[发明专利]石英晶体镀膜厚度控制方法及石英晶体镀膜装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种石英晶体镀膜厚度控制方法及石英晶体镀膜装置。

背景技术

厚度作为光学薄膜最重要的参数之一。决定性地影响薄膜的力学性能、电学性能和光学性能。另一方面，几乎所有的薄膜性能都与厚度有关。因此准确控制薄膜的厚度就成为制备具有优良性能的光学薄膜的关键。

其中一种石英晶体膜厚控制仪(简称晶控仪)通过晶体振荡器控制镀膜厚度。其原理是利用石英晶体片(简称晶体片、晶振片、晶控片)的谐振频率与膜层厚度之间的关系来监控膜层厚度及镀膜速率。其主要由装有石英晶体片的晶振探头，及用于测量石英晶体片谐振频率的频率测量电路，用于控制镀膜速率及厚度的控制电路组成。晶振探头安装在真空镀膜设备的真空室内，晶振探头上的晶体片的一侧表面暴露在蒸发源的上方。在真空镀膜过程中，镀膜材料同时沉积在石英晶体片及样品基片上，通过石英晶体膜厚控制仪测定石英晶体片的谐振频率来监控镀膜厚度及镀膜速率。石英晶体片的谐振频率会随着镀膜材料沉积而降低。晶控仪实时测量出镀膜晶体片的谐振频率，根据谐振频率与膜层厚度的转换关系，计算出沉积膜层厚度，并根据厚度关系比的大小得到样品基片的镀膜厚度。再根据膜层在不同时刻的厚度差，计算出膜料沉积速率，然后通过PID等控制算法控制蒸发源的功率，以得到稳定的趋于设计速率的沉积速率。由于石英晶体片的谐振频率在一定范围内，其变化与膜层厚度变化成线性关系，使得晶控仪相对于其他膜厚控制方法（例如光学控制法），更便于沉积速率控制。相对恒定的沉积速率对于镀膜过程的稳定性与重复性非常重要，因此晶控仪已经逐渐成为真空镀膜设备的标准控制仪器之一。

镀膜过程中，晶控仪实时根据晶体振荡器测量的晶体频率计算出对应的膜层厚度，当计算厚度与设计厚度一致时，停止镀膜。目前使用的晶控方法及装置，标称的厚度误差一般为0.5%。然而，对于含有薄层的膜系，此标称误差实际难以达成。镀膜厚度越薄，该标称0.5%的厚度误差就越难以达成。而且由于其他膜厚控制方法(如光学控制法)对薄层也缺乏有效准确的监控手段，成膜工艺人员甚至更愿意用晶控方法来控制薄层。

目前，在膜系设计阶段，或为应对各种设计要求，或为节约生产成本，或为提高成品率，计算机优化已成了几乎不可或缺的手段，而薄层在计算机膜系优化结果中恰恰是经常出现的。为此，设计阶段或以增加总膜层厚度或牺牲部分光谱性能多次优化来换取较少的薄层；但对于某些特定膜系，薄层是不可避免的。另外，成膜阶段，对于薄层缺乏有效准确的监控手段增加了成膜的难度及成本。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，本发明的目的之一是提供一种镀膜精度高的石英晶体镀膜厚度控制方法。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

石英晶体镀膜厚度控制方法，根据镀膜前的石英晶体起始振荡频率和镀膜后的石英晶体振荡频率计算镀膜厚度；其特征在于，减少因石英晶体片温度升高而使石英晶体振荡频率升高所引起的厚度测量误差。

优选地是，提供一频率补偿值，将镀膜前的石英晶体振荡频率加上频率补偿值作为起始振荡频率或者将实时检测的镀膜后石英晶体振荡频率减去频率补偿值作为镀膜后石英晶体振荡频率，根据两个振荡频率值计算得到厚度差为实际膜层厚度；或者提供一厚度补偿值，根据镀膜前的石英晶体起始振荡频率和镀膜后的石英晶体振荡频率计算镀膜厚度，再加上厚度补偿值，作为镀膜实际厚度。

优选地是，还包括一频率补偿值检测步骤，确定所述频率补偿值。

优选地是，所述频率补偿值检测步骤包括:将蒸发源关闭时刻检测的镀膜石英晶体的振荡频率值与蒸发源关闭后镀膜石英晶体温度不再变化时的镀膜石英晶体的振荡频率之差，作为频率补偿值。

优选地是，将蒸发源关闭时刻检测的镀膜石英晶体的振荡频率值与蒸发源关闭后大于等于晶振探头温度时间常数时刻的镀膜石英晶体的振荡频率之差，作为频率补偿值。

优选地是，将蒸发源关闭时刻检测的石英晶体的振荡频率值与蒸发源关闭后不小于3倍晶振探头温度时间常数时刻的石英晶体的振荡频率值之差，作为所述频率补偿值。

优选地是，还包括一厚度补偿值检测步骤，确定所述厚度补偿值。

优选地是，所述厚度补偿检测步骤包括：将蒸发源关闭时刻检测的石英晶体的振荡频率测量值与蒸发源关闭后不小于晶体振荡器温度时间常数时刻的石英晶体的振荡频率测量值之差转换的厚度值作为所述厚度补偿值。