度或其整数倍膜是十分成熟的，因此通过模拟实际蒸发的过程计算出薄膜厚度增加时各个波长的反射率变化，从而寻找出正确厚度时出现极值的波长，然后，就可用极值法监控任意厚度。例如对一个可见区和1.06μm的减反射膜，计算的控制波长如表4-3所示。2/4/2023293、宽光谱扫描由于材料色散和控制灵敏度等因素的影响，单波长监控是很难精确控制宽波段特性的。若采用宽光谱扫描，在很宽的波长范围内监视薄膜的特性，就能使控制既直观又精确。近年来，采用宽光谱快速扫描光度计和电子计算机联合监控任意厚度膜系已成为可能。2/4/2023303、宽光谱扫描快速扫描单色仪是利用转动单色仪的衍射光栅来完成的，衍射光栅每毫米的刻线为1800条，在300~700nm的光谱区间内，对应的光栅转角为25°，利用一只步进马达通过15:1的减速齿轮来驱动光栅转动。每秒钟扫描两次，波长精度为1nm。若要求更快的扫描频率，可采用硅光电二极管列阵作为接收器。这种仪器完全避免了机械扫描的麻烦，而且还可以扩展扫描范围。2/4/2023324、石英晶体控制镀膜时膜厚增加所产生的晶体振动频率的变化：上式的物理意义是：若厚度为d的石英晶体厚度增加Δd，则振动频率相应地变化Δf，负号表明频率随着厚度的增加而减小。在淀积过程中，频率的最大变化不得超过几百千赫，不然振荡器工作将不稳定，即所谓跳频，这时如果继续进行淀积，就会停止振荡。为了保证振荡稳定和保持较高的灵敏度，晶体上的膜层镀到一定厚度后就要清洗。2/4/2023334、石英晶体控制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以及相对于热蒸汽源的合理定位。石英晶体监控有三个非常实际的优点：装置简单，没有通光窗口，没有光学系统安排等麻烦，信号容易判读，随着膜厚的增加，频率线性地下降，与薄膜是否透明无关，同时，它还可以记录蒸发速率，这些特点使它很适合于自动控制。2/4/202334膜层厚度的均匀性是指膜层随着基板表面位置变化而变化的情况。1、膜厚的理论分布为了获得厚度均匀的薄膜，可以从理论上进行计算，从而得到膜厚分布规律，在进行膜厚计算时，首先假定：(1)、蒸发分子与蒸发分子、蒸发分子与残余气体分子之间没有碰撞；(2)、蒸发分子到达基板表面后全部淀积成紧密的薄膜，其密度和大块材料相同；(3)、蒸发源的蒸气发射特性不随时间变化。例如，没有因蒸发材料与蒸发源相湿而蔓延到蒸发源外面，也没有蒸发源的热变形等。四、膜层厚度均匀性

基板上任何一点的薄膜厚度，决定于蒸发源的发射特性以及几何配置，早期的研究表明，蒸发源通常可分为两类：一是点蒸发源向各个方向均匀地发射蒸气分子，二是面源的蒸气密度按所研究的方向与表面法线间的夹角呈余弦分布。对于点源，它向各个方向发射等量的材料。点源膜厚：对于小平面蒸发源，其蒸汽发射特性具有方向性，发射限为半球，在半球上积分，可得面源膜厚：1）、平面夹具图4-17表示与蒸发源平行并置于其正上方的平面夹具的情况。点源离开基板中心距离ρ处的膜厚点源的膜厚分布：面源距离ρ处的膜厚分布：这两种蒸发源对于平面基板的膜厚均匀性都不好。

2）、球面夹具图4-19表示膜层在球面夹具上的膜厚分布。图中，r是球面夹具的曲率半径。从图可见，对于点源，当h/r=1.0（即点源位于球面夹具的球心），便可在球的内表面镀得厚度均匀的膜层。而对于具有方向性的面源，只要蒸发源处于球面夹具的球面上（即h/r=2.0），同样也能得到均匀的膜厚分布，蒸发源和基板的几何配置以及蒸发源位置变化对膜厚分布的影响示于图4-20。面源位于球心上得不到良好的膜厚均匀性，所以蒸发源应放在球面上。同样可证明点源只有放于球心时才能获得均匀膜。2）、球面夹具3）、旋转平面夹具由平面夹具介绍可知，要获得更好的膜厚均匀性，则应采用旋转基板的方法。它的配置如图4-22所示。这种旋转基板的方法能对两个以上的蒸发源同时获得很好的均匀性，而前面介绍的球面夹具只有唯一的蒸发源位置才能获得良好的均匀性，所以制备多层膜时必须用旋转基板的方法。4）、旋转球面夹具在实际中通常采用旋转球面夹具，因为它适用于各种曲率半径的镜片，这只需把镜片表面视作球面夹具的一部分，然后对不同曲率半径的镜片选用对应的球面夹具即可。不仅如此，球面夹具还可得到更大的均匀面积。图4-24表示球面夹具的配置。2、改善均匀性的措施要得到好的均匀性，除需了解蒸发源的发射特性和选取最佳几何配置外，还要注意基板放置平行性和控制基板温度等工艺因素。真空室中基板温度的分布常常是不均匀的。图4-26是顶部加热夹具上的温度分布，它们的温度差可以相差30℃之多。这样，由于凝聚系数的差异，温度高的地方膜厚势必比温度低的地方薄。2、改善均匀性的措施真空度的影响是不难理解的。膜厚均匀性与蒸发分子到达基板的路径中受残余气体碰撞的几率相关。在一个760mm的钟罩内，当气压在1~3×10-2Pe时，对于10％的