光學(xué)薄膜監(jiān)控技術(shù)ppt課件

1、光學(xué)薄膜監(jiān)控技術(shù) 薄膜厚度是薄膜最重要的參數(shù)之一，它影響著薄膜的各薄膜厚度是薄膜最重要的參數(shù)之一，它影響著薄膜的各種性質(zhì)及其運(yùn)用。種性質(zhì)及其運(yùn)用。 薄膜淀積速率是制膜工藝中的一個(gè)重要參數(shù)，它直接影薄膜淀積速率是制膜工藝中的一個(gè)重要參數(shù)，它直接影響薄膜的構(gòu)造的特性。響薄膜的構(gòu)造的特性。 重點(diǎn)：薄膜厚度的丈量和監(jiān)控。重點(diǎn)：薄膜厚度的丈量和監(jiān)控。監(jiān)控根本概述監(jiān)控根本概述質(zhì)量厚度定義為單位面積上的膜質(zhì)量 光學(xué)薄膜的堆積監(jiān)控技術(shù)是光學(xué)薄膜制備的關(guān)鍵技術(shù)之一對(duì)薄膜的監(jiān)控主要是對(duì)膜層厚度的監(jiān)控薄膜厚度有三種概念，即幾何厚度、光學(xué)厚度和質(zhì)量厚度。光學(xué)厚度是物理厚度與膜層資料折射率的乘積，即nd；幾何厚度表示膜

2、層的物理厚度；厚度：是指兩個(gè)完全平整的平行平面之間的間隔。厚度：是指兩個(gè)完全平整的平行平面之間的間隔。理想薄膜厚度：基片外表到薄膜外表之間的間隔。理想薄膜厚度：基片外表到薄膜外表之間的間隔。 由于薄膜具有顯微構(gòu)造，要嚴(yán)厲定義和準(zhǔn)確丈量薄膜由于薄膜具有顯微構(gòu)造，要嚴(yán)厲定義和準(zhǔn)確丈量薄膜厚度，實(shí)踐上比較困難的。厚度，實(shí)踐上比較困難的。 薄膜厚度的定義是與丈量方法和目的相關(guān)的。薄膜厚度的定義是與丈量方法和目的相關(guān)的。SS襯底的平均外表襯底的平均外表TS薄膜外形外表薄膜外形外表質(zhì)量等價(jià)外表質(zhì)量等價(jià)外表MS物性等價(jià)外表物性等價(jià)外表PS外形厚度外形厚度dT是接近與直觀方式的厚度。是接近與直觀方式的厚度。質(zhì)

3、量厚度質(zhì)量厚度dM反映了薄膜中質(zhì)量的多少。反映了薄膜中質(zhì)量的多少。物性厚度物性厚度dP實(shí)踐運(yùn)用較少。實(shí)踐運(yùn)用較少。目視法：目視察看薄膜干涉色的變化來控制介質(zhì)膜的厚度?；邋兡ず?，入射光在薄膜的兩個(gè)分界面分成兩束反射光，這兩束反射光是相關(guān)的，各個(gè)波長(zhǎng)的反射光強(qiáng)度就不相等，帶有不同的干涉顏色，不同的膜厚對(duì)于不同的顏色。鍍制單層的MgF2，對(duì)綠光減反射，反射光是紫紅色。q 光吸收法光吸收法 丈量薄膜透射光強(qiáng)度。丈量薄膜透射光強(qiáng)度。20(1) exp()IIRt式中，式中， 為入射光強(qiáng)度，為入射光強(qiáng)度， 透射光強(qiáng)度，透射光強(qiáng)度， 膜厚，膜厚， 吸收吸收系數(shù)，系數(shù)， 薄膜與空氣界面的反射率。薄膜與空氣界

4、面的反射率。0IItR 方法簡(jiǎn)單方法簡(jiǎn)單 適宜于延續(xù)薄膜適宜于延續(xù)薄膜q 光干涉法光干涉法( (光電極值法光電極值法 光學(xué)薄膜需求監(jiān)控的是光學(xué)厚度，而不是幾何厚度。光學(xué)薄膜需求監(jiān)控的是光學(xué)厚度，而不是幾何厚度。 是光學(xué)厚度，可用波長(zhǎng)表示。是光學(xué)厚度，可用波長(zhǎng)表示。fnd111521021212013101212011201iiiterrtterrttettE112121012101iiterrettEdnrrtnnrrtnnEnnTft4cos212cos21220212202202d0nfnsn0fs10r20r12t10t1201ttt 1210rrr 當(dāng)當(dāng) 、 、 確定后，反射率只與薄膜

5、厚度有關(guān)；確定后，反射率只與薄膜厚度有關(guān)；薄膜厚度延續(xù)變化時(shí)，透射率或反射率出現(xiàn)周期性極薄膜厚度延續(xù)變化時(shí)，透射率或反射率出現(xiàn)周期性極值；值；透過或反射光強(qiáng)度為薄膜厚度的函數(shù)。透過或反射光強(qiáng)度為薄膜厚度的函數(shù)。fnsn0n例題：設(shè)計(jì)淀積例題：設(shè)計(jì)淀積2 2m m厚的厚的SiOSiO薄膜，知薄膜，知SiOSiO的折射率為的折射率為2.02.0，監(jiān)，監(jiān)控片的折射率為控片的折射率為1.51.5，單色光波長(zhǎng)為，單色光波長(zhǎng)為1 1m m，假設(shè)薄膜吸收為零，假設(shè)薄膜吸收為零，如何監(jiān)控？如何監(jiān)控？ 根據(jù)干涉原理：根據(jù)干涉原理：4fmn d44 2 2161fn dm 監(jiān)測(cè)到第監(jiān)測(cè)到第8 8個(gè)最大值即可。個(gè)最

6、大值即可。極值法在基片上鍍制單一層膜時(shí)，薄膜的透射光或反射光強(qiáng)度隨著薄膜厚度的變化曲線呈余弦狀。極值法：監(jiān)控淀積過程中出現(xiàn)極值點(diǎn)的次數(shù)來控制四分之一波長(zhǎng)整數(shù)倍膜層厚度極值法控制技巧直接控制 ：全部膜層直接由被鍍樣品進(jìn)展控制第一，相鄰膜層之間能自動(dòng)進(jìn)展膜厚誤差的補(bǔ)償；第二，防止了因凝集特性變化所引起的誤差。因此使窄帶濾光片獲得較高的波長(zhǎng)定位精度。過正控制：鍍制過程中故意產(chǎn)生一個(gè)一致性的過正量，以減少判別厚度的隨機(jī)誤差極值監(jiān)控時(shí)常用的控制手段。極值法控制技巧 定值法控制 ：在干涉截止濾光片中有特殊運(yùn)用。由于定值法的停點(diǎn)普通選擇在遠(yuǎn)離極值點(diǎn)，所以其控制精度是非常高的。假設(shè)T=1%，那么高折射率層的膜

7、厚相對(duì)精度P=1.35%，低折射率層P=3.9% 主要用于截止濾光片的制造單波長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng)單光路系統(tǒng)：不能排除光源動(dòng)搖和電路系統(tǒng)暗噪聲、漂移影響 ，稱為“光量丈量。相對(duì)丈量精度可以到達(dá)0.01% 。雙光路系統(tǒng)：經(jīng)過對(duì)參考光和暗信號(hào)的丈量，消除光源和電路暗噪聲、漂移影響 ，為“光度丈量。絕對(duì)丈量精度可以到達(dá)0.001% 單波長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng)單波長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng)-硬件特點(diǎn)高分辨率單色儀焦距150mm，光柵1200線。波長(zhǎng)范圍350nm-900nm。線色散5.4nm/mm，狹縫10m-3mm可調(diào) 高靈敏度探測(cè)器CR114光電倍增管 ：185-870nm寬譜呼應(yīng) 鎖相放大器，從強(qiáng)干擾中提取弱信號(hào)單波長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng)-軟件

8、處置資料色散和折射率丈量n=A0+A1/+A2/2 數(shù)據(jù)處置：剔除粗大誤差 雙光路系統(tǒng)采用13HZ斬波器對(duì)參照光、信號(hào)光、暗底三相分頻用直流放大器取代鎖相放大器，鎖相放大器有信號(hào)延遲的缺陷雙光路優(yōu)點(diǎn)參考光丈量消除光源發(fā)光功率動(dòng)搖的影響暗信號(hào)丈量消除雜散光以及電路系統(tǒng)暗電流的影響 誤差傳送和累積膜層設(shè)計(jì)厚度含誤差厚度誤差誤差百分比183.7nm88.7nm5nm6%2119.6nm122.6nm3nm2.5%329.9nm36.7nm7nm23.4%4159.4nm153.4nm-6nm-3.76%565.9nm61.9nm-4nm-6.1%絕對(duì)誤差nm 1.4H 1.2L 0.5H 1.6L

9、1.1H (膜層)停點(diǎn)選擇對(duì)控制精度的影響以G/H/A膜系為例，nH=2.35,0=550nmc=550nm;當(dāng)光度值變化0.01%，厚度的相對(duì)誤差為1% 。c=500nm; 當(dāng)光度值變化0.01%，厚度的相對(duì)誤差為0.1% 單層膜的厚度誤差分析AB監(jiān)控法所謂AB監(jiān)控法，就是設(shè)計(jì)一個(gè)監(jiān)控安裝，采用AB兩塊監(jiān)控片交替運(yùn)用，把一個(gè)由高低折射率組成的膜系的膜層順序打亂，低折射率資料膜層鍍?cè)贏監(jiān)控片上，高折射率資料膜層鍍?cè)贐監(jiān)控片上。AB監(jiān)控法的優(yōu)點(diǎn)第一，適當(dāng)?shù)嘏矂?dòng)監(jiān)控波長(zhǎng)，可以使各層膜實(shí)際停點(diǎn)選擇在遠(yuǎn)離極值點(diǎn)位置，從而得到高的膜厚監(jiān)控精度；第二，由于膜層資料是單一的，實(shí)際上的反射率極大值點(diǎn)與極小值點(diǎn)

10、是可以預(yù)測(cè)的，利用這些極值點(diǎn)作為參照點(diǎn)，開展一種適用的膜厚修正方法，即比例修正法。AB監(jiān)控法的優(yōu)點(diǎn)第三，在極值點(diǎn)處導(dǎo)納值為實(shí)數(shù)，可以方便地計(jì)算出其導(dǎo)納值，用這個(gè)實(shí)數(shù)導(dǎo)納值取代前面曾經(jīng)鍍過的一切膜層，就好似后面一切的膜都是鍍?cè)谶@樣導(dǎo)納值的一個(gè)新基片上，膜厚誤差被截?cái)嗔?；第四，在監(jiān)控片上實(shí)際膜系的膜層順序是被打亂的，前一層膜的監(jiān)控誤差不會(huì)影響到本膜層，這樣也有利于監(jiān)控過程中膜厚誤差的截?cái)嗯c補(bǔ)償；第五，透反射率都在一個(gè)固定的范圍內(nèi)變化，監(jiān)控系統(tǒng)不需求在大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)切換，可以利用放大器和探測(cè)器的最正確任務(wù)區(qū)，把系統(tǒng)設(shè)計(jì)的非常穩(wěn)定、非常線性，從而保證高的控制精度。AB法監(jiān)控時(shí)的監(jiān)控方案選擇法監(jiān)控時(shí)的監(jiān)

11、控方案選擇 根據(jù)AB監(jiān)控法的原理，編排一個(gè)非常方便運(yùn)用的計(jì)算程序。經(jīng)過重新編排膜層順序和改動(dòng)監(jiān)控波長(zhǎng)的方法，尋覓各層膜適宜的透反射率停點(diǎn)。選擇停點(diǎn)的根本原那么：一是避開極值點(diǎn)；二是每層膜的停點(diǎn)最好至少要過一個(gè)極值點(diǎn)。當(dāng)在A監(jiān)控片上鍍制低折射率資料時(shí)，透反射率值變化幅度很小，這樣不利于膜厚的準(zhǔn)確控制。此時(shí)，在重新分配膜層時(shí)，把第一層的高折射膜層并入A監(jiān)控片，以提高A片上低折射率膜層的透反射率的變化幅度。由于應(yīng)力的緣由，在一塊監(jiān)控片上鍍制同一種膜層不宜太厚，普通每塊監(jiān)控片的膜層累積厚度不宜超越十個(gè)/4，=550nm。當(dāng)膜層數(shù)過多時(shí)，可以重新改換新的監(jiān)控片C、D、E、F等。采用多個(gè)監(jiān)控片時(shí)，使選擇A

12、B法監(jiān)控有更多的選擇方案。比如某一層膜按順序安排在B監(jiān)控片上，不符合選擇停點(diǎn)的原那么，找不到好的停點(diǎn)，那么可以將它安排到其它監(jiān)控片上。AB法監(jiān)控方案的選擇是一個(gè)反復(fù)實(shí)驗(yàn)的過程。 31層非規(guī)整膜系的AB法監(jiān)控光譜曲線光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)單波長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng)光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)寬光譜監(jiān)控系統(tǒng)寬光譜監(jiān)控 寬光譜掃描，在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)監(jiān)視薄膜的特性，使控制既直觀又準(zhǔn)確 監(jiān)控原理：實(shí)時(shí)丈量膜系的光譜特性，并不斷地比較實(shí)時(shí)測(cè)定的光譜曲線與實(shí)際要求的曲線。在不思索誤差的情況下，當(dāng)兩者完全一致時(shí)，就以為膜層到達(dá)實(shí)際設(shè)計(jì)厚度 寬光譜監(jiān)控寬光譜監(jiān)控的波長(zhǎng)、光學(xué)厚度、透過率的三維函數(shù)圖 寬光譜監(jiān)控寬光譜監(jiān)控的優(yōu)點(diǎn)可以直觀方便地控制寬譜

13、特性 寬譜補(bǔ)償：前面膜層的誤差，在一定程度上被后續(xù)膜層補(bǔ)償和截?cái)鄬?shí)現(xiàn)非規(guī)整膜系的監(jiān)控 鍍制過程中對(duì)透、反射特性的曲線分析處置，可以計(jì)算出已鍍膜層的折射率、吸收率、色散、厚度等參數(shù) Filmonitor BS寬光譜監(jiān)控系統(tǒng) 寬光譜監(jiān)控原理圖Filmonitor BS寬光譜監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)特點(diǎn)每秒輸出三個(gè)數(shù)據(jù)值有效監(jiān)控波長(zhǎng)范圍從400nm到800nm，完全覆蓋可見光范圍 系統(tǒng)丈量精度可以到達(dá)0.1% Filmonitor BS-硬件特點(diǎn)光路運(yùn)用紫外加強(qiáng)石英光維接納光信號(hào)，傳輸損耗優(yōu)于普通光纖，紫外波段的傳導(dǎo)特性較好。光纖孔徑角22。光源后添加一個(gè)球形反射鏡，添加光源運(yùn)用效率 加光闌限制雜散光進(jìn)入 光源

14、選用鹵鎢燈，特點(diǎn)是亮度高，穩(wěn)定性好。采用風(fēng)冷 光譜儀：2048像元線陣CCD，分辨率2-3nm。任務(wù)范圍：1100-200nm。Filmonitor BS-軟件功能膜系光譜特性計(jì)算自動(dòng)測(cè)定鍍膜資料的折射率和色散三種判停方式 ：目視法人工判停；特征點(diǎn)法自動(dòng)判停；能量法自動(dòng)判停實(shí)時(shí)修正：分析當(dāng)前膜層光譜曲線，計(jì)算膜層厚度，優(yōu)化后續(xù)膜層Filmonitor BS-折射率測(cè)定折射率測(cè)定是光學(xué)鍍膜的一個(gè)非常重要的工藝任務(wù)，資料的色散是受設(shè)備及鍍制工藝影響的無吸收曲線呈等幅震蕩，有吸收時(shí)，呈震蕩收斂外形 n=Y*ng1/2 Filmonitor BS-折射率測(cè)定 二十四層冷光膜鍍制實(shí)驗(yàn) 未修正折射率的實(shí)際

15、與實(shí)踐光譜修正折射率后的實(shí)際與實(shí)踐光譜積木式光學(xué)薄膜監(jiān)控系統(tǒng)積木式光學(xué)薄膜監(jiān)控系統(tǒng) 積木式監(jiān)控：把多種監(jiān)控系統(tǒng)集成在一同，根據(jù)實(shí)踐情況來選擇適宜的監(jiān)控方式，從而對(duì)鍍膜過程實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。積木式構(gòu)造組成：石英晶振監(jiān)控法 ；單波長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng) ；寬光譜監(jiān)控系統(tǒng) 。根據(jù)需求，交叉組合，協(xié)調(diào)任務(wù)。積木式光學(xué)薄膜監(jiān)控系統(tǒng)積木式光學(xué)薄膜監(jiān)控系統(tǒng)晶控系統(tǒng):控制淀積速率； 控制極薄層 (厚度極薄或光度變化不敏感膜層； 進(jìn)展批量自動(dòng)化消費(fèi)。注：首先需求光控對(duì)其進(jìn)展標(biāo)定。積木式光學(xué)薄膜監(jiān)控系統(tǒng)積木式光學(xué)薄膜監(jiān)控系統(tǒng)單波長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng)：測(cè)定資料色散；標(biāo)定工具因子晶控與監(jiān)控片，監(jiān)控片與工件；窄帶濾光片的鍍制；運(yùn)用AB法實(shí)現(xiàn)高精

16、度控制；注：晶控控制蒸發(fā)速率。積木式光學(xué)薄膜監(jiān)控系統(tǒng)積木式光學(xué)薄膜監(jiān)控系統(tǒng)寬光譜監(jiān)控系統(tǒng)：測(cè)定資料色散；寬帶產(chǎn)品的鍍制，比如分光膜，AR膜，截至膜等；監(jiān)視產(chǎn)品的光譜曲線用晶控或單波長(zhǎng)控制鍍膜過程時(shí)。注：晶控控制蒸發(fā)速率。石英晶體振蕩法：石英晶體振蕩法：石英晶體具有壓電效應(yīng)，其固有頻率不僅取決于幾何尺石英晶體具有壓電效應(yīng)，其固有頻率不僅取決于幾何尺寸和切割類型，而且還取決于厚度寸和切割類型，而且還取決于厚度d。假設(shè)厚度為假設(shè)厚度為d的石英晶片厚度改動(dòng)的石英晶片厚度改動(dòng)d，那么晶體振動(dòng)，那么晶體振動(dòng)頻率變化頻率變化f，負(fù)號(hào)表示頻率隨厚度的添加而減少。，負(fù)號(hào)表示頻率隨厚度的添加而減少。N取決于石英晶

17、體的幾何尺寸和切割類型的頻率常數(shù)dNf 鍍膜時(shí)質(zhì)量增量所產(chǎn)生的晶體頻率變化：2ddNf把石英晶片厚度改動(dòng)把石英晶片厚度改動(dòng)d變換成膜層厚度增量變換成膜層厚度增量dMdAdAmQMMMddNf2QMdNf QMA是晶體受鍍面積， 為膜層密度， 為石英密度MdNff2QMffMd 是石英晶體的基頻， 與 之間是線性關(guān)系。厚度的變化與振蕩頻率成正比。厚度的變化與振蕩頻率成正比。留意！留意！QmNfC2MdNff2QMdAdAmQMMMQMdd在石英晶片上淀積厚度為在石英晶片上淀積厚度為 ，那么相應(yīng)晶體厚度變化為：，那么相應(yīng)晶體厚度變化為：dMmMdCdNffM2QM 當(dāng)膜厚不大，即薄膜質(zhì)量遠(yuǎn)小于石英

18、基片質(zhì)量時(shí)，晶當(dāng)膜厚不大，即薄膜質(zhì)量遠(yuǎn)小于石英基片質(zhì)量時(shí)，晶片諧振頻率變化不大，片諧振頻率變化不大， 可以為常數(shù)。可以為常數(shù)。mCmmdfCdx v 對(duì)于特定的石英晶體丈量膜厚，隨薄膜厚度添加，頻率對(duì)于特定的石英晶體丈量膜厚，隨薄膜厚度添加，頻率和厚度的關(guān)系偏離線性。和厚度的關(guān)系偏離線性。令：令： ，稱為質(zhì)量靈敏度。，稱為質(zhì)量靈敏度。QmNfC2v石英晶體片起始頻率越高，質(zhì)量靈敏度越高。石英晶體片起始頻率越高，質(zhì)量靈敏度越高。v石英晶體監(jiān)控的有效精度取決于電子線路的穩(wěn)定性，所石英晶體監(jiān)控的有效精度取決于電子線路的穩(wěn)定性，所用晶體的溫度系數(shù)、石英晶體傳感探頭的特定構(gòu)造。用晶體的溫度系數(shù)、石英晶體傳感探頭的特定構(gòu)造。石英晶體監(jiān)控的優(yōu)點(diǎn)石英晶體監(jiān)控的優(yōu)點(diǎn):1.安裝簡(jiǎn)單，沒有通光窗口，沒有光學(xué)系統(tǒng)安排等費(fèi)事。2.信號(hào)容易判讀，隨著膜層的增厚，頻率線性下降，與薄膜能否透明無關(guān)。 3.同時(shí)可以記錄蒸發(fā)速率，適宜于自動(dòng)監(jiān)控。對(duì)薄的膜層有較高的控制精度。石英晶體監(jiān)控的缺陷石英晶體監(jiān)控的缺陷:1.晶體直接丈量薄膜的質(zhì)量而不是光學(xué)厚度2.不像光電極值法，具有厚度自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)理。3.晶體的靈敏度隨質(zhì)量的添加而降低，給紅外膜帶來困難。石英晶振法與光電監(jiān)控法比較常用的監(jiān)控方