光学薄膜厚度监控研究的现状

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光学薄膜厚度监控研究的现状
近些年来，薄膜技术不仅应用在传统的光学精密计测领域，而且广泛应用
于宇航技术、制导技术、激光技术及仿真技术等高科技领域。就薄膜而言，膜
厚是其较为重要的参数，它决定性地影响着薄膜的力学性能、电磁性能和光学
* `; {1 V3 ^. x" O/ uJ性能，因而准确控制薄膜厚度就成为制备薄膜的关键。
* S" }! |! |. `8 Q在光学薄膜的光谱特性和光学常数的测控研究领域，以日本、美国和德国
为代表的国外研究机构的研究及开发处于领先。国内在该领域研究较为深入的
, L$ ], }) y/ P有浙江大学、中科院上海光机所等单位。在膜厚监控设备方面，国外产品控制
精度高、价格也高;国内该产品则种类少，稳定性相对差。
为了监控薄膜的厚度首先需要测量厚度。原则上可以有很多测量厚度的途
径，但都需要找到一个随着厚度变化而变化的参数，然后设计一个在蒸发时监
% w  k$ b5 f, {* ^" b: w控这一参数的方法，象质量、电阻、反射率和透射率等都能用于监控，但是在
- y' u+ T- e+ M& K$ D/ c膜厚监控系统中，因为要求具备高监控精度、高稳定度、高自动化程度和高性
' }* ?; Q; s6 e价比，所以对测量的方法是有一定选择的。当前，薄膜 (尤其是光学薄膜)厚
9 S; [" v/ L$ N2 f" _6 n' Q度测控技术不断完善，就其测量原理而言，主要有纯光学方法、石英晶体振荡
+ q% T; s: e( u' l法、椭偏仪法、光电极值法和宽光谱扫描法。
6 S$ A+ N, {7 m. L$ k5 U纯光学方法主要指干涉法和干涉色法。如可以用迈克尔逊干涉仪来测量玻
, A- H7 B' m$ w& \璃基底上的膜层厚度。由于原理上的局限对于膜厚的监控要么精度很低，要么
不能在镀膜过程中实时在线监控，该方法一般只用于产品检验和评价。 石英晶体振荡法是用得很广泛的一种薄膜厚度和沉积速率监控仪器。它是
利用石英晶体片的固有振动频率随着质量的变化而变化这一特性来测量薄膜厚
- L0 q- t3 W8 E5 o7 z/ q, {度。石英晶体法监控具有精度高的优点，已成功用于特定膜系的监控。比如，
! T$ c- L4 k: M+ Q! G上海理工大学研制了一套适合于车灯反射面膜厚在线测量装置，其稳定性好，
精度高，可对连续蒸镀多层膜进行监控，市场前景较好。但是该方法测量的是
薄膜的几何厚度而不是薄膜的光学厚度，对于监控密度和折射率显著依赖于蒸
发条件的薄膜材料，欲得到良好的重复性似乎是有困难的[81，而且两相邻膜层之
间不具备自动补偿机理，因而对于多数光学薄膜和复杂膜系来讲是不适用的。发生变化来测量、研究薄膜的光学性质。椭偏法监控有非接触性测量，精度高，
' B9 E( M/ }- K0 z可同时测出折射率和膜厚等优点，近年来发展很快。由于计算机和光电技术的
# }& P% `$ a' M& A5 W0 I发展，目前已经克服了椭偏仪测量时间慢的缺点。如复旦大学设计的 “扫描椭
偏仪”采用两台步进电机驱动起偏镜和检偏镜，提高了系统的稳定性和自动化
程度，但市场上还没有技术成熟的椭偏仪膜厚监控系统[[71，且这类系统价格较为
8 N" q5 S* P% e8 ~1 G& E昂贵，英国的该类仪器约十几万美元。
光电极值法是当前应用最广泛，技术比较成熟的膜厚监控方法。其原理是
当光学薄膜厚度达到k./4整数倍时，薄膜的反射光强度出现极值[91。实际操作时，
1 n8 J; _3 _0 g& E. g根据测量仪器的指针偏转来判断相应的极值点，极值点出现后关闭蒸发源挡板，
! [4 A- n; F9 [蒸镀停止，光电极值法监控系统研究主要是提高监控精度和自动化程度。文献[10]
1 `  c/ K" r+ N7 f  L9 }2 r/ [$ }采用了抗干扰双光路设计来消除电源电压波动产生的影响，提高极值点附近的
% b8 z; r' D  m# H( A5 t判读精度，另外利用电磁屏蔽减少周围电场、磁场对测量信号的影响，利用锁
2 o! j; B2 l% F: F. _% ^相放大技术对微弱信号进行锁相放大来提高系统精度，此外采用过正控制来克
4 \, X' e2 j: s服极值点附近膜层反射率对膜厚变化不灵敏这一极值法缺陷，将停镀点移到极
值反转后的某一反射率值处，减少了对应膜层的随机误差，判读精度也大大提
# w  {4 Q# {5 n: M0 K& X高。文献【川采用了一种新的接口电路来提高A/D转换器的精度，将极值点的判
* V( D# l) a- |5 P3 y$ S: N1 k断分成两个阶段，当远离极值点的时候采样比较缓慢，一旦进入极值点的范围
& k+ _4 b: v7 w* f& u* i! I/ E4 [采样加快，从而提高了极值点的监控精度;同时用伺服电机驱动挡板旋转，实
现了挡板自动开关的控制。文献【12]中对输出信号进行A/D转换，由计算机绘出透射率随膜厚变化的关系曲线，能够实现实时监控。文献【13]介绍了日本新科隆
株式会社研制的一种新型多功能快速分光式膜厚仪(OPM-M1)，该系统使用了
CCD作为线阵探测器，引用了电子、信息处理最新技术，使得膜厚仪的性能有
较大幅度的提高，该膜厚仪不但可对光学薄膜实行高精度实时控制，还可以在
真空槽中高速地测量样品的光谱特性。文献[14]介绍了DWDM窄带滤光片专用
1 Q( _$ V7 x  E8 W7 E' H膜厚仪 POM-W 1，该膜厚仪采用了高稳定性强光量的光源、高透射率的多膜光
纤、高分辨率单色仪以及高稳定性的锁相放大器等，使得该系统的波长分辨力
达到0.1 nm，重复性精度为0.05nm o
宽光谱膜厚监控法主要用来监控带宽较宽的滤光片的镀制，它是利用实测
的光谱曲线与理论光谱曲线进行比较，以评价函数表示比较结果并将其返回给
$ _4 H( ?( a0 ^( |, j+ C控制系统。它的精度和可重复性程度比单波长法监控要好。但该系统设备较为
! }" ?8 a4 @1 g. \5 T复杂，价格昂贵，如北京理工大学的宽光谱膜厚监控系统。
椭圆偏振测量是利用椭圆偏振光通过薄膜时，其反射光和透射光的偏振态