光学薄膜厚度监控技术—赵福庭

光学薄膜厚度监控技术

赵福庭

北京京仪博电光学技术有限责任公司

2008-5

1.与膜层厚度监控有关的基本考虑

•制备膜系的目标—膜系的光谱特性--透射特性、反射特性、相位特性、斜入射时的偏振特性等•膜系的光谱特性取决于其结构参数：F=F[nj(λ),kj(λ),dj]

•nj(λ),kj(λ)—在真空中(与淀积过程参数有关），在大气中及在工作环境中的变化规律

•只在真空室某一特定的部位进行实时监控—设置监控片

•

假设监控片与被镀工件上的膜层厚度具有固定的比例关系的比例关系((工具因子工具因子))•工具因子受诸多因素的影响：几何关系、修正

板因素、压强分布、剩余气体组分,热场分布、

淀积速率的分布,等离子体状态、膜层材料本身

的蒸发特性、蒸发源状态及工作参数、膜层折

射率的色散等诸多因素—具有动态特性—在很

大程度上影响监控结果

2．膜层厚度监控的主要方法

2.1时间—功率控制法功率控制法：d=vt –监控膜层的物理厚度—多应用于溅射系统

•其前提是膜层折射率的再现性足够好

•电源的功率足够稳定，使淀积速率v 接近为常数•靶材随着逐渐消耗，其表面形状会发生变化，影响淀积速率的一致性

•解决方法—积累数据，建立淀积速率v 相对于特定靶材溅射能量E(千瓦小时)的关系:

v=v(E)

•对于不需要考虑厚度误差相关性的情形，例如干涉截止膜系或其他类似膜系，时间—功率控制法已经取得成功

•在良好的工作状态下，监控精度可达0.2nm

2.2石英晶体监控法—监控膜层的物理厚度

•Δf=k1*Δm=k2*Δd—数学关系简单，便于实现自动控制

•要求工艺条件稳定,膜层折射率的再现性较好•对于不同的膜料,分别有确定的工具因子

•膜层厚度的分辨率很高，实际的监控精度约为1-5%

•影响因素：温度、蒸发源的状态,各种动态因素•实现与光学系统联用，进行数据交换

•用于控制淀积速率，取得良好效果

2.3光学监控法—监控膜层的光学厚度•光学监控法所监控的参量是膜系的光学特性—正是直接要求的参量，R/T—具有内在的优势

•在监控过程中有可能探测到当前层的Δn，并据此校正当前层的停蒸点，实现误差实时校正。同时还可反演出当前层的光学厚度(nd)。

•如果反演的膜系结构参数值足够准确，可以对所有未镀膜层进行再优化，必要时增加若干膜层，以得到满意的结果。

•用光学法进行监控时，厚度精度可以达到0.2nm（与膜层的折射率有关），在大多数情况下，能够得到满意的结果。

•监控参量的表达式：

2.4光学监控法的分类

2.4.1从光学系统分类

• 单色光系统：大多数系统使用卤钨灯等宽光谱光源，用单色仪分解出准单色光。可调谐激光器。

• 宽光谱系统：可同时接收多光谱信号，获得膜层的大量信息。但其光度精度还有待提高。

2.4.2从监控的参量分类

A反射法：监控片通常是静止的，不会给监控

信号带来附加噪声

监控片上膜层厚度的不均匀，会产生误差。

在同一个监控点只能监控数量较少的膜层

小光斑有助于减少厚度非均匀性的影响

•正反射监控：光束从真空入射于膜层表面，如果

能消除监控片背面的反射光束(背面磨毛，或采用

楔形监控片)监控信号将正比于膜层的反射率R。

•正反射系统一般光程较长，在监控片上的光斑不

容易做小。有时会受震动影响

•考虑监控片两个界面之间光束多次反射，

Rm=R +T²*Rs/(1-RsR),

当背面磨毛或涂黑或采用楔形监控片时，Rs=0, Rm=R，

• 背反射监控：光束从基底入射于膜层的背面•基底背表面的存在，需要考虑其反射的影响

•背反射光学系统光程较短，如果使用光纤系统，更有利于缩小光斑

•光束的数值孔径又不能太小，以免从监控片两个表面反射的光强失去比例

•考虑监控片两个界面之间光束多次反射，

Rm=Rs+T²s*R/(1

s*R/(1--RsR),

B透射法：监控膜系的透射率，进行精密监控时需要考虑基底背表面的影响。考虑光束多次反射，测量的透射率Tm与膜系的透射率T的关系为

Tm=Ts*T/(1-RsR)

2.4.3从监控片与被镀工件的关系分类

•相关监控：通常监控片位于中心--监控所有膜层--膜层的厚度误差具有相关性--有别于“直接监控”•间接监控：多个监控工位分别监控膜系中的部分膜层--厚度误差具有随机性

•半直接监控：预镀层--提高监控信号的调制幅度,处于有利的工作点--厚度误差具有相关性

•直接监控：直接监控被镀工件上的膜层

2.4.4从如何使用监控信号来分类

•极值法：监控信号达到预定的极值点时终止该层膜的淀积，用于监控规整膜系

•比例法：监控信号经过极值点后到达预定点时终止淀积。如果实际的极值点与设计值发生偏离，则按比例关系修正该层膜的终止点

•光度值法：监控较薄的膜层

• 2.4.5从监控信号变换的方式分类

•波长调制法：监控光束按正弦方式进行波长调制--输出信号为零时终止膜层的淀积—适用于监控规整膜系--膜层折射率色散对此方法有较大的影响--目前已很少使用

•双色法：同时使用2个波长的光束进行监控，测定其信号的差值，当差值为零时终止膜层的淀积。用于监控规整膜系。膜层折射率色散对此方法有较大的影响，目前已很少使用。

•微分法：微分电路将监控信号对时间微分--当微分信号为零时终止膜层的淀积---用于监控规整膜系--如果能有效地提高信噪比，此方法仍有潜力•以上3种技术都是基于极值法精度偏低而提出的改进技术--随着技术进步而使极值点的判读精度明显提高时，其中一些技术的逐步淡出将成为必然•目视监控反射色变化—眼镜片镀膜