第四章 膜层厚度监控方法

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2、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。
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二、光学监控法 (一)极值法
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。
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（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 22 2 2 22 2
，显然它可以分解
1 2 3 4 5 222324
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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。
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2、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。
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。
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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。
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一、目视法
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。
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图4-1 薄膜的干涉
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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。
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2、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。
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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。
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色品图
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。
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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。
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。
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1、波长调制法
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。
（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。
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第四章 膜层厚度监控方法
光电制造技术
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§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
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。
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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％。
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。
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2020/4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。
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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。
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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。
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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。
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（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。
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= 560 nm ）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。
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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，
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三、任意厚度的监控方法和装置
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。
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。
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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
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3、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。
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3、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。
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。
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（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
G
H
L
H
S
A
为
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GH L L H H L H H A
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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。
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