光学膜厚监控技术
- 格式：pdf
- 大小：160.00 KB
- 文档页数：2
用的物理效应不同可分为 ： 光学监控法 、 质量监控法 、 其 他 监 控
波长在 Ａ 。 和 之 间的光波在反射光方向上的强度则介于
二
两者之间 。这样 ， 基片镀膜 以后 ， 各个波 长 的反 射光强度 就会 随着膜层厚度的变化 而变化 ， 即带有 不 同的干涉色 ， 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 膜层的厚度 。
及 射 尤 １ 反 身丁
随着 激 光 技 术 、 光通讯 波分复用 技术 、 新 型 微 结 构 功 能 薄
膜等科技 的发展 ， 光学薄膜技术 已经渗透 到各 个交叉 的科技 领 域 。特别是近年来 ， 高精度 、 高 质量 的的光学 镜头 、 光学 仪器 、 数码产 品等 的广泛应用和大量需求 ， 使得光学 产品对光学零 部 件镀膜 的光学特性和精度的要求越来越高 。研究发 现 ， 在影 响 光学薄膜器件特性 的众多因素中 ， 膜层 的折射 率和光学厚度 是 两个最重要 的因素 。但对正在淀积的膜层 的折射率 ， 目前还 没 有找 到有效 的监测手段 来进行 （ 对膜层 的折射 率进行 测量 一 般要在生产完成后 ） ， 较 易测 量 的薄膜光学厚 度 的控 制便成 为 了薄膜制备成败的关键 ， 因此薄膜膜厚监控 引起 了人们越来越
７
技 术研 发
Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ ０ Ｌ ｏ Ｇ Ｙ Ａ Ｎ ＤⅣ Ｒ Ｋ Ｅ Ｔ
０ 的整数倍时 ， 薄膜 的 Ｔ或 Ｒ出现极值 。利用 这种特性 ， 可以
化， 来判断膜层的厚度 。其原理可通 过双光 束分振 幅干 涉来 说 明， 如图１ （ ａ ） 所示 ， 入射光在膜层的两个分 界面上分成 两束 相 干的反射光 （ 图中已略去多次反射光束 ） 。
通过判 断极值 的数 目来对 规整 膜系薄膜 的厚度 进行控制 。这 种方法 简便易行 ， 但 在极值点 附近 ， Ｔ或 Ｒ的变化非常缓慢 ， 极 值点 的准确判断是很困难的。为了精确控 制薄膜厚 度 ， 所 以在
技 术 与市 场
２ ） １ ３ 年第２ ０ 卷第 １ １ 期
技 术 研 发
光 学 膜 厚 监 控 技 术
华显立
（ 河 南工业职 业技 术 学 院 光 电ｘ ． ｆ ￣系， 河南 南阳 ４ ７ ３ ０ ０ ９）
摘 要： 影响光学薄膜 器件特性 的众 多因素 中， 膜层的折射 率和光 学厚度是 两个最重要的 因素 。尤其 对正在 淀积 的膜层
目视法监控精度较差 ， 多用于单层减反射膜 制备过程 的监 控， 特别是在 Ｍｇ 减反射膜 的制备过程中。
２． ２ 光 电极 值 法
法等几 大类 。光学监控法包括 目视法 、 光吸收法 、 光 电极值法 、 宽光谱 扫描法 、 激光全息干 涉监控 法等 ； 质 量监控 法最常见 的 为石英晶振法。判断方法 ， 都可分为单波长法 和多波长法 （或 称宽光谱法） 。
多 的重 视 。
－
／ ／ｎ ｏ Ｖ 膜 层 ２
（ ａ ｊ
（ ｂ ）
图 １ 双 光 束 分 振 幅 干 涉
当 ＜ｎ １ ＜ｎ ２时， 两束 相干光的光程差为 ２ ｎ ｌ ｄ １ Ｃ Ｏ Ｓ ｌ ， 当 垂直入射时为 ２ ｎ ｄ ， 即光程差是膜层等效光学厚度 的两倍。如
ｌ
１ 膜厚 监控 的概 念
果ｎ ｄ ＝— Ｊ ｔ ０ ， 则对应于波长为 Ａ 。 的光线反射光干涉抵消 ； 如果
所谓膜厚监控 ， 在本质上 ， 要求监测的某一物理量的变化 能 够直接或间接反 映膜厚变化的情况 ， 通过实时监测该 物理量 ， 当 该监测量到达预期水平（ 设计要求 ） 时停止淀积的过程。从这个 意义上讲 ， 监测数据 的准确性和判停位置 的确定是其 核心要求 ，
的折射率精确测量极为 困难 ， 膜厚监控便成为 了薄膜制备成 败的关键 。文章 介绍 了几种典型膜厚监 控方 法基 本工作原
理和最新进展 。
关键词 ： 光学薄膜 ； 光学膜厚监控 ； 精度
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ６— ８ ５ ５ ４ ． ２ ０ １ ３ ． １ １ ． ０ ０ ４ ０ 引言
（ ｂ ） 所示 。
光学薄膜中的膜厚通常 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 实际的物理厚度 ， 几何厚度 与膜层折射率的乘积称为光学厚度 ； 质量厚度定义 为单位面积 上的质量 ， 若 已知膜层 的密度 ， 则其 质量厚 度和几 何厚 度可 以 相互转换 。光学薄膜膜厚监控 方法按 其测 量 的厚 度种类 及利
原 理 和 最新 进 展 。
２ ． １ 目视 法
根据多光束 干涉 原理 ， 膜 系 的 Ｔ或 Ｒ随膜 厚呈 周期性 变 化 。根据薄膜理论 的计算 ，当膜层厚度为光波 长 Ａ 。的 １ ／ ４或
／Ｉ 、
．
目视法是膜厚控制 的最简单 的方法 ， 它是利用人 眼对薄膜
厚度变化时引起光 束透 过强 度 的变化 ， 或 薄 膜 的 干 涉 色 的 变
２ 膜 厚 监 控 方 法 工 作 原 理 和 进 展
极 值法 监控 是 通 过 测 量 正 在 镀 制 膜 层 由于 膜 层 的厚 度 变
化而引起 的透射率 Ｔ或反射率 Ｒ的变化来监控 膜层厚度 的一 种方法。光 电极 值 法是 当前 应用 最 为广 泛 的光 学 膜厚 监 控
方法。
针对不 同种类 ， 以下介绍几种典型膜 厚监控方法基 本工作
比较 而 言 ， 监 测 数 据 的准 确 性 更是 膜 厚 监控 成 败 的 基础 。
对应于波长 为 ｎ Ｉ ｄ 。 ＝ Ｉ ｔ ０ 的光 线， 则干 涉加强 。若 ｎ 。 ＜ｎ ＞ｎ ： ，
二
考 虑 到界 面 ０反 射 的 半 波 损 失 ， 干 涉情况 与上 述相 反 ， 如图 １
波长在 Ａ 。 和 之 间的光波在反射光方向上的强度则介于
二
两者之间 。这样 ， 基片镀膜 以后 ， 各个波 长 的反 射光强度 就会 随着膜层厚度的变化 而变化 ， 即带有 不 同的干涉色 ， 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 膜层的厚度 。
及 射 尤 １ 反 身丁
随着 激 光 技 术 、 光通讯 波分复用 技术 、 新 型 微 结 构 功 能 薄
膜等科技 的发展 ， 光学薄膜技术 已经渗透 到各 个交叉 的科技 领 域 。特别是近年来 ， 高精度 、 高 质量 的的光学 镜头 、 光学 仪器 、 数码产 品等 的广泛应用和大量需求 ， 使得光学 产品对光学零 部 件镀膜 的光学特性和精度的要求越来越高 。研究发 现 ， 在影 响 光学薄膜器件特性 的众多因素中 ， 膜层 的折射 率和光学厚度 是 两个最重要 的因素 。但对正在淀积的膜层 的折射率 ， 目前还 没 有找 到有效 的监测手段 来进行 （ 对膜层 的折射 率进行 测量 一 般要在生产完成后 ） ， 较 易测 量 的薄膜光学厚 度 的控 制便成 为 了薄膜制备成败的关键 ， 因此薄膜膜厚监控 引起 了人们越来越
７
技 术研 发
Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ ０ Ｌ ｏ Ｇ Ｙ Ａ Ｎ ＤⅣ Ｒ Ｋ Ｅ Ｔ
０ 的整数倍时 ， 薄膜 的 Ｔ或 Ｒ出现极值 。利用 这种特性 ， 可以
化， 来判断膜层的厚度 。其原理可通 过双光 束分振 幅干 涉来 说 明， 如图１ （ ａ ） 所示 ， 入射光在膜层的两个分 界面上分成 两束 相 干的反射光 （ 图中已略去多次反射光束 ） 。
通过判 断极值 的数 目来对 规整 膜系薄膜 的厚度 进行控制 。这 种方法 简便易行 ， 但 在极值点 附近 ， Ｔ或 Ｒ的变化非常缓慢 ， 极 值点 的准确判断是很困难的。为了精确控 制薄膜厚 度 ， 所 以在
技 术 与市 场
２ ） １ ３ 年第２ ０ 卷第 １ １ 期
技 术 研 发
光 学 膜 厚 监 控 技 术
华显立
（ 河 南工业职 业技 术 学 院 光 电ｘ ． ｆ ￣系， 河南 南阳 ４ ７ ３ ０ ０ ９）
摘 要： 影响光学薄膜 器件特性 的众 多因素 中， 膜层的折射 率和光 学厚度是 两个最重要的 因素 。尤其 对正在 淀积 的膜层
目视法监控精度较差 ， 多用于单层减反射膜 制备过程 的监 控， 特别是在 Ｍｇ 减反射膜 的制备过程中。
２． ２ 光 电极 值 法
法等几 大类 。光学监控法包括 目视法 、 光吸收法 、 光 电极值法 、 宽光谱 扫描法 、 激光全息干 涉监控 法等 ； 质 量监控 法最常见 的 为石英晶振法。判断方法 ， 都可分为单波长法 和多波长法 （或 称宽光谱法） 。
多 的重 视 。
－
／ ／ｎ ｏ Ｖ 膜 层 ２
（ ａ ｊ
（ ｂ ）
图 １ 双 光 束 分 振 幅 干 涉
当 ＜ｎ １ ＜ｎ ２时， 两束 相干光的光程差为 ２ ｎ ｌ ｄ １ Ｃ Ｏ Ｓ ｌ ， 当 垂直入射时为 ２ ｎ ｄ ， 即光程差是膜层等效光学厚度 的两倍。如
ｌ
１ 膜厚 监控 的概 念
果ｎ ｄ ＝— Ｊ ｔ ０ ， 则对应于波长为 Ａ 。 的光线反射光干涉抵消 ； 如果
所谓膜厚监控 ， 在本质上 ， 要求监测的某一物理量的变化 能 够直接或间接反 映膜厚变化的情况 ， 通过实时监测该 物理量 ， 当 该监测量到达预期水平（ 设计要求 ） 时停止淀积的过程。从这个 意义上讲 ， 监测数据 的准确性和判停位置 的确定是其 核心要求 ，
的折射率精确测量极为 困难 ， 膜厚监控便成为 了薄膜制备成 败的关键 。文章 介绍 了几种典型膜厚监 控方 法基 本工作原
理和最新进展 。
关键词 ： 光学薄膜 ； 光学膜厚监控 ； 精度
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ６— ８ ５ ５ ４ ． ２ ０ １ ３ ． １ １ ． ０ ０ ４ ０ 引言
（ ｂ ） 所示 。
光学薄膜中的膜厚通常 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 实际的物理厚度 ， 几何厚度 与膜层折射率的乘积称为光学厚度 ； 质量厚度定义 为单位面积 上的质量 ， 若 已知膜层 的密度 ， 则其 质量厚 度和几 何厚 度可 以 相互转换 。光学薄膜膜厚监控 方法按 其测 量 的厚 度种类 及利
原 理 和 最新 进 展 。
２ ． １ 目视 法
根据多光束 干涉 原理 ， 膜 系 的 Ｔ或 Ｒ随膜 厚呈 周期性 变 化 。根据薄膜理论 的计算 ，当膜层厚度为光波 长 Ａ 。的 １ ／ ４或
／Ｉ 、
．
目视法是膜厚控制 的最简单 的方法 ， 它是利用人 眼对薄膜
厚度变化时引起光 束透 过强 度 的变化 ， 或 薄 膜 的 干 涉 色 的 变
２ 膜 厚 监 控 方 法 工 作 原 理 和 进 展
极 值法 监控 是 通 过 测 量 正 在 镀 制 膜 层 由于 膜 层 的厚 度 变
化而引起 的透射率 Ｔ或反射率 Ｒ的变化来监控 膜层厚度 的一 种方法。光 电极 值 法是 当前 应用 最 为广 泛 的光 学 膜厚 监 控
方法。
针对不 同种类 ， 以下介绍几种典型膜 厚监控方法基 本工作
比较 而 言 ， 监 测 数 据 的准 确 性 更是 膜 厚 监控 成 败 的 基础 。
对应于波长 为 ｎ Ｉ ｄ 。 ＝ Ｉ ｔ ０ 的光 线， 则干 涉加强 。若 ｎ 。 ＜ｎ ＞ｎ ： ，
二
考 虑 到界 面 ０反 射 的 半 波 损 失 ， 干 涉情况 与上 述相 反 ， 如图 １
