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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：薄膜厚度的测量和监控。
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。 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
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；
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%
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 sfd
n f d 是光学厚度，可用波长表示。
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。
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
Байду номын сангаас
设计厚度 83.7nm 119.6nm 29.9nm 159.4nm 65.9nm
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。
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 1 e 2 i 1 t 0 t 1 1 r 1 2 r 1 2 e 0 i3 1 t 0 t 1 1 r 1 2 2 r 1 2 2 e 0 i5 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
★ 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。
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
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
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
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
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；
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：薄膜厚度的测量和监控。
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。 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
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；
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%
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
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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 sfd
n f d 是光学厚度，可用波长表示。
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。
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
Байду номын сангаас
设计厚度 83.7nm 119.6nm 29.9nm 159.4nm 65.9nm
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。
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 1 e 2 i 1 t 0 t 1 1 r 1 2 r 1 2 e 0 i3 1 t 0 t 1 1 r 1 2 2 r 1 2 2 e 0 i5 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
★ 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。
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
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
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
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
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；