第四章 膜層厚度監(jiān)控方法

第四章膜層厚度監(jiān)控方法

光學(xué)薄膜制備技術(shù)光電制造技術(shù)

§4.1

膜層厚度監(jiān)控薄膜的制備，除了選適當(dāng)?shù)牟牧虾椭苽涔に囃?，還必須精確控制其厚度。厚度有三種概念，即幾何厚度、光學(xué)厚度和質(zhì)量厚度。幾何厚度:表示膜層的物理厚度。光學(xué)厚度:幾何厚度與膜層折射率的乘積稱為光學(xué)厚度。質(zhì)量厚度:質(zhì)量厚度定義為單位面積上的膜層質(zhì)量，若已知膜層的密度，則可以方便地轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的幾何厚度。2/4/20232為了監(jiān)控薄膜厚度，首先需要的是厚度測量。原則上可以有很多測量厚度的途徑，但都需要找到一個(gè)隨著厚度的變化而適當(dāng)變化的參數(shù)，然后設(shè)計(jì)一個(gè)在蒸發(fā)時(shí)監(jiān)控這一參數(shù)的方法。鍍金屬膜時(shí)可根據(jù)電阻變化來測定膜厚；鍍光學(xué)膜時(shí)可根據(jù)測試片的透射率和反射率變化來換算膜厚；還可利用石英晶體振蕩頻率變化來測量薄膜的質(zhì)量厚度等等?？刂平饘俦∧ず穸葴y量薄膜電阻變化是控制金屬薄膜厚度最簡單的一種方法。下圖表示用惠斯頓電橋測量薄膜電阻率的例子。用這種方法可以測量大約從1歐姆到幾百兆歐姆的電阻，若用一個(gè)繼電器控制擋板，電阻率的控制程度可達(dá)到1％。如再加上適當(dāng)?shù)腄C放大器，則電阻率的控制精度可望達(dá)到0.01。但是隨著膜厚增加，電阻減小要比預(yù)期的慢，造成這種現(xiàn)象的原因是膜層的邊界效應(yīng)、薄膜與大塊材料之間的結(jié)構(gòu)差異以及殘余氣體的影響，所以用此方法所能達(dá)到的幾何厚度監(jiān)控精度很難優(yōu)于5％．盡管如此，它在電學(xué)膜制備中仍有一定的價(jià)值。2/4/20234最早的光學(xué)控制方法是利用眼睛作為接收器，目視觀察薄膜干涉色的變化來控制介質(zhì)膜的厚度。2/4/20236一、目視法圖4-1薄膜的干涉在折射率為n2的基板上有一折射率n1和厚度d1的薄膜，一入射光在薄膜的兩個(gè)分界面上分成兩束反射光（略去多次反射光束），這兩束反射光是相干的。當(dāng)n0＜n1＜n2時(shí)，波長為λ0／2的反射光線，干涉加強(qiáng)．

n0＜n1＞n2界面0上反射光有半波損失，而界面I上的反射光沒有半波損失，所以干涉情況與上述相反，如圖4-1（b）。波長大于λ0的光線和波長在λ0/2至λ0之間的光線則介于兩者之間，既不加強(qiáng)，又不抵消。這樣，基板鍍膜以后，各個(gè)波長的反射光強(qiáng)度就不相等，因而帶有不同的干涉色彩，不同的膜厚有不同的顏色，因此可以根據(jù)薄膜干涉色的變化來監(jiān)控介質(zhì)膜的厚度。根據(jù)薄膜干涉原理，基板鍍膜以后，各個(gè)波長的反射光強(qiáng)度就不相等，因而帶有不同的干涉色彩，不同的膜厚有不同的顏色，因此可以根據(jù)薄膜干涉色的變化來監(jiān)控介質(zhì)膜的厚度。這種方法對于鍍制單層MgF2減反射膜是非常方便的。至今仍有著廣泛的應(yīng)用。色品圖如圖表示MgF2單層膜的反射光CIE-XYZ色品圖。隨著薄膜光學(xué)厚度n1d1

的增加[圖

(a)]可以讀出對應(yīng)的顏色變化[圖(b)]。例如在

n1d1=λ/4（

λ=560nm）附近，顏色從紫變成藍(lán)。膜厚變化5nm時(shí)，其顏色變化用肉眼是不難識別的。2/4/202310互補(bǔ)色由于反射光和透射光的顏色是互補(bǔ)的，因此用白光照明時(shí)，我們可以根據(jù)圖4-4的互補(bǔ)色方便地確定鍍膜時(shí)的薄膜干涉色。例如對目視光學(xué)儀器，要求對綠光減反射，故反射光應(yīng)是紫紅色?；パa(bǔ)色用目視法觀察透射光的顏色變化是不成功的。因?yàn)閱螌幽ぃㄌ貏e是減反射膜）的透射背景太亮，以致淹沒了干涉色的變化，所以必須采用反射光觀察。這時(shí)，帶來的問題是照明光源和觀察眼睛必須保持一定的角度?？墒牵荒釉诓煌慕嵌认掠^察的干涉色是不同的，如果我們使傾斜觀察時(shí)的干涉色恰好符合要求，則垂直觀察時(shí)膜就要偏厚了，所以實(shí)際中根據(jù)角度需要進(jìn)行修正。薄膜的透射光或反射光強(qiáng)度是隨著薄膜厚度的變化而變化的。厚度變化一個(gè)微小量△n1d1所引起的透射率或反射率的變化為△T或△R，在不同的厚度時(shí)是不同的。但在極值點(diǎn)附近，△T／△n1d1很小，接近于零，亦即這時(shí)透射率或反射率對厚度的變化不靈敏，這也是該方法原理所固有的缺陷。2/4/202313二、光學(xué)監(jiān)控法(一)極值法1、極位法控制的典型裝置反射控制只能用于減反射和低反射膜系的監(jiān)控。極值法在控制四分之一波長厚度時(shí)精度比較低，其原因是在極值點(diǎn)附近反射率或透射率對于厚度的變化不靈敏，同時(shí)只有在極值以前的那部分信號對操作者才有用，只有熟練的操作者才能達(dá)到理論上預(yù)示的精度。2/4/2023142、極值法控制的技巧為進(jìn)一步挖掘極值法的潛在精度，可采用適當(dāng)?shù)目刂萍记桑蛘吒倪M(jìn)方法的原理。極值法控制有二種方式。一種是直接控制，即全部膜層自始至終直接由被鍍樣品進(jìn)行控制，不換控制片；另一種是間接控制，即控制是在一系列的控制片上進(jìn)行的。在這兩種基本方式之間，還可以附加一種叫半直接控制，它是在鍍有預(yù)鍍層的控制片上直接監(jiān)控所有膜層。2/4/2023152、極值法控制的技巧（1）、直接控制理論和實(shí)驗(yàn)兩方面都論證了直接控制對窄帶濾光片控制的合理性。其原因在于：（a）、相鄰膜層之間能自動(dòng)地進(jìn)行膜厚誤差的補(bǔ)償（在控制波長上）；（b）、避免了因凝聚特性變化所引起的誤差，因而使窄帶濾光片獲得很高的波長定位精度。2/4/202316間接控制一個(gè)的缺點(diǎn)，即淀積在一個(gè)已有膜層的基板上的膜層厚度和同時(shí)淀積在一個(gè)新鮮基板上的膜層厚度之間有明顯的差異。窄帶濾光片的峰值波長定位精度是由直接控制本身所決定的，而不取決于個(gè)別膜層厚度的控制精度。但是必須指出，這種補(bǔ)償只對控制波長有效，所以，對于諸如寬帶減反射膜的多層膜系。特別是制備包含不規(guī)整厚度的膜系時(shí)，還需采用間接控制。（2）、過正控制如前所述，極值法的固有精度不高，其原因正是極值處監(jiān)控信號對于膜厚的變化率為零，這樣就給判斷極值點(diǎn)的準(zhǔn)確性帶來困難。有經(jīng)臉的鍍膜操作者一般并不把蒸發(fā)停止在理論極值處，而是停止在眼睛能分辨的反轉(zhuǎn)值處，其目的是故意產(chǎn)生一個(gè)一致性的過正量，以減少判斷膜厚的隨機(jī)誤差。2/4/202318在這種情況下，反射率誤差有兩部分組成：一部分是不變的一致性過正誤差，另一部分是很小的隨機(jī)判斷誤差，采用過正控制的隨機(jī)誤差比非過正控制要小得多，相等的反射率誤差ΔR，采用過正控制后膜厚隨機(jī)誤差明顯降低。2/4/202319（3）、預(yù)鍍層技術(shù)預(yù)鍍層是指在控制片上預(yù)先鍍上若干層膜，然后以這種具有預(yù)鍍層的控制片進(jìn)行膜厚控制。下面我們來舉例說明，G/LM2HL/A，其中ng=1.52，nL=1.38,nM=1.47，nH=2.09。假定該膜系膜層厚度誤差滿足正態(tài)分布，每層膜的誤差是相互分離的。計(jì)算表明，2％的厚度標(biāo)準(zhǔn)偏差是允許的，5％的標(biāo)準(zhǔn)偏差就到了極限值，而10％的標(biāo)準(zhǔn)偏差就完全破壞了減反射膜的性能要求。如果采用二層預(yù)鍍層GHL，同時(shí)采用過正控制，每層膜的過正量均為0.2％，并且隨機(jī)誤差為0.1％，則得到最高的控制精度。2/4/202320對1.06μ激光平板偏振片：nL=1.38,nH=2.09，λ0＝956nm，若采用二級控制，則四層預(yù)鍍層G/HLHL/的成品率幾乎可達(dá)100％，而無預(yù)鍍層僅20％左右。2/4/202321（4）、高級次控制在極值法監(jiān)控技術(shù)中最常用的方法是一級控制。所謂一級控制，就是當(dāng)光學(xué)厚度達(dá)到控制波長的1/4時(shí)，也即指示器第一次出現(xiàn)極值時(shí)停止蒸發(fā)，而將大于一級次的控制稱為高級次控制。2/4/202322高級次控制的優(yōu)點(diǎn)可用長波通濾光片為例來說明。這類膜系采用一級控制常常會(huì)遇到H/2鍍制的麻煩，然而，這種麻煩對二級控制是不存在的。對這種膜系分析表明，最好是使用一個(gè)三層預(yù)鍍層的二級控制。不采用預(yù)鍍層，僅用二級控制，截止帶的定位精度是12％，使用三層預(yù)鍍層的二級控制，則截止波長的定位精度可達(dá)0.8％。與高級次控制方法相似。采用遮蔽板技術(shù)把基板檔去一定比例的蒸汽分子，也可提高控制精度，這種方法在鍍制波長較短的紫外膜時(shí)有其重要的應(yīng)用。2/4/202323（5）、定值法控制定值法控制在干涉截止濾光片中有其特殊的應(yīng)用?，F(xiàn)在設(shè)長波通濾光片為

，顯然它可以分解為2/4/2023242/4/202325為了提高控制精度，控制波長并不選在中心波長λ0而在λc。這時(shí)，前4層的導(dǎo)納軌跡示于圖3-62，圖中，以等反射率線（Rc）為界，兩側(cè)分別分布著各H層和L層的導(dǎo)納圓。顯然，第(5)、

(9)……..(21)各層膜的導(dǎo)納圓將與第一層的導(dǎo)納圓重合。同理，其余各層分別與第(2)、(3)或（4)層的導(dǎo)納圓重合。第(1)層膜的導(dǎo)納圓從起始點(diǎn)（ns）出發(fā)，隨著膜厚增加，反射率達(dá)到Rc，再鍍第二層至導(dǎo)納圓與實(shí)軸相交，

任意厚度的薄膜系統(tǒng)，雖然具有優(yōu)良的光學(xué)特性，但給厚度監(jiān)控帶來了很多困難，因此探索任意厚度的監(jiān)控方法引起了國內(nèi)外薄膜工作者的普遍關(guān)心。

到目前為止，監(jiān)控任意厚度的方法主要有：石英晶體監(jiān)控、單波長監(jiān)控和寬光譜掃描等。2/4/202326三、任意厚度的監(jiān)控方法和裝置極值控制方法的基本精度是5％左右。如果使用波長調(diào)制法，則控制精度能夠得到較大的提高。這個(gè)方法與微分法相似，不是測量控制片的反射率（或透射率），而是測量反射率（或透射率）對波長的導(dǎo)數(shù)。在極值點(diǎn)，反射率曲線的導(dǎo)數(shù)為零，在極大值情況下，從正值到負(fù)值迅速地變化，在極小值的情況下變化則相反。這就給出了一種控制四分之一波長或其整數(shù)倍厚度膜層的精確方法。2/4/2023271、波長調(diào)制法波長調(diào)制法的控制系統(tǒng)的安排如圖所示，由光源發(fā)出的白光，透過（當(dāng)然也可以安排成反射）控制片而照明單色儀的入射狹縫，從單色儀振動(dòng)狹縫出射的單色光被光電倍增管接收，然后經(jīng)電路系統(tǒng)顯示。波長調(diào)制法與微分法非常相似，但它們的原理是不同。波長調(diào)制法的變化周期2πft是由狹縫的振動(dòng)頻率決定的。而微分法的反射率或透射率的變化周期直接由膜厚作為自變量。其次，波長調(diào)制法的控制波長是λ±Δ

。而微分法仍屬單色控制。此外，波長調(diào)制法對多層膜的起始幾層靈敏度很低，而微分法卻仍保持了極值法的特點(diǎn)。2/4/2023282、單波長監(jiān)控利用光電極值法監(jiān)控四分之一波長厚度或其整數(shù)倍膜是十分成熟的，因此通過模擬實(shí)際蒸發(fā)的過程計(jì)算出薄膜厚度增加時(shí)各個(gè)波長的反射率變化，從而尋找出正確厚度時(shí)出現(xiàn)極值的波長，然后，就可用極值法監(jiān)控任意厚度。例如對一個(gè)可見區(qū)和1.06μm的減反射膜，計(jì)算的控制波長如表4-3所示。2/4/2023293、寬光譜掃描由于材料色散和控制靈敏度等因素的影響，單波長監(jiān)控是很難精確控制寬波段特性的。若采用寬光譜掃描，在很寬的波長范圍內(nèi)監(jiān)視薄膜的特性，就能使控制既直觀又精確。近年來，采用寬光譜快速掃描光度計(jì)和電子計(jì)算機(jī)聯(lián)合監(jiān)控任意厚度膜系已成為可能。2/4/2023303、寬光譜掃描快速掃描單色儀是利用轉(zhuǎn)動(dòng)單色儀的衍射光柵來完成的，衍射光柵每毫米的刻線為1800條，在300~700nm的光譜區(qū)間內(nèi)，對應(yīng)的光柵轉(zhuǎn)角為25°，利用一只步進(jìn)馬達(dá)通過15:1的減速齒輪來驅(qū)動(dòng)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)。每秒鐘掃描兩次，波長精度為1nm。若要求更快的掃描頻率，可采用硅光電二極管列陣作為接收器。這種儀器完全避免了機(jī)械掃描的麻煩，而且還可以擴(kuò)展掃描范圍。2/4/2023324、石英晶體控制鍍膜時(shí)膜厚增加所產(chǎn)生的晶體振動(dòng)頻率的變化：上式的物理意義是：若厚度為d的石英晶體厚度增加Δd，則振動(dòng)頻率相應(yīng)地變化Δf，負(fù)號表明頻率隨著厚度的增加而減小。在淀積過程中，頻率的最大變化不得超過幾百千赫，不然振蕩器工作將不穩(wěn)定，即所謂跳頻，這時(shí)如果繼續(xù)進(jìn)行淀積，就會(huì)停止振蕩。為了保證振蕩穩(wěn)定和保持較高的靈敏度，晶體上的膜層鍍到一定厚度后就要清洗。2/4/2023334、石英晶體控制石英晶體監(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結(jié)構(gòu)以及相對于熱蒸汽源的合理定位。石英晶體監(jiān)控有三個(gè)非常實(shí)際的優(yōu)點(diǎn)：裝置簡單，沒有通光窗口，沒有光學(xué)系統(tǒng)安排等麻煩，信號容易判讀，隨著膜厚的增加，頻率線性地下降，與薄膜是否透明無關(guān)，同時(shí)，它還可以記錄蒸發(fā)速率，這些特點(diǎn)使它很適合于自動(dòng)控制。2/4/202334膜層厚度的均勻性是指膜層隨著基板表面位置變化而變化的情況。1、膜厚的理論分布為了獲得厚度均勻的薄膜，可以從理論上進(jìn)行計(jì)算，從而得到膜厚分布規(guī)律，在進(jìn)行膜厚計(jì)算時(shí)，首先假定：(1)、蒸發(fā)分子與蒸發(fā)分子、蒸發(fā)分子與殘余氣體分子之間沒有碰撞；(2)、蒸發(fā)分子到達(dá)基板表面后全部淀積成緊密的薄膜，其密度和大塊材料相同；(3)、蒸發(fā)源的蒸氣發(fā)射特性不隨時(shí)間變化。例如，沒有因蒸發(fā)材料與蒸發(fā)源相濕而蔓延到蒸發(fā)源外面，也沒有蒸發(fā)源的熱變形等。四、膜層厚度均勻性

基板上任何一點(diǎn)的薄膜厚度，決定于蒸發(fā)源的發(fā)射特性以及幾何配置，早期的研究表明，蒸發(fā)源通?？煞譃閮深悾阂皇屈c(diǎn)蒸發(fā)源向各個(gè)方向均勻地發(fā)射蒸氣分子，二是面源的蒸氣密度按所研究的方向與表面法線間的夾角呈余弦分布。對于點(diǎn)源，它向各個(gè)方向發(fā)射等量的材料。點(diǎn)源膜厚：對于小平面蒸發(fā)源，其蒸汽發(fā)射特性具有方向性，發(fā)射限為半球，在半球上積分，可得面源膜厚：1）、平面夾具圖4-17表示與蒸發(fā)源平行并置于其正上方的平面夾具的情況。點(diǎn)源離開基板中心距離ρ處的膜厚點(diǎn)源的膜厚分布：面源距離ρ處的膜厚分布：這兩種蒸發(fā)源對于平面基板的膜厚均勻性都不好。

2）、球面夾具圖4-19表示膜層在球面夾具上的膜厚分布。圖中，r是球面夾具的曲率半徑。從圖可見，對于點(diǎn)源，當(dāng)h/r=1.0（即點(diǎn)源位于球面夾具的球心），便可在球的內(nèi)表面鍍得厚度均勻的膜層。而對于具有方向性的面源，只要蒸發(fā)源處于球面夾具的球面上（即h/r=2.0），同樣也能得到均勻的膜厚分布，蒸發(fā)源和基板的幾何配置以及蒸發(fā)源位置變化對膜厚分布的影響示于圖4-20。面源位于球心上得不到良好的膜厚均勻性，所以蒸發(fā)源應(yīng)放在球面上。同樣可證明點(diǎn)源只有放于球心時(shí)才能獲得均勻膜。2）、球面夾具3）、旋轉(zhuǎn)平面夾具由平面夾具介紹可知，要獲得更好的膜厚均勻性，則應(yīng)采用旋轉(zhuǎn)基板的方法。它的配置如圖4-22所示。這種旋轉(zhuǎn)基板的方法能對兩個(gè)以上的蒸發(fā)源同時(shí)獲得很好的均勻性，而前面介紹的球面夾具只有唯一的蒸發(fā)源位置才能獲得良好的均勻性，所以制備多層膜時(shí)必須用旋轉(zhuǎn)基板的方法。4）、旋轉(zhuǎn)球面夾具在實(shí)際中通常采用旋轉(zhuǎn)球面夾具，因?yàn)樗m用于各種曲率半徑的鏡片，這只需把鏡片表面視作球面夾具的一部分，然后對不同曲率半徑的鏡片選用對應(yīng)的球面夾具即可。不僅如此，球面夾具還可得到更大的均勻面積。圖4-24表示球面夾具的配置。2、改善均勻性的措施要得到好的均勻性，除需了解蒸發(fā)源的發(fā)射特性和選取最佳幾何配置外，還要注意基板放置平行性和控制基板溫度等工藝因素。真空室中基板溫度的分布常常是不均勻的。圖4-26是頂部加熱夾具上的溫度分布，它們的溫度差可以相差30℃之多。這樣，由于凝聚系數(shù)的差異，溫度高的地方膜厚勢必比溫度低的地方薄。2、改善均勻性的措施真空度的影響是不難理解的。膜厚均勻性與蒸發(fā)分子到達(dá)基板的路徑中受殘余氣體碰撞的幾率相關(guān)。在一個(gè)760mm的鐘罩內(nèi)，當(dāng)氣壓在1~3×10-2Pe時(shí)，對于10％的