（光学工程专业论文）光学薄膜厚度实时监控系统及其反演的研究.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 y5 8 1 3 9 6 进入9 0 年代以后，显示技术和光通信技术的迅猛发展和逐渐的产业化，对于光学 薄膜的发展起到了很大的促进和推动作用。人们对光学薄膜的性能提出了更高的要求， 从而也对薄膜制造的监控精度提出了更严峻的挑战。目前，国外知名镀膜机厂商销售的 都是全自动镀膜机。这类镀膜机具有很高的监控精度，而且完全实现了监控的自动化。 但是，目前市场上的国产镀膜机均还需要人工进行操作，自动化程度很低。本课题就是 针对这一情况提出的。 本文首先对薄膜厚度的光学监控法的基本原理进行了研究，从理论上分析了该方法 的优点和不足，针对其不足讨论了相应的改善办法，并提出了探讨了提高光学监控法监 控精度的方法。同时，本文还对监控过程中膜层参数的在线反演进行了严格的数学推导。 为了更加有效地进行反演，滤除监控信号中的噪声，以及提高极值法的监控精度， 本文分析了最优化方法在这些问题上的应用。虽然最优化方法在实际监控及反演过程中 受到应用条件的限制，但是这些分析对于今后工作的指导是很有意义的。 本课题还建立了套光学薄膜厚度实时监控系统，可以与国产镀膜机配套使用，初 步实现国产镀膜机薄膜制备过程的自动化。实践表明，这套膜厚监控系统具有很强的实 用性，同时具有较高的稳定性和可操作性。 最后，本文对整个课题的工作进行了总结，并且提出了今后改进的思路和发展的方 向。 关键词：光学薄膜，实时监控系统，光学监控法，自动化，在线反演，最优化 柬经作者、导师同意 l 勿全文公布 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n t o f o p t i c a lt h i nf i l m sh a sb e e ng r e a t l yp r o m o t e da n dd r i v e nb yt h er a p i d d e v e l o p m e n t a n d g r a d u a l i n d u s t r i a l i z a t i o no ft h e d i s p l a yt e c h n o l o g i e s a n d o p t i c a l c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e ss i n c e19 9 0 p e o p l eb r i n g u ph i g h e rr e q u i r e m e n t s t ot h e p e r f o r m a n c eo f o p t i c a l t h 抽f i l m s a n dh e n c e b r i n gu p am o r es e r i o u sc h a l l e n g et ot h em o n i t o r a c c u r a c yd u r i n gt h et h i nf i h nm a n u f a c t u r e c u r r e n t l y , a l m o s ta l lt h ef a m o u si n t e m a t i o n a l c o a t e rm a n u f a c t u r e r ss e l lt h ea u t o m a t i ce o a t e r s ，w h i c hn o to n l yp r o v i d ev e r yh i 曲m o n i t o r a c c u r a c y ，b u ta l s op r o v i d ea u t o m a t i cm o n i t o r h o w e v e r , t h ed o m e s t i cc o a t e r ss t i l ln e e d m a n u a l o p e r a t i o n w ed or e s e a r c ho nt h eb a s i c p r i n c i p l eo f o p t i c a lm o n i t o r i n gf o r t h i nf i l mt h i c k n e s s t h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h ei m p r o v e m e n ta g a i n s tt h e d i s a d v a n t a g e sa n d t h ew a y st oe n h a n c et h ea c c u r a c yo ft h eo p t i c a lm o n i t o ra r ep r o p o s e d a t t h em e a n t i m e ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sf o rt h eo n l i n er e v e r s eo ft h ep a r a m e t e r so ft h i nf i l m si s a l s op r e s e n t e d i no r d e rt op e r f o r mr e v e r s em o r ee f f e c t i v e l y , f i l t e rt h en o i s eo fm o n i t o rs i g n a l s ，a n d e n h a n c et h ea c c u r a c yo fm o n i t o rs y s t e m ，o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m sa l ea n a l y z e dt os o l v et h e s e p r o b l e m s t h ea n a l y s i si si n s t r u c t i v ef o rf u t u r er e s e a r c h ，t h o u g hi t sa p p l i c a t i o ni sc u r r e n t l y l i m i t e db yt h ec o n d i t i o n si np r a c t i c e a ni n - s i t u o p t i c a lm o n i t o rs y s t e m f o rt h i nf i l m d e p o s i t i o ni sd e v e l o p e d i tc a nb e m a t c h e dt ou s ew i t ht h ed o m e s t i cc o a t e r sa n dp a r t i a l l ya u t o m a t e st h e m i t sp r o v e nb yt h e p r a c t i c et h a tt h es y s t e m i sp r a c t i c a l ，s t a b l ea n di se a s yt oo p e r a t e a tl a s t ，t h ec o n c l u s i o na n da d v i c ef o rf u t u r ew o r ka r em a d e k e y w o r d s ：o p t i c a l t h i nf i l m s ，i n - s i t um o n i t o r i n gs y s t e m ，o p t i c a lm o n i t o r , a u t o m a t i o n ，o n l i n e r e v e r s e ，o p t i m i z a t i o n l l 浙江大学硕士论文 第一章绪论 1 1 光学薄膜的历史和现状 光学薄膜是现代光学的一个重要分支，同时也是现代光学仪器和各种光学器件的重 要组成部分。它通过在光学玻璃、光学塑料、光纤、晶体等各种材料的表面镀制一层或 多层薄膜，基于薄膜内光的干涉效应来改变透射光或反射光的光强、偏振状态和相位变 化。光学薄膜具有出色的牢固性和光学稳定性，成本相对比较低，因此仍然是目前改变 系统光学参数分布的首选方法之一。我们可以毫不夸张地说，没有光学薄膜，大部分近 代的光学系统就不能正常地工作。光学薄膜在增加或减少反射、吸收、透射；在彩色的 合成和还原：在调整光束的偏振或相位状态，简而言之在光学装置的几乎所有特性方面 都起着重要的作用。光学薄膜在其两百多年的发展过程中形成了一套完整的光学理论 薄膜光学。这门学科目前已经形成了自成体系的膜系优化设计方法，较为完善的设 备技术和越来越深入的分析技术。 综观光学薄膜的早期历史，现代薄膜光学的最早起源是罗伯特波义耳( r o b e r t b o y l e ) 和罗伯特虎克( r o b e r th o o k e ) 对“牛顿环”现象的发现。现在我们都很清楚这是 因为单层薄膜的不同厚度产生的干涉现射”。但在当时，光学理论还不够发达，人们甚 至在长达1 5 0 年的时间里无法给出合理的解释。直到1 8 0 1 年，托马斯- 杨( t h o m a sy o u n g ) 第一次用光的干涉理论对这种现象进行了阐述1 2 j 。 在这以后的一百年间，光学薄膜的发展仍然是以一种现在看来非常缓慢的速度进行 着。但是，不可否认的是，在这个时期里，人们无论在对薄膜的认知上还是在理论基础 上都迈出了对后来光学薄膜发展具有非常重要的一步。特别是1 8 7 3 年，詹姆斯- 克勒克麦 克斯韦( j a m e sc l e r km a x w e l l ) 的巨著电磁通论一书的出版。这本书作为电磁场理 论的经典书籍，在理论和本质上证明了光是电磁波的一种，为波动光学，也为薄膜光学 的发展奠定了坚实的理论基础。该书奠定了分析薄膜光学问题所必须的全部理论基础。 理论上的进展必然推动工业技术的进步。在2 0 世纪以前，我们还没有解决实际制 备各种薄膜的工艺方法和膜系计算分析手段。尽管夫琅和费( f r a u n h o f e r ) 于1 8 1 7 年用 酸蚀的方法制成了可以说是第一批减反射膜，但是光学薄膜的真正发展是在1 9 3 0 年真 空蒸发设备出现以后才有可能。特别是1 9 3 0 年油扩散泵的发明，将真空技术推上了一 个新的台阶，也使得光学薄膜的制备进入了可工业化生产的阶段。在实验室里制造出了 单层反射膜、减反膜、分光膜和金属法布里一珀罗干涉滤光片以后，第二次世界大战后， 在光学技术、彩色摄影和彩色电视、激光以及空间技术发展的推动下，光学薄膜技术也 得到了飞速的发展。从2 0 世纪4 0 年代开始，薄膜光学进入了一个快速全面发展时期， 浙江大学硕士论文 相继提出了各种薄膜光学理论和膜系计算方法，1 9 5 6 年瓦施切克( v a s i c e k ) 发表了第 一本薄膜光学专著：薄膜光学( o p t i c s o f t h i n f i l m s ) 。到了6 0 年代，激光、空间技术 和光谱技术的飞速发展对光学薄膜提出了更高的要求，比如激光器中的高反射镜等，同 时电子计算机的推广应用使得光学薄膜的计算和分析有了良好的工具，因此推动了光学 薄膜的飞速发展。1 9 6 9 年麦克劳德( h a m a c l e o d ) 用干涉矩阵解释和计算光学薄膜， 出版了他的专著薄膜光学滤波器( t h 加f i l mo p t i c a lf i l t e r s ) ，1 9 8 6 年，麦克劳德出 版了他的专著的第二版，提出了用导纳图( a d m i t t a n c ed i a g r a m ) 的方法来分析膜系的特 性，并且用它来解释膜系监控的一系列问题。这些专著都从理论上全面讨论了薄膜光学 的一些问题，形成了一套完整的光学薄膜从特性计算、设计、监控到结构特性分析、稳 定性分析、光学损耗、抗激光损伤特性等分析手段e l 。 进入9 0 年代以后，随着显示技术和光通信技术的迅猛发展和逐渐的产业化，对于 光学薄膜的发展起到了很大的促进和推动作用。在投影显示系统中，要在越来越小的体 积中做到越来越高的投影亮度和高对比度，对其中的分色合色薄膜要求定位更精确，这 样才能做到高纯度的r g b 三原色，由于入射光有一定的锥角，甚至要求同一个片子的 中心和边缘做到不同的光学厚度。对于影响整机对比度的偏振分光薄膜( p o l a r i z i n g b e a m s p l i r e r ，p b s ) ，要求做到宽光谱、大角度和高消光比。在光通信系统中，波分复用滤光 片要求做到近似矩形的带通滤光片，通带的宽度是一个纳米左右，光放大器的增益补偿 滤光片要求在c 波段4 0 r i m 左右的范围内做到一条特定的透过率曲线，这也是光学薄膜 从来没遇到过的要求。色散补偿滤光片在数据传输率提高的时候，比如到4 0 g b s 的时 候，显得非常关键。除此以外，还有宽光谱大角度的减反膜，金属膜的表面等离子体谐 振探测器，多峰的光学滤光片等等。所有这一切对光学薄膜的设计、制备、监控和测试 都提出了很高的要求，因此也大大推动了光学薄膜这个产业的发展。 1 2 光学薄膜设计及制备技术简介 1 2 1 光学薄膜的设计与优化 光学薄膜计算的理论基础是经典电磁场理论。从2 0 世纪4 0 年代开始，相继出现了 各种薄膜光学理论和膜系计算方法，特别是特征导纳矩阵计算方法给膜系的性能计算带 来了极大的便利。但是，在给出了薄膜要达到的光学特性指标，来求出每一层薄膜的物 理参数，进而得到符合要求的膜系结构却并非易事。因为目前所知的可用于光学薄膜制 备的材料非常有限，这就给折射率这个参数的选择带来了很大的限制，同时，膜系多由 多层膜构成特别是波分复用系统用的薄膜滤光片，它们的膜系层数可以达到1 0 0 - - 3 0 0 2 浙江大学硕士论文 层之多，这么复杂的膜系结构就会造成自变量的数目太多，导致计算量快速增大。这些 就是薄膜优化设计所面临的问题和要解决的任务。 光学薄膜在光学、光谱学、激光、太阳能利用以及航天等技术领域的应用范围的不断 扩大，不仅对光学薄膜的光谱透射率、反射率提出了各种不同的要求，而且对薄膜的光 谱吸收、位相及偏振状态的变化也不断提出新的要求，这些无疑都促进了薄膜设计理论 的发展。 光学薄膜的设计发展到现在，经历了很长的历史积累，对于很多膜系都得到了很好的 基本结构。随着计算机辅助优化合成设计的发展，对于很多新面临的问题都能得到令人 满意的结果。膜系设计最早使用的是试凑法、图解法，以后又逐步发展到了各种解析设 计方案b3 4 1 。由于膜系设计中各个量之间的关系难以用直观的公式表示，因此膜系设计 向优化设计方向发展是十分必要也是必然的。7 0 年代后，随着计算机技术的迅速发展， 以及随之迅速发展的各种数值优化技术的应用，光学薄膜的计算机辅助优化设计得到越 来越多的重视，成为一种广泛应用的膜系设计方法。 膜系优化设计问题简单来看就是给定光学薄膜要达到的光学特性，求出每一层薄膜 的物理参数，其本质就是通过建立各类评价函数把薄膜最优设计归结为求评价函数的极 值问趔5 1 。目前最常使用的薄膜设计优化方法有单纯形法、p o w e l l 法、遗传算法和n e e d l e 法。其中，n e e d l e 法是针对光学膜系的优化设计而提出的一种优化方法。 膜系设计是薄膜技术发展的基础环节之一。依靠计算机辅助优化合成技术的发展， 许多膜系设计问题都得到了令人满意的结果。将来，可能会实现设计与镀制一体化的实 时控制系统。 1 2 2 光学薄膜制备技术 1 概述 光学薄膜制各技术的成熟也同样经历了一个相当长的发展时期，随着真空技术及监 测精密仪器技术和材料科学的不断发展，人们已经可以按照不同的要求生产出符合技术 指标的各种复杂的高精度膜系。而且薄膜镀制系统本身也随着仪器和计算机技术的提 高，实现了高精度、高效率、高可靠性和计算机自动控制的人性化操作控制，这符合现 代工业对生产的要求。图1 - l 是o p t o r u n 公司的新型o t f c l 8 0 0 镀膜系统，该系统完全 由客户通过计算机用户界面来完成复杂的操作过程，数据的交流和控制完全由计算机控 制，实现了高度的人工智能和工业自动化。 浙江大学硕士论文 图1 - 1o p t o r u n 公司的o t f c l 8 0 0 镀膜系统 整体看来，光学薄膜镀制根据客户的技术要求进行生产的过程大致遵从图1 2 中的 流程【6 】。在一系列生产环节中，镀制过程的方法选择和在线监控是两个至关重要的步骤， 直接影响到成膜的质量和产品性能。另外，产品性能的误差分析也是产品制造流程中十 分重要的一环，它的研究将有助于对在线实时控制进行必要的调整，从而实现更高精度 的镀制监控进而得到高精度的薄膜产品。光学薄膜的监控将在下一章进行详细讨论，这 里将简要介绍薄膜的制备方法。 图1 2 光学薄膜生产流程 4 浙江大学硕士论文 2 薄膜制备方法 目前在工业及研究领域中主要采用的薄膜制各方法，包括有物理气相淀积( p h y s i c a l v a p o rd e p o s b i o n ，p v d ) 、化学气相淀积( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，c v d ) 以及溶液成 膜等几大类方法1 7 。其中，物理气相淀积和化学气相淀积技术应用最为广泛。 ( 1 ) 化学气相沉积法 化学气相沉积的基本原理是通过气相物质在高温下经化学反应而生成固态物质并 淀积在基板上的成膜方法。化学气相沉积可以分为四种基本淀积技术：常压化学气相淀 积( a t m o s p h e r i cp r e s s u r ec v d ，a p c v d ) 、低压化学气相淀积( 1 0 wp r e s s u r ec v d ， l p c v d ) 、金属有机物化学气相淀积( m e t a lo r g a n i cc v d ，m o c v d ) 和等离子化学气 相淀积( p l a s m ae n h a n c e dc v d ，p e c v d ) 。 高温是化学气相沉积法的重要特征，有些化学反应的温度高达1 0 0 0 。 2 左右。这样 的温度是一般基板材料所无法忍受的。而且由于反应发生在基板表面的高温区，气相反 应的副产物可能进入膜内而影响膜层质量。在这种情况下，p e c v d 技术的发展使得问 题得到了解决。p e c v d 技术是在等离子放电时，产生高速运动的自由电子。这种高能 电子的温度高于1 0 4 k ，使得只有在高温下才能发生的反应可以在较低温度下产生。 p e c v d 技术主要用于无定形和介质膜的镀制。 ( 2 ) 物理气相沉积法 物理气相沉积根据工作机理，主要分为三种：热蒸发、溅射和离子镀等。这三种方 法是目前不同规格介质膜系的主要镀制方法。其中，离子镀技术的应用由于其固有的优 越性更为广泛。 a ) 热蒸发 热蒸发是一种发展较早、应用最广的蒸发方法。当材料被加热时，其原子就会从表 面逸出，这种现象叫做热蒸发。加热方式主要有电阻加热、电子束加热、高频感应加热 和激光加热，前二者为最常用的加热方式。 电阻加热主要应该考虑蒸发源材料及其形状。因为大多数材料的蒸发温度为1 0 0 0 2 0 0 0 0 c ，所以蒸发源材料的熔点必须高于这一温度。最简单的和最常用的方法是用高熔 点的材料作为加热器，它相当于一个电阻，通电后产生焦耳热，电阻率增加，当温度为 1 0 0 0 0 c 时，蒸发源的电阻率为室温时的4 5 倍，在2 0 0 0 。c 时，增加到1 0 倍，这样， 浙江大学硕士论文 加热器产生的焦耳热就足以使蒸发材料获得很大的动能，实现蒸发。然而，只满足这个 条件还是不够的，进而必须考虑蒸发源材料作为杂质进入薄膜的量，也就是必须了解蒸 发源材料的蒸汽压。为了尽可能减少蒸发源材料蒸发的分子数，薄膜材料的蒸发温度应 该低于蒸发源平衡蒸汽压为1 0 6 p a 时的温度嘲。 根据蒸汽压来选择蒸发源材料只不过是一个基本条件。比较麻烦的问题是高温时某 些蒸发源材料与薄膜材料会发生反应，有些金属甚至还会形成合金。一旦形成合金，蒸 发源就容易断裂。所以要求蒸发源与薄膜材料之间的反应尽可能小。否则，就要降低蒸 发源的温度或要有足够的蒸发源材料来满足消耗。 薄膜材料与蒸发源的湿润性也是不可忽略的，这种湿润性与材料表面的能量有关。 在湿润的情况下，由于薄膜材料的蒸发是从大的表面上发生的，所以可视为面源蒸发， 且蒸发状态比较稳定。蒸发源的形式很多，比较常用的有螺旋形、舟形、圆筒形等【_ ”。 电阻加热法设备简单，操作方便，至今仍在广泛应用。但是它有明显的缺点，特别 是它不能蒸发高温薄膜材料。采用电子束蒸发可以克服电阻加热法的这一缺点。 电子束蒸发的原理是：金属在高温状态下，它内部的一部分电子获得足够的能量， 逸出金属表面，这就是所谓的热电子发射。如果加上一定的电磁场，则发射的电子在电 场中将向阳极方向运动，电场电压越大，电子的运动速度越快。高速运动的电子流，在 电磁场中聚成细束，轰击被镀材料的表面，由于动能转变成热能，使材料迅速升温而蒸 发。 电子枪的结构主要有以下几种： 电子枪 工件加速式 自加速式 i 环形枪( 电偏转式) 电磁偏转式 e 形枪( 磁偏转式) il 形枪( 电偏转式) 直枪和环枪在使用时，由于是用高能电子柬轰击材料，故将产生二次电子发射。由 于介质材料的导电性差，电子柬打在材料上不能很快传导，所以有一部分电子聚集在表 面形成电子层，当电子束再次打在上面时必然受到该电子层的排斥，产生电子反射。一 般来说，材料的熔点越高，绝缘性能越好，电子反射越严重。另一方面，材料在电子束 的轰击下，本身也会逸出电子，一般来说，材料的原子序数增大，逸出电子增加，这是 因为核外屏蔽作用增加的缘故。这两部分电子合起来称为二次电子，它对薄膜产生轰击 作用，导致膜层结构粗糙，均匀性变差，对半导体材料来说还会严重影响半导体特性。 6 浙江大学硕士论文 总之，二次电子使得膜层质量下降。 采用磁偏转的e 形电子枪基本上能克服二次电子的影响。而且，通过改变磁场的大 小，可以使电子束在整个材料表面扫描，避免材料“挖坑”现象：由于电极间距较大， 可有效防止极间放电，因此功率可以做得很大；此外，阴极受到屏蔽，不受污染，工作 寿命长。正因为如此，它已经逐渐取代了直枪和环枪。 电子束蒸发的优点是可以蒸发高熔点材料：在蒸镀合金时可以实现快速蒸发，避免 合金的分馏：由于使用了水冷坩埚，电子束蒸发仅发生在被镀材料表面，因此不会导致 坩埚与被镀材料之间的反应和污染，有利于制备纯净的薄膜；由于蒸发时能量密度较大， 蒸汽分子动能增加，所以能得到比电阻加热法更牢固更致密的膜层：此外，它的热损耗 小，电阻加热蒸发普通材料要1 5 k w 的功率，而电子束只需0 5 k w 就足以蒸发高熔点 材料。 b ) 溅射 若使电场中加速的正离子轰击固体( 称为靶) 的表面，则固体表面的原子或分子与 这些高能粒子交换动量后会从固体表面逸出，这种现象称为溅射。 溅射过程是建立在气体辉光放电基础上的。在真空度为l l o p a 的真空室中，当两 个电极之间加上高流电压时，便产生辉光放电。由于冷阴极发射的电子只有l e v 左右的 能量，它不会与气体发生反应，因此在阴极附近形成阿斯顿暗区。随着电子在电场中的 加速，使气体分子激发，产生辉光，这就是阴极辉光。电子再加速，就会使气体分子电 离，从而产生大量的离子和低速电子，由于这个区域几乎不发光，故称克鲁克斯暗区。 这些低速电子又会被加速，激发气体分子，产生负辉光。这里有两点很重要，第一是克 鲁克斯暗区附近形成的正离子轰击阴极产生溅射；第二是当两极之间的电压不变而改变 两极间的距离时，阳极光柱发生变化，而阴极到负辉光的距离几乎不变，这是由于两电 极间的电压几乎全部降落在阴极到负辉光区之间的缘故。这表明阳极与阴极之间的距离 必须大于阴极到负辉光区的距离。 由此可知，溅射与热蒸发的根本区别在于，热蒸发是借助于焦耳热发生蒸发的，而 溅射是通过靶原子的动量转换获得蒸发的。 最早获得应用的是阴极溅射。它结构简单，可以长时间进行溅射，但是不能溅射介 质材料，淀积速率低。当基片表面受到电子的轰击时，会产生较高的温度，因而基片材 料有局限性。为了克服不能溅射介质材料的缺点，人们发展了新的溅射方法一一射频溅 射、三极溅射、等离子溅射和磁控溅射。磁控溅射是溅射技术的最新成就。 与热蒸发相比，由于溅射粒子在基片上的能量要比热蒸发大一个数量级，所以溅射 浙江大学硕士论文 膜与基片的附着力特别强，膜层非常致密。同时溅射法可以方便地获得高熔点材料薄膜， 也没有热蒸发引起的坩埚污染的问题。磁控溅射克服了传统溅射技术淀积速率太低的弱 点，其速率己接近与真空蒸发的速率。但是溅射法不太容易得到厚度均匀的薄膜，难以 监控膜层厚度。此外，即使是磁控溅射，真空室中的残余气压尚嫌太高。因此，目前溅 射法应用还不像热蒸发法那么普遍。 c ) 离子镀 离子镀技术是真空热蒸发与溅射两种技术结合而发展起来的一种新工艺。由于对光 学薄膜的要求不断提高，用传统真空热蒸发技术，制各氧化物光学薄膜聚集密度不够高， 具有明显的柱状结构，致使膜层对工作环境敏感，光学性能不稳定，因此离子辅助制备 技术得到了极大的发展。离子镀优点在于： 膜层附着力强。高能粒子轰击有三个作用，一是使基板得到清洁，产生高温； 二是使附着差的分子或原子产生再溅射而离开基板：三是促进了膜层材料的表 面扩散和化学反应，甚至产生了注入效应，因而附着力大大增强。 膜厚均匀性好。由于蒸发材料原子或分子受到高压电场的作用而电离形成荷电 离子，荷电离子按电力线方向运动，凡电力线所及部位膜层均能淀积，故对于 形状复杂的工件也能得到均匀性良好的膜层。 膜层密度高。高能粒子不仅表面迁移率大，而且再溅射克服了淀积时的阴影效 应，因而膜层密度接近于大块材料。 膜层纯度高，特别是对合金和化合物，可以得到和原始蒸发材料基本相同的成 分。 淀积速度快。离子镀用电阻加热、电予束蒸发或高频感应蒸发材料，因此最高 淀积速率可达5 0 l m m i n 。 1 3 本课题的研究意义、内容和目的 随着计算机和电子技术的飞速发展，国外的镀膜机制造厂商在上个世纪8 0 年代已 制造出了无需人工进行干预的全自动光学镀膜系统，可以用于制造各种光学滤光片。特 别是受到光通信产业发展的影响，可以用于制造d w d m 薄膜的高精度全自动镀膜系统 也纷纷面世。但是我国的镀膜机产业一直未能跟上国际同行发展的脚步。迄今为止，国 内尚无能够生产全自动镀膜机的厂商。 本课题旨在通过对光学薄膜的监控及其自动化控制进行研究，对现有的手动镀膜机 浙江大学硕士论文 进行改造，建立光学薄膜实时监控系统，初步实现光学薄膜生产的自动化。同时，该系 统可以对采集到的信号进行反演，计算出膜层的实际参数。本课题是在对成都国投南光 有限公司生产的7 0 0 系列箱式镀膜机的改造上完成的。 首先，对光学薄膜的监控及其实时控制系统进行了回顾和总结，并且结合7 0 0 系列 镀膜机的实际生产工艺条件及控制电路，建立了一套针对该镀膜机的光学薄膜实时监控 系统。该系统可以首先采集薄膜的透射率或反射率作为监控信号，在对信号进行数值滤 波去除噪声之后，将信号与事先输入的膜系监控参数进行t e 较，计算出关闭挡板的正确 时刻，并且在这一时刻到来时关闭蒸发源挡板，实现光学薄膜淀积过程的自动监控。这 一过程中，对信号的判断和噪声的滤除是关系到系统稳定性的最为重要的因素。如果由 于噪声的影响导致对信号的误判，将导致系统无法在正确的时刻关闭挡板，这极可能造 成整罩薄膜的报废。该系统引入了最优化理论，根据理想监控曲线对实际监控信号进行 拟合来滤除噪声，大大提高了系统监控的准确性。这是本文的创新点之一。 其次，根据薄膜光学理论对反演所需的公式进行了计算推导。监控系统可以根据采 集到的监控信号对当前正在镀制的膜层进行反演，实时计算出膜层的实际参数，例如折 射率、厚度，以及蒸发速率。这些参数既可以用来指导薄膜的监控，也可以用来进行生 产后的产品性能分析。这也是本课题的创新点之一。 最后，本系统提供了较为灵活的监控参数供操作者输入。本课题目前尚未实现镀膜 过程的完全自动化。材料的蒸镀还是由人工进行控制。由于操作者个人的习惯不同，必 然会带来材料的蒸发速率不同等问题。同时，不同的膜系、同一膜系中的不同膜层也需 要不同的监控参数。这意味很难给系统一个统一的监控参数，使之能够适用于任何情况 的薄膜生产。因此。本系统允许操作者根据自身习惯，针对不同膜系、不同膜层对监控 参数进行修改。这一措施也使得镀制出来的产品的性能获得较大的提高。这方面也是本 课题的创新。 参考文献 1 林永昌、卢维强，光学薄膜原理，国防- r k l 丑版社，1 9 9 0 【2 】h a m a c l e o d ，t h i n - f i l mo p t i c a lf i l t e r s e d i t i o n ) ，m a c m i l l a n ，n e wy o r k ，1 9 8 6 3 】3 唐晋发、郑权，应用薄膜光学上海科学技术出版社，1 9 8 4 4 j 唐晋发、顾培夫，薄膜光学与技术，机械工业出版社，1 9 8 9 5 】刘梦夏、强西林，光学薄膜膜系设计方法及发展趋势。西安工业学院学报，v 0 1 2 0 ( 3 ) ，1 9 4 ，2 0 0 0 9 浙江大学硕士论文 【6 d e t l e v r i s t a u ，o p t i c a lc o a t i n g t e c h n o l o g y - t r e n d s a n d d e v e l o p m e n t s ，g l o b a l p h o t o n i c s a p p l i c a t i o n s a n d t e c h n o l o g y , b u s i n e s sb r i e f i n g sl t d ，l o n d o n ，2 0 0 1 7 】顾培夫，薄膜技术浙江大学出版社，1 9 9 0 【8 】华中一等，高真空技术与设备，上海科学技术出版社，1 9 6 2 1 0 浙江大学硕士论文 2 1 概述 第二章光学薄膜厚度监控技术 有了合理的设计、合适的材料和干净的基片，并不能保证镀制出令人满意的薄膜。 只有对各膜层的淀积过程进行准确控制，才能使薄膜的特性满足设计要求。当然，在众 多的特性要求中，膜层的折射率和光学厚度是最重要的。在目前的日常生产中，还没有 令人满意的方法来实时测量正在镀制的膜层的折射率。尽管人们可以在生产完成后对薄 膜的折射率进行测量，但是对于闭环控制来说，实时测量仍然是必不可少的。因此，在 一般情况下，只是尽可能对会影响薄膜折射率的参数进行监控，使得任何给定的材料都 具有一致的折射率，并且把这个折射率用到膜系设计中去。不可否认，这种方法还是很 不理想的，只是因为目前尚未有更好的方法，所以人们仍然在使用它。高能淀积工艺的 采用使这种情况得到了很大的改善。这是因为高的聚集密度有利于获得稳定的光学常 数，从而获得稳定的淀积工艺。 薄膜的厚度比折射率更容易测量，因而也易于控制。膜厚的测量有很多种方法。但 是，所有的测量方法都必须找出一个能恰当反应膜厚变化的参数，然后设计一个在镀膜 过程中对这个参数进行监控的方法。 对于薄膜厚度的性能没有多大影响的薄膜厚度允许偏差，在多数情况下2 是数量 级，有时甚至可允许大至5 l o ，薄膜厚度监控必须保证在允许的偏差以内。 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。因而，诸如质量、电阻、反射率和透射率等参数都被使用过。在所有这些 方法中，最常使用的有两种：一是用光学方法测量薄膜的反射率或透射率，二是通过石 英晶体微量天平来测量总的淀积物的质量。 对于薄膜系统的性能没有多大影响的薄膜厚度的允许偏差，在多数情况下是2 数 量级，有时甚至可以允许大至5 1 0 ，薄膜厚度监控必须保证在允许的偏差以内。 对于光学薄膜来说，用得最多的是光学控制方法i l 2 1 ，包括直接观察薄膜颜色变化 的目视法，测量薄膜透射率或反射率极值的极值法和测量透射率或反射率对波长导数的 波长调制法。此外，石英晶体微量天平也被广泛应用在膜厚监控上。 浙江大学硕士论文 2 2 光学薄膜监控方法简介 2 2 1 目视法 最早的光学控制方法是利用眼镜作为接收器，目视观察薄膜干涉色的变化来控制介 质膜的厚度【3 】。如图2 - 1 ( a ) 所示，在折射率为嘞的基板上有一折射率喝和厚度吐的薄 膜，以入射光在薄膜的两个分界面上分成两束光( 略去多次反射光束) ，这两束反射光 是相干的。当n o 玛 坞时，它们的光程差为2 玛吐c o s ，当垂直入射时，为2 啊吐，即 光程差是薄膜光学厚度的两倍。我们知道，当两束相干光线的光程差为九2 的奇数倍 时，光线相干抵消，而当光程差为 的整数倍时，则相干加强。假定啊4 = 凡4 ，则对 应于波长为 的光线的反射光干涉抵消；而对波长为凡，2 的光线，干涉加强。若 n o 捣，考虑到界面o 上反射光有半波损失，而界面l 上的反射光没有半波损失， 所以干涉情况与上述相反，如图2 1 。波长大于 的光线和波长在 ，2 和凡之间的 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。这种方法对于敷制单层m g f 2 减反射膜是非常方 便的。至今仍有着广泛的应用。 ! 心， 。厂弋7 l d l l 锄7 啊 上tf 2 ( a )c o ) 图2 - 1 薄膜的干涉 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。有一点必须注意，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 1 2 浙江大学硕士论文 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。 2 2 2 极值法 1 极值法控制原理 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，我们以单层膜为例作 一简单的说明。 玛 吒o 1 2 l23 图2 - 2 光在薄膜中的多次反射 当入射光波为自然光，在垂直入射的情况下，透射合成波的振幅系数e 以无穷级数 的何来表示，即 巨= 2 e - i 6 + ：m o e - i 3 s + “： 矿，磊= 等伟4 上式中的每一项相当于图2 - 2 中的某一光线，被加数f o ：8 “6 相当于光线1 ，被加数 气。 ：。e 。m 相当于光线2 ，其余依次类推。无穷级数是公比为_ 2 扩“2 6 的无穷等比级数， 因此在求和之后得到振幅透射系数 互= 篇每 强度透射系数，即透射率 r = 和2 = 嚣南 t2 2 i i i 磊理鸭1 + ，2 2 ，s 竺二堕 ( 2 1 ) 浙江大学硕士论文 这里f = b 。：，= ：。，即透射光强度为薄膜厚度_ 匾的函数。当啊碣等于1 ，4 波长的整 数倍时，透射率便出现极值。同理可求得反射光强度。如果我们在光路中置一单色仪或 一窄带干涉滤光片，则测量的透射率或反射率将按这种方式变化。利用蒸发过程中出现 极值点的次数来控制四分之一波长整数倍膜层的方法称之为极值法。这种方法是由波斯 特( h d p o l s t e r ) 4 1 首先提出的。 2 极值法控制的典型装置 最简单的极值控制法是直流法。控制光束未经调制，信号经光电接收器输出后直接 指示。显然，这种方法简单可行，但稳定性差，干扰大，故常采用如图2 3 所示的交流 法。 图2 - 3 极值法控制装置 l - - 光源 ，一调制器占一分束器，一滤光片d 一检测器 俨窗口s 一控制片船一反射信号巧一透射信号 现在考虑高反射多层膜堆( g l a s si 口l ) n hia i r ) 的蒸发过程，其所有的膜层厚度都 是 4 。设控制波长为厶，反射率和透射率的变化如图2 - 4 所示。由图可见，采用反 射监控时，在总的信号中，变化部分在慢慢地减小，直至必须换一个新的控制片。对于 这种膜系，在一基板上用反射率能控制的膜层数大约是5 层左右( 与高、低折射率的差 1 4 浙江大学硕士论文 值有关) 。采用透射率控制，这个影响就不存在，i 占号中变化部分始终占总信号中的较 大部分。问题是总的信号趋向零，因此最后它的信噪比交差了。采用合理的光学系统和 光电倍增管，这个方法可以使一个基板上能控制的膜层数达到2 1 层，但这时信噪比通 常已变得相当恶劣了。 e 1 0 - 1 叱 04 0 08 0 0 1 2 0 01 6 0 0 p h y s i c a lt h i c k n e s s ( n m ) 图2 - 4 计算的透射率和反射率的轨迹 为了改善信噪比，让光线在进入通光窗口前进行调制，这就避免了在蒸发过程中加 热蒸发源所产生的大量光线干扰，更主要的是经过滤波还可以降低电噪声水平。调制板 应直接安装在光源的后面，而单色滤光片必须放在镀膜机出射窗口的后面，探测器的前 面。这易于减少较宽范围内的杂散光，尽可能限制射入探测器的总光量，否则没有调制 的辐射光线可能把探测器推入非线性区域工作。此外，如果采用滤光片而获得单色光， 那么必须保证边带有效地抑制。因为光电倍增管的灵敏度随波长的不同而已( 其差别可 达n - - 个数量级甚至更高) ，如果控制波长位于光电倍增管的不灵敏区域，而对于峰值 响应波长附近的灵敏区域，滤光片又不严格抑制的话，则杂散光将给出与真实信号相当 或更大的信号，给厚度控制带来明显的误差。这种杂散光的影响在镀制中心波长远离倍 增管峰值响应波长的介质高反射膜时尤为显著。这时，若采用滤光片加单色仪系统则可 以有效地抑制杂散光的干扰。 3 极值法的精度讨论 现在讨论采用极值法控制系统后可能产生的误差。 假定在控制四分之一波长单层膜时，在终止点的反射率值有一误差 ，从而膜层的 浙江大学硕士论文 相位厚度4 将引起相应的误差伊，即 点= 3 石- 口。 相位厚度误差妒将比反射率的原始误差y 大一个比例数，且可根据如下的推导近似 地求得【5 】。 光线垂直入射时，膜层( 折射率啊) 和基板( 折射率也) 组合系统的特征矩阵是 ；怒b 裂删 这里c o s 8 i = s i n o ，s i n 五= c o s ，组合导纳 一b 一地c o s 妒+ 也s i nv = 一= 2 = 一 。c s 协妒+ i n 2c o s 妒 啊 若引入s i n p 的近似值，c o s 的近似值计算到二次幂，于是 真空中的反射率 经简化得 没有误差时 r = y = 1 一 2 1 一 2 ，+ 生：! ：塑口： ( 砰一莉 6 生啊一生啊 一 一 十 啊一 一 十 一 + 尹一 尹 n：、一n：、! = 足 浙江大学硕士论文 因此l ，和p 之间有如下关系： ( 砰一莉 妒2 = 印2 通常判定极值反射率的精度只能达到极值的1 。假定y = 1 ，膜层中的相位厚度 误差为+ - 0 0 1 = o 妒2 ，这里符号与。驴2 一致，并且决定于极值是极大值还是极小值。如 果把厚度误差表示成相对值，则表达式 最2 呈2 。蒜2 li 典型的情况是在玻璃( n 2 = 1 5 2 ) 上控制四分之一波长的z n s 和m g f 2 膜层，其折射率 ( 碍) 分别为2 3 5 和1 3 8 ，得到的相对膜层厚度误差约为8 和4 。这相对于1 的反 射率判读误差来说，相对厚度误差增加了一个很大的比例数，从而说明了这个方法固有 误差的基本情况。 透射监控的相位厚度误差可类似地表示为 竺r = 筹lt = 叩2一 - 即 等耐( 一；丁2 叩【卜_ j 假定极值透射率的判读精度亦取1 ，则透射控制时的相对厚度误差 对于多层膜，若用组合导纳y 代替基板折射率吗，这样上述式子就可以用来确定多 1 7 0joj 前前卜一卜 = 足 靠 2 一砰 o一、 一堡2 = 斥 浙江大学硕士论文 层膜的厚度误差。 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。 极值法控制有两种方式。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，不更换监控片；另一种是间接控制，即控制是在一系列的控制片上进行的。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 接监控膜层。 理论和实验两方面都论证了直接控制对窄带干涉滤光片控制的合理性【5 9 1 ，其原因 在于：a ) 相邻膜层之间能自动地在控制波长上进行膜厚误差的补偿；b ) 避免了因凝聚 特性变化所引起的误差，因而使窄带干涉滤光片获得很高的波长定位精度。 对直接控制的研究表明，尽管在控制各个单层膜时，极值法所达到的精度是很低的， 但是由于上述两个原因，在整个窄带滤光片的控制中，波长的定位精度确很高，即使各 层膜存在着明显不足或过正时也依然如此，特别是多腔滤光片。由此得出结论：窄带滤 光片的峰值波长定位精度是由直接控制本身所决定的。而不取决于个别膜层厚度的控制 精度。但是必须指出，这