[发明专利]光学薄膜的膜厚监控方法及非规整膜系光学膜厚仪

说明书

技术领域

    本发明涉及光学薄膜性能测试技术领域，具体涉及一种光学薄膜的膜厚监控方法及非规整膜系光学薄厚仪。

背景技术

光学薄膜是指基于电磁理论，通过单层或者多层薄膜产生的多光束干涉来改变透射或反射光的光强、偏振状态、相位等特征，常用的有减反、高反、低通、高通、窄带、分色薄膜等薄膜，最终满足我们需要的光谱特性。

镀制性能良好的光学薄膜，除了要求选择合适的蒸发工艺、使用优质的膜厚材料，更需要精确地监控每一层薄膜厚度。光学薄膜的光谱特性与其膜系的每一层膜厚紧密相关，为了镀制符合要求的光学薄膜，在蒸镀过程中对每一层膜厚的监控都非常重要。

光学薄膜通常采用2~3种光学薄膜材料制备，由不同材料交替制备薄膜，当每层的光学厚度（折射率和几何厚度乘积）相等或为整数倍时，这样的膜系结构称为规整膜系。如果每一层薄膜的光学厚度不同或不成整数倍，这样的薄膜结构称为非规整膜系。虽然制备非规整膜系难度更大，但是，非规整膜系比规整膜系有着更优异的光谱特性，非规整膜系的使用越来越多的应用到实际生产当中。

目前，光学薄膜的膜厚监控方法主要有光电极值法、宽光谱扫描法、石英晶振法和椭偏法。

1、光电极值法

由多光束干涉原理可知，膜系反射率随膜厚呈周期性变化，当膜层的光学厚度为监控波长的四分之一整数倍时反射率（透射率）出现极值。利用膜层沉积过程中反射率(或透射率)随膜厚变化的这种规律，通过光电膜厚监控仪检测淀积过程中反射率(或透射率)出现的极值点来监控四分之一波长整数倍的膜系，这种方法称为光电极值法。

2、 石英晶振法

其原理就是利用石英晶体片的固有振动频率随着其质量的变化而变化的这一特性，将石英晶片置于真空室中，当晶体表面被镀上膜层，其总质量发生变化，从而晶振频率也随之改变，测量出频率的变化便可计算出其质量厚度。若已知薄膜的密度，则可进而确定薄膜的几何厚度。

3、 宽光谱扫描法

在非四分之一波长宽带光学薄膜的镀制中，单波长监控很难精确控制其宽波段特性，必须对膜层在很宽的波长范围内进行宽光谱扫描。宽光谱扫描法是利用实测的宽光谱扫描曲线与理论计算的目标光谱曲线进行比较，并以评价函数反馈比较结果给控制系统的一种膜厚监控方法。

设待镀光学薄膜第j层的目标光谱透射率曲线为                                               ，在镀制过程中实测透射率曲线为，则可定义评价函数为：

在蒸镀过程中用计算机连续计算该评价函数，当取得极小值时停止蒸镀。

4、偏振光分析法

偏振光分析法是通过用入射偏振光照射薄膜表面，测量反射偏振光偏振状态的变化来研究薄膜特性的监测方法，它可直接测量薄膜厚度。

1、光学极值法

常规的光学镀膜设备配备的是光学极值法，所使用的光学膜厚仪由光源、镀膜机、单片比较片、单色仪、光电探测器、放大器和信号处理电路组成，光源采用卤素灯，根据膜层光学厚度，通过单色仪选择合适的波长，由于光线经过单色仪的单色性和光能量受到相互制约（单色性好，要求单色仪狭缝小，光能量大幅度减小。反之，光能量大，狭缝大，单色性差），随着薄膜厚度的增大测量误差也同步增大。光电探测器将得到的信号通过放大器放大后送入信号处理电路。虽然结构简单，成本低，但是只能控制规整膜系，对于非规整膜系很难实现控制，并且精度不高，最小监控膜厚在100nm左右。

2、石英晶振

它直接测量的是薄膜的质量厚度而不是光学厚度，对于密度和折射率显著依赖于蒸发条件的蒸发膜料，难以得到良好的重复性；它不象光学方法中的极值法等具有厚度自动补偿机理，对设备稳定性要求高，可以实现非规整膜系的控制。通常应用在金属薄膜或超薄厚度的薄膜控制以及蒸发速率的监控中。

3、宽光谱扫描法

要预先知道目标光谱透射率（或反射率），而目标光谱透射率的确定相当繁琐，且实际曲线与理论曲线有偏差，对于每一层都不同，需要设计不同的程序去判定，较为繁琐。这种方法对设备的稳定程度要求较高，主要应用在高端进口设备上。可以实现非规整膜系的控制。

4、椭偏法

由于椭偏仪成本高，约10万元以上，目前，镀膜设备很少使用，国外也只有在少量的研究设备上使用。可以实现非规整膜系的控制。

发明内容