第四章 膜层厚度监控方法
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薄膜制程及薄膜厚度监控方法
製程設計
膜厚監控系統
製程控制
受製程誤差影 響之敏感度
檢討可容許之膜層 厚度允許
考慮需要怎樣的 折射率允差和厚 度均勻性
製程參數變化對光學性質之影響
製程參數
蒸度速率 溫度
光學性質
代表例
折射率 對0.1nm/s的變動 TiO2 有1%改變 物理厚度 正比於蒸度速率 折射率 物理厚度 對1℃的變動TiO2有0.2改變(在 250℃時) 對1℃的變動ZnS有0.2改變(在 170℃時)
單波長光學膜厚計
直接監控薄膜厚度變化 從最大光量或最小光量的極值確定膜厚 （1/4 膜厚 1QWOT） 從光量最大或最小的程度，可判斷折射係數變化。 單波長光學膜厚計輔以電腦控制可進行非1/4 膜厚控制
菏北猧匡拒秨﹍
path-3 > 0.5%
Yes
匡拒猧骸ì 0.5% < path-3< 5%
薄膜製程 及 薄膜厚度監控方法
譜訊光電素 薄膜厚度監控方法
光學薄膜
原理: 經由光學干涉作用而達到其效果者。 特性: 高、低折射率材料堆疊 (Sub/HLHLHL……..) 。 光干涉作用
Light Source
Reflection
形成光學薄膜
匡拒 Sensitivity( 庇稰 ) 程ぇ猧竚
path-2
纗匡ぇ猧戈
path-1
痢饯玴 t
廣波域光學膜厚計
直接監控光譜 選擇適當的評價方法 需要準確的材料特性計算
Fig. 3 Screen monitor top: heading of system & tolerance of spectral curve center left: spectral transmittance of current layer, line-measured curved, dotted line target curve. center right: transmittance vs. thickness curve. line -measured, dotted line-target bottom: indication bubles and functions keys of system operation controll
光学薄膜监控技术原理
光学薄膜监控技术原理
误差传递和累积
膜层 1 2 3 4 5
设计厚度 83.7nm 119.6nm 29.9nm 159.4nm 65.9nm
含误差厚度 88.7nm 122.6nm 36.7nm 153.4nm 61.9nm
误差 5nm 3nm 7nm -6nm -4nm
误差百分比 6% 2.5%
镀制单层的MgF2，对绿光减反射，反射光是紫红色。
光学薄膜监控技术原理
★ 光学方法 光吸收法
测量薄膜透射光强度。
II0(1R)2exp(t)
式中， I 0 为入射光强度， I 透射光强度， t 膜厚， 吸收
系数， R 薄膜与空气界面的反射率。
方法简单 适合于连续薄膜
光学薄膜监控技术原理
光干涉法(光电极值法）
光学薄膜监控技术原理
形状厚度dT是接近与直观形式的厚度。 质量厚度dM反映了薄膜中质量的多少。 物性厚度dP实际使用较少。
光学薄膜监控技术原理
★目视法 目视法：目视观察薄膜干涉色的变化来控制介质膜的厚度。 基板镀膜后，入射光在薄膜的两个分界面分成两束反射光，这 两束反射光是相干的，各个波长的反射光强度就不相等，带有 不同的干涉色彩，不同的膜厚对于不同的颜色。
值； 3. 透过或反射光强度为薄膜厚度的函数。
光学薄膜监控技术原理
例题：设计淀积2m厚的SiO薄膜，已知SiO的折射率为2.0， 监控片的折射率为1.5，单色光波长为1m，假设薄膜吸收为 零，如何监控？
根据干涉原理：
m 4 nfd
m4nfd42216
1
监测到第8个最大值即可。
光学薄膜监控技术原理
极值法
在基片上镀制单一层膜时，薄膜的透射光或反 射光强度随着薄膜厚度的变化曲线呈余弦状。
误差传递和累积
膜层 1 2 3 4 5
设计厚度 83.7nm 119.6nm 29.9nm 159.4nm 65.9nm
含误差厚度 88.7nm 122.6nm 36.7nm 153.4nm 61.9nm
误差 5nm 3nm 7nm -6nm -4nm
误差百分比 6% 2.5%
镀制单层的MgF2，对绿光减反射，反射光是紫红色。
光学薄膜监控技术原理
★ 光学方法 光吸收法
测量薄膜透射光强度。
II0(1R)2exp(t)
式中， I 0 为入射光强度， I 透射光强度， t 膜厚， 吸收
系数， R 薄膜与空气界面的反射率。
方法简单 适合于连续薄膜
光学薄膜监控技术原理
光干涉法(光电极值法）
光学薄膜监控技术原理
形状厚度dT是接近与直观形式的厚度。 质量厚度dM反映了薄膜中质量的多少。 物性厚度dP实际使用较少。
光学薄膜监控技术原理
★目视法 目视法：目视观察薄膜干涉色的变化来控制介质膜的厚度。 基板镀膜后，入射光在薄膜的两个分界面分成两束反射光，这 两束反射光是相干的，各个波长的反射光强度就不相等，带有 不同的干涉色彩，不同的膜厚对于不同的颜色。
值； 3. 透过或反射光强度为薄膜厚度的函数。
光学薄膜监控技术原理
例题：设计淀积2m厚的SiO薄膜，已知SiO的折射率为2.0， 监控片的折射率为1.5，单色光波长为1m，假设薄膜吸收为 零，如何监控？
根据干涉原理：
m 4 nfd
m4nfd42216
1
监测到第8个最大值即可。
光学薄膜监控技术原理
极值法
在基片上镀制单一层膜时，薄膜的透射光或反 射光强度随着薄膜厚度的变化曲线呈余弦状。
光学膜厚监控方法
ｆ ｎ ｔｏ ｓ ｏ ｕ ｔ— ｖ ｌｎ ｔ ｅ ｏ ｗｅ ｅ ｄ ｓ ｒｂ ｄ．Ｔｈ ｅｇ ｔ ｉ ｆｕ ｎ ｅ ａ ｔ ｒ ｆ ｒ ｓｎ ｌ ａ ｅｅ ｇ ｕ ｃ ｎ ｆ ｒ ｍ ｌｉｗａ ｅｅ ｇ ｉ ｈ ｍ ｔ ｄ ｈ ｒ ｅ ｃ ｅ ｉ ｅ ｉ ｈ ｎ ｅ ｃ ｆ ｃｏ ｓ ｏ ｉ ｇｅ ｗ ｖ ｌ ｎ ｔ ｌ ｈ ｍ ｅ ｏ ｎ ｌｖ ｎ ｉ ｆｕ ｎ ｅ ｆ ｃ ｏ ｓ ｆ ｒｍ ｕ ｔ— ｖ ｌｎ ｔ ｅ ｏ ｒ ｕ ｍ ａ ｉｅ ．Ｔ ｅ ｃ ｒａ ｔｒｓｉ ｎ ｈ ｔ ｄ ａ ｄ ｅ ｅ ｅ ｎ ｅ ｃ ａ ｔ ｒ ｏ ｌ ｗａ ｅｅ ｇｈ ｍ ｔ ｄ ｗｅｅ ｓ ｍ ｌ ｉ ｈ ｒｚ ｄ ｈ ｈａ ｃｅ ｔ ａ ｄ ｉ ｃ
ｔ ｎ ｆｍ ｙｒｗ ｉ ｏ ｔ ｇ ａｄｏ ｅｏ ｅｋ ｙ ｔ ｈ ｏｏ ｉｓｔ ｒａ ｚ ｕ ｍａ ｃｃ ａ ｎ ．ｔｉ ｈ ｌｆｌ ｏ ｈ ｌ ｌ ｅ ｈｌ ｃａ ｎ ， ｎ ｎ ｆｔ ｅ ｃｎ ｌｇｅ ｏ ｅｌ ｅａ ｔ ｔ ｏｔ ｇ Ｉ ｓ ｅｐｕ ｔ ｉ ｉ ａ ｅ ｉ ｈ ｅ ｉ ｏ ｉ ｉ
算膜层 厚度 的计 算 方 法 以及 宽光谱 法 所常 用 的 ３种 评 价 函数 ，总 结 出影 响单 波 长 法测 量 的 ８种 因素 和 宽光 谱 法 的 ｌ １种 因素 ， 并根 据 这 些 因素分析 了这 两种 方 法 的特 点 和适 用 范 围。 关键 词 ： 膜厚 监控 ； 光 学薄膜 ； 单 长法 ； 宽光谱 法
ｏ ｉ ｇｅ ｗａ ｅｅ ｇ ｎ ｕ ｔ— ｖ ｌ ｎ ｔ ｅ ｐ ｐ ｌ ｎ ｏ ｌｎ ｕ ｏ ａ ｃ ｍ ｏ ｉｏ ｎ ｅ ｏ ｔ ａ ｈ ｃ ｅ ｓ ｆｓｎ ｌ ｖ ｌ ｎ ｔ ａ ｄ ｍ ｌ ｗａ ｅｅ ｇ ａ ｏ ｕ ａ ｉ ｎ ｉ ｅ ａ ｔ ｍ ｔ ｎ ｔ ｒ ｇ ｔ ｐ ｃ ｌｔ ｉｋ ｓ ｈ ｉ ｈ ｒ ｒ ｉ ｉ ｈ ｉ ｎ ｏ ｏ ｔｃ ｌ ｈ ｉ ｆｌ ．Ｔｈ ｗｏ ｋ ｎ ｐ ｎ ｉ ｌ ｓ ｆ ｔｅ ｅ ｆ ｐ ｉａ ｔ ｎ ｉ ｍ ｅ ｒ ｉ ｇ ｒ ｃｐ ｅ ｏ ｓ ｍ ｅ ｏ ｓ ｉ ｈ ｈ ｔ ｄ ｗｅ ｅ ｎｒ ｄ ｃ ｄ．Ｔｈ ｃ ｌｕ ａ ｎ ｅ ｏ ｒ ｉ ｔｏ ｕ ｅ ｅ ａｃ ｌｔ ｇ ｍ ｔ ｄ ｉ ｈ
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算膜层 厚度 的计 算 方 法 以及 宽光谱 法 所常 用 的 ３种 评 价 函数 ，总 结 出影 响单 波 长 法测 量 的 ８种 因素 和 宽光 谱 法 的 ｌ １种 因素 ， 并根 据 这 些 因素分析 了这 两种 方 法 的特 点 和适 用 范 围。 关键 词 ： 膜厚 监控 ； 光 学薄膜 ； 单 长法 ； 宽光谱 法
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薄膜厚度的监控
03
薄膜厚度监控的设备和技术
设备类型和选择
01
02
03
04
光学测厚仪
利用光的干涉原理测量薄膜厚 度，适用于透明或半透明薄膜
。
磁感应测厚仪
利用磁场感应原理测量金属薄 膜厚度，适用于导电金属薄膜
。
电容测厚仪
利用电容器原理测量绝缘薄膜 厚度，适用于绝缘材料薄膜。
激光测厚仪
利用激光干涉原理测量薄膜厚 度，具有高精度、高速度的优
从而提高了产品的良品率和可靠性。
输入 标题
案例二
某光学元件制造商通过引入高精度的薄膜厚度监控设 备，成功地降低了光学元件制造过程中的废品率，并 提高了产品的光学性能。
案例一
案例三
某生物医疗的薄膜层具有所需的厚度和生物
相容性，从而提高了产品的安全性和有效性。
根据生产需求，选择合适的监 控位置，确保能够全面反映薄
膜的厚度分布。
安装和校准设备
按照设备说明书进行安装和校 准，确保测量结果的准确性和 可靠性。
设定监控参数
根据薄膜的工艺要求，设定合 适的监控参数，如测量范围、 采样频率等。
实时监测与记录
对薄膜厚度进行实时监测，并 记录相关数据，以便后续分析
和处理。
薄膜厚度的监控
• 引言 • 薄膜厚度监控的基本原理 • 薄膜厚度监控的设备和技术 • 薄膜厚度监控的应用场景和案例分析 • 薄膜厚度监控的实践操作和注意事项 • 结论
01
引言
主题简介
薄膜厚度监控是工业生产中常用的质 量控制手段，主要用于确保薄膜的厚 度符合预设标准，从而提高产品的性 能和一致性。
06
薄膜厚度监控技术的发展趋势是集成化、智能化和多功能 化，以满足不断变化的市场需求。
第四章 膜层厚度监控方法
15
2020/4/11
光学薄 膜 制 备 技术
2、极值法控制的技巧
（1）、直接控制 理论和实验两方面都论证了直接控制对窄
带滤光片控制的合理性。其原因在于：
（a）、相邻膜层之间能自动地进行膜厚 误差的补偿（在控制波长上）；
（b）、避免了因凝聚特性变化所引起的 误差，因而使窄带滤光片获得很高的波长 定位精度。
光学薄 膜 制 备 技术
二、光学监控法 (一)极值法
薄膜的透射光或反射光强度是随着薄膜厚度的变 化而变化的。厚度变化一个微小量△n1d1所引起 的透射率或反射率的变化为△T或△R，在不同的 厚度时是不同的。但在极值点附近，△T／△n1d1 很小，接近于零，亦即这时透射率或反射率对厚 度的变化不灵敏，这也是该方法原理所固有的缺 陷。
光学薄 膜 制 备 技术
（2）、过正控制
如前所述，极值法的固有精度不高，其原因 正是极值处监控信号对于膜厚的变化率为零，
这样就给判断极值点的准确性带来困难。有 经脸的镀膜操作者一般并不把蒸发停止在理 论极值处，而是停止在眼睛能分辨的反转值 处，其目的是故意产生一个一致性的过正量， 以减少判断膜厚的随机误差。
2 22 2 2 22 2
，显然它可以分解
1 2 3 4 5 222324
24
2020/4/11
光学薄 膜 制 备 技术
为了提高控制精度，控制波长并不选在中心波长 λ0而在λc。这时，前4层的导纳轨迹示于图3-62， 图中，以等反射率线（Rc）为界，两侧分别分 布着各H层和L层的导纳圆。显然，第(5)、 (9)……..(21)各层膜的导纳圆将与第一层的导纳 圆重合。同理，其余各层分别与第(2)、(3)或（4) 层的导纳圆重合。
28
膜厚的测量与监控
探头(石英晶片)工作温度一般不允许超过80℃，否则将会带来很大误 差。
电阻法
原理：由于电阻值与电阻体的
形状有关，利用这一原理来测 量膜厚的方法称电阻法。由于 金属导电膜的阻值随膜厚的增
加而下降，所以用电阻法可对
金属膜的淀积厚度进行监控， 以制备性能符合要求的金属薄 膜。
由于材料的电阻率(或者电导率)通常是与 整块材料的形状有关的一个确定值，如果 认为薄膜的电阻率与块材相同，则可由下 式确定膜厚，即
上表面
下表面
如果两束相干光的波程差等于波长的整数倍．则两束光相互 加强。如果波程差等于半波长的奇数倍，则两束光相互削弱。 因此，当膜层厚度相差λ /2 (光学厚度)时，即膜层的几何厚度 相差λ /2n (n为薄膜材料的折射率)时，反射率相同，这就是
光干涉法测膜厚的基础。
薄膜折射率<比较片折射 率（曲线1,2）
测试方法
形状膜厚
其他方法
电子显微镜法 化学天平法Leabharlann 微量天平法 扭力天平法 石英晶体振荡法
比色法 X射线荧光法 离子探针法 放射性分析法
质量膜厚
质量测定法
原子数测定法
物性膜厚
电学方法
光学方法
电阻法 电容法 涡流法 电压法
干涉色法 椭圆偏振法 光吸收法
微量天平法（质量膜厚）
方法：将微量天平设置在真空室内，把蒸镀的基片吊 在天平横梁的一端，测出随薄膜的淀积而产生的天平 倾斜，进而求出薄膜的积分堆积量，然后换算为膜厚。 由此便可得到质量膜厚。
nt=λ/4 反射率达到最小值 nt=λ/2 反射率达到最大值
薄膜折射率>比较片折射率 （曲线4,5）
nt=λ/4 反射率达到最大值 nt=λ/2 反射率达到最小值
电阻法
原理：由于电阻值与电阻体的
形状有关，利用这一原理来测 量膜厚的方法称电阻法。由于 金属导电膜的阻值随膜厚的增
加而下降，所以用电阻法可对
金属膜的淀积厚度进行监控， 以制备性能符合要求的金属薄 膜。
由于材料的电阻率(或者电导率)通常是与 整块材料的形状有关的一个确定值，如果 认为薄膜的电阻率与块材相同，则可由下 式确定膜厚，即
上表面
下表面
如果两束相干光的波程差等于波长的整数倍．则两束光相互 加强。如果波程差等于半波长的奇数倍，则两束光相互削弱。 因此，当膜层厚度相差λ /2 (光学厚度)时，即膜层的几何厚度 相差λ /2n (n为薄膜材料的折射率)时，反射率相同，这就是
光干涉法测膜厚的基础。
薄膜折射率<比较片折射 率（曲线1,2）
测试方法
形状膜厚
其他方法
电子显微镜法 化学天平法Leabharlann 微量天平法 扭力天平法 石英晶体振荡法
比色法 X射线荧光法 离子探针法 放射性分析法
质量膜厚
质量测定法
原子数测定法
物性膜厚
电学方法
光学方法
电阻法 电容法 涡流法 电压法
干涉色法 椭圆偏振法 光吸收法
微量天平法（质量膜厚）
方法：将微量天平设置在真空室内，把蒸镀的基片吊 在天平横梁的一端，测出随薄膜的淀积而产生的天平 倾斜，进而求出薄膜的积分堆积量，然后换算为膜厚。 由此便可得到质量膜厚。
nt=λ/4 反射率达到最小值 nt=λ/2 反射率达到最大值
薄膜折射率>比较片折射率 （曲线4,5）
nt=λ/4 反射率达到最大值 nt=λ/2 反射率达到最小值
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在折射率为n2的基板上有一折射率n1和厚度d1的薄膜， 一入射光在薄膜的两个分界面上分成两束反射光
（略去多次反射光束），这两束反射光是相干的。
当n0＜n1＜n2时，波长为λ0／2的反射光线，干涉加 强．
n0＜n1＞n2界面0上反射光有半波损失，而界面I上 的反射光没有半波损失，所以干涉情况与上述相反，
这种方法可以测量大约从1欧姆到几百兆欧姆的电阻， 若用一个继电器控制挡板，电阻率的控制程度可达 到1％。如再加上适当的DC放大器，则电阻率的控 制精度可望达到0.01。但是随着膜厚增加，电阻减 小要比预期的慢，造成这种现象的原因是膜层的边 界效应、薄膜与大块材料之间的结构差异以及残余 气体的影响，所以用此方法所能达到的几何厚度监 控精度很难优于5％．尽管如此，它在电学膜制备中 仍有一定的价值。
误差的补偿（在控制波长上）； （b）、避免了因凝聚特性变化所引起的
误差，因而使窄带滤光片获得很高的波长 定位精度。
16
整理课件
31.10.2020
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光学薄 膜 制 备 技术
间接控制一个的缺点，即淀积在一个 已有膜层的基板上的膜层厚度和同时 淀积在一个新鲜基板上的膜层厚度之 间有明显的差异。
整理课件
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光学薄 膜 制 备 技术
二、光学监控法 (一)极值法
薄膜的透射光或反射光强度是随着薄膜厚度的变 化而变化的。厚度变化一个微小量△n1d1所引起 的透射率或反射率的变化为△T或△R，在不同的 厚度时是不同的。但在极值点附近，△T／△n1d1 很小，接近于零，亦即这时透射率或反射率对厚 度的变化不灵敏，这也是该方法原理所固有的缺 陷。
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整理课件
31.10.2020
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光学薄 膜 制 备 技术
互补色
由于反射光和透射光的颜色是互补的，因此用白光 照明时，我们可以根据图4-4的互补色方便地确定 镀膜时的薄膜干涉色。例如对目视光学仪器，要求 对绿光减反射，故反射光应是紫红色。
整理课件
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光学薄 膜 制 备 技术
互补色
用目视法观察透射光的颜色变化是不成功的。因为 单层膜（特别是减反射膜）的透射背景太亮，以致 淹没了干涉色的变化，所以必须采用反射光观察。 这时，带来的问题是照明光源和观察眼睛必须保持 一定的角度。可是，同一膜层在不同的角度下观察 的干涉色是不同的，如果我们使倾斜观察时的干涉 色恰好符合要求，则垂直观察时膜就要偏厚了，所 以实际中根据角度需要进行修正。
光学薄膜制备技术
第四章 膜层厚度监控方法
整理课件
光电制造技术
1
光学薄 膜 制 备 技术
§4.1 膜层厚度监控
薄膜的制备，除了选适当的材料和制备工艺 外，还必须精确控制其厚度。厚度有三种概 念，即几何厚度、光学厚度和质量厚度。
几何厚度:表示膜层的物理厚度。 光学厚度:几何厚度与膜层折射率的乘积称为光
学厚度。 质量厚度:质量厚度定义为单位面积上的膜层质
量，若已知膜层的密度，则可以方便地转换成相 应的几何厚度。
2
整理课件
31.10.2020
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光学薄 膜 制 备 技术
为了监控薄膜厚度，首先需要的是厚度测 量。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的变化而适当 变化的参数，然后设计一个在蒸发时监控 这一参数的方法。
4
整理课件
31.10.2020
4
光学薄 膜 制 备 技术
整理课件
5
光学薄 膜 制 备 技术
一、目视法
最早的光学控制方法是利用眼睛作为接收器， 目视观察薄膜干涉色的变化来控制介质膜的 厚度。
6
整理课件
31.10.2020
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光学薄 膜 制 备 技术
图4-1 薄膜的干涉
术
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整理课件
31.10.2020
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光学薄 膜 制 备 技术
2、极值法控制的技巧
为进一步挖掘极值法的潜在精度，可采用适当 的控制技巧，或者改进方法的原理。极值法控 制有二种方式。
一种是直接控制，即全部膜层自始至终直接由 被镀样品进行控制，不换控制片；
另一种是间接控制，即控制是在一系列的控制 片上进行的。
如图4-1（b）。波长大于λ0的光线和波长在λ0/2至λ0 之间的光线则介于两者之间，既不加强，又不抵消。
这样，基板镀膜以后，各个波长的反射光强度就不
相等，因而带有不同的干涉色彩，不同的膜厚有不
同的颜色，因此可以根据薄膜干涉色的变化来监控
介质膜的厚度。
整理课件
8
光学薄 膜 制 备 技术
根据薄膜干涉原理，基板镀膜以后， 各个波长的反射光强度就不相等，因 而带有不同的干涉色彩，不同的膜厚 有不同的颜色，因此可以根据薄膜干 涉色的变化来监控介质膜的厚度。这 种方法对于镀制单层MgF2减反射膜是 非常方便的。至今仍有着广泛的应用。
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整理课件
31.10.2020
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光学薄 膜 制 备 技术
1、极位法控制的典型装置
反射控制只能用于减反射和低 反射膜系的监控。
极值法在控制四分之一波长厚 度时精度比较低，其原因是在 极值点附近反射率或透射率对 于厚度的变化不灵敏，同时只 有在极值以前的那部分信号对 操作者才有用，只有熟练的操 作者才能达到理论上预示的精 度。
整理课件
9
光学薄 膜 制 备 技术
色品图
如图表示MgF2单层膜的反射光CIE-XYZ色品图。 随着薄膜光学厚度n1d1 的增加[图 (a)]可以读出 对应的颜色变化[图(b)]。例如在 n1d1=λ/4（ λ= 560 nm ）附近，颜色从紫变成蓝。膜厚变化 5nm时，其颜色变化用肉眼是不难识别的。
在这两种基本方式之间，还可以附加一种叫半 直接控制，它是在镀有预镀层的控制片上直接 监控所有膜层。
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整理课件
31.10.2020
15
光学薄 膜 制 备 技术
2、极值法控制的技巧
（1）、直接控制 理论和实验两方面都论证了直接控制对窄
带滤光片控制的合理性。其原因在于： （a）、相邻膜层之间能自动地进行膜厚
镀金属膜时可根据电阻变化来测定膜厚； 镀光学膜时可根据测试片的透射率和反射
率变化来换算膜厚；还可利用石英晶体振 荡频率变化来测量薄膜的质量厚度等等。
整理课件
3
光学薄 膜 制 备 技术
控制金属薄膜厚度
测量薄膜电阻变化是控制金属薄膜厚度最简单的一 种方法。
下图表示用惠斯顿电桥测量薄膜电阻率的例子。用