11光学薄膜监控技术

S S 衬底的平均表面 S T 薄膜形状表面 S M 质量等价表面 S P 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。
• 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
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 1 2 3 4 5
设计厚度 83.7nm 119.6nm 29.9nm 159.4nm 65.9nm
几何厚度表示膜层的物理厚度； 光学厚度是物理厚度与膜层材料折射率的乘积，即nd； 质量厚度定义为单位面积上的膜质量
★ 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，实际上比较困难的。
薄膜厚度的定义是与测量方法和目的相关的。
以G/H/A膜系为例，nH=2.35,λ0=550nm
•λc=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。
根据干涉原理：
m 4
nfd
m4nfd42216
1
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
1. 第一，相邻膜层之间能自动进行膜厚误差的补偿； 2. 第二，避免了因凝集特性变化所引起的误差。因而
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；
大家好
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Hale Waihona Puke Baidu厚度的测量和监控。
监控基本概述
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。
1. 当 n 0 、 n f 、 n s 确定后，反射率只与薄膜厚度有关； 2. 薄膜厚度连续变化时，透射率或反射率出现周期性极
值；
3. 透过或反射光强度为薄膜厚度的函数。
例题：设计淀积2m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1m，假设薄膜吸收为 零，如何监控？
Et 1t1r01t01r21e2eii121
t t01t12
r r10r12
n0 0
r10
nf
f r20
ns
s
t10 d t12
Tn n 0 2E t2n n 0 21 r2 2 t2 rco 21s n n 0 21 r2 2 r tc 2 o 4n s fd
n f d 是光学厚度，可用波长表示。
含误差厚度 88.7nm 122.6nm 36.7nm 153.4nm 61.9nm
误差 5nm 3nm 7nm -6nm -4nm
误差百分比 6% 2.5%
23.4% -3.76% -6.1%
nm
绝 对 误 差 （ ）
1.4H 1.2L 0.5H 1.6L 1.1H (膜层)
停点选择对控制精度的影响
镀制单层的MgF2，对绿光减反射，反射光是紫红色。
光干涉法(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。
E t t 0 t 1 e 1 i 2 1 t 0 t 1 1 r 1 2 r 1 e 2 i 0 3 1 t 0 t 1 1 r 1 2 2 r 1 2 2 e i 0 5 1
• 高分辨率单色仪
• 焦距150mm，光栅1200线。波长范围350nm900nm。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
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%