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硕士论文 窄带滤光片与相干长度可调准单色光干涉研究 摘要 随着半导体材料与器件、光盘技术和微光学、微机械、计算机和信息等产业的发展， 表面质量的检测越来越引起人们重视，其中面形误差的检测是表面质量检测的重要内 容。激光移相干涉技术是测量光学及半导体零件表面面形最常用的方法，但是在利用这 种方法检测双抛光透明平行平板的面形时，将会出现三表面干涉现象，导致测量误差较 大。针对这个问题本文提出了一种不对被测表面进行任何预处理且可实现低成本、高精 度的测量方法，即使用白光光源和不同带宽的带通滤光片代替激光光源，通过更换滤光 片来调节所得准单色光光源的谱线宽度，从而调节其相干长度，实现对不同厚度的双抛 平行平板表面面形的测量。 本文介绍了常见的带通滤光片薄膜的设计方方法，其中重点介绍了多半波法布里一 珀珞滤光片的台伦设计法，并建立了相应的数学模型。利用所建立的数学模型求解了 5 r i m 和1 0 n m 带宽窄带滤光片的初始膜系，进而利用薄膜设计软件进行了模拟和优化。 在制备薄膜之前，首先选择了t i 0 2 、s i 0 2 作为最佳镀膜材料，然后对其最佳的镀膜工艺 参数进行了研究。在此基础上分别镀制了带宽5 0 n m ，1 0 n m ，和5 n m 滤光片，并对其透 过率光谱和相干长度进行了测量。最后，利用所镀滤光片消除了三表面干涉现象，得到 了所需的干涉条纹。 关键词：窄带滤光片，三表面干涉，相干长度，薄膜工艺 a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l sa n dd e v i c e s ，m i c r o o p t i c a ld i s c t e c h n o l o g y ，m i c r o - m a c h i n e r y ，c o m p u t e ra n di n f o r m a t i o ni n d u s t r i e s ，g r o w i n ga t t e n t i o nh a sb e p a i do nt h et e s t i n go ft h es u r f a c eq u a l i t yo ft h es e m i c o n d u c t o ra n do p t i c a le l e m e n t s ， i n c l u d i n gt h es u r f a c ee r r o rt e s t i n ga s 锄i m p o r t a n t i t e m l a s e rp h a s e - s h i f t i n gi n t e r f e r o m e t r yi s o n ew i d e l yu s e dm e t h o dt o t e s tt h es u r f a c eo ft h es e m i c o n d u c t o ra n do p t i c a le l e m e n t s ，b u t w h e nw eu s et h i sm e t h o dt o t e s tt h es u r f a c eo ft h ed a l a i p o l i s h i n gt r a n s p a r e n te l e m e n t sw i t h p a r a l l e ls u r f a c e s ，t h e r ew i l lb et h r e e - s u r f a c ei n t e r f e r e n c e ，l e a d i n gt og r e a t e rm e a s u r e m e n t e r r o r t oa d d r e s st h i si s s u e ，t h i sp a p e rp r e s e n t sam e t h o d ，w h i c ha p p l i e sn op r e t r e a t m e n tt ot h e s u r f a c e sa n dc a na c h i e v el o wc o s t ，h i 曲a c c u r a c ym e a s u r e m e n t ，t h a tr e p l a c i n gl a s e rl i g h t s o u r c eb yw h i t el i g h ts o b r c ea n dd i f f e r e n tb a n d w i d t hb a n d - p a s sf i l t e r s w ec a na d j u s tt h e b a n d w i d t ho ft h eq u a s i - m o n o c h r o m a t i cl i g h ts o u r c eb yc h a n g i n gf i l t e r s ，a c c o r d i n g l ya d j u s ti t s c o h e r e n tl e n g t h ，a n dt h e na c h i e v et h es u r f a c et e s t i n go ft h ed a u l p o l i s h i n gt r a n s p a r e n t e l e m e n t sw i t hp a r a l l e ls u r f a c e sw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s s t h ec o m m o n l yu s e dd e s i g nm e t h o d so ft h eb a n d p a s sf i l t e rf i l m sa r ei n t r o d u c e di nt h i s p a p e r , e s p e c i a l l yt h et h e l e nd e s i g nm e t h o do ft h ef a b r y - p e r o tf i l t e rw i t hs e v e r a lc a v i t i e s ， c o r r e s p o n d i n g l yam a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d u s i n gt h em o d e lw ew o r ko u tt h ei n i t i a l f i l ms t a c k so ft h e5n l na n d10h i l lb a n d w i d t hf i l t e r s ，a n dt h e nu s ef i l md e s i g ns o f t w a r et od o t h es i m u l a t i o na n dt h ef u r t h e ro p t i m i z a t i o n b e f o r et h ef a b r i c a t i o no ft h ef i l m s ，w ef i r s t l y c h o o s et i 0 2 ，s i 0 2a st h eb e s tc o a t i n gm a t e r i a l s ，s e c o n d l ys t u d yt h e i rb e s tc o a t i n gp r o c e s s p a r a m e t e r s o nt h eb a s i so f t h es t u d i e sa b o v e ，w ef a b r i c a t eb a n d w i d t h5 01 1 1 1 ，1 0 n m ，a n d5n n l f i l t e r sr e s p e c t i v e l y ，a n dt h e nm e a s u r et h e i rt r a n s m i t t a n c es p e c t r u ma n dc o h e r e n c el e n g t h f i n a l l y ，w ee l i m i n a t et h et h r e e - s u r f a c ei n t e r f e r e n c ew i t ht h eh e l po ft _ h ef i l t e r s ，a n do b t a i nt h e i n t e r f e r e n c ef r i n g e sw ew a n t k e y w o r d s n a r r o wb a n d p a s sf i l t e r , t h r e e s u r f a c ei n t e r f e r e n c e ，t h i nf i l mc o a t i n gp r o c e s s p a r a m e t e r s l i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：雌 础年6 月习日 | 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 潮引月尹 硕士论文窄带滤光片与相干长度可调准单色光干涉研究 1 绪论 1 1 课题背景 随着半导体材料与器件、光盘技术和微光学、微机械、计算机和信息等产业的发展， 表面质量的检测越来越引起人们重视。表面质量指标包括面形误差、平行差、表面粗糙 度误差等，其中面形误差是影响光电元件性能的重要指标，对面形误差的检测是表面质 量检测的重要内容。 1 1 1 常见面形误差测量方法简介 目前常见的面形误差检测方法可简单分为接触式和非接触式检测。接触式主要有触 针式轮廓扫描法等。这种方法容易造成被测量表面的磨损，尤其不适合检测表面较软或 表面粗糙度要求较高的电光元件【l 】。非接触式检测主要有几何光线检测法、扫描白光干 涉法和激光移相干涉法。几何光线检测法一般设备简单，但精度不高。扫描白光干涉法 精度较高，但设备复杂，测量速度慢。激光移相干涉法能够一次性得到全视场表面的轮 廓测量结果，测量速度快，测量精度高，因此成为高精度面形检测的主要方法。 1 1 2 三表面干涉 随着新材料在各种元器件中得到了越来越广泛的应用，为了获得电子元件的高性 能，制造大规模集成电路的硅片、水晶振子基片、铌酸锂基片、钽酸锂基片等晶体基片 不仅要求有极高的平面度和无损伤超平滑表面，还要求两端面严格平行且无晶向误差【2 】。 传统的激光移相干涉法通常认为干涉条纹是由双表面干涉产生的，然而当测量双抛光透 明平行平板时，将产生三表面干涉，如图1 1 所示。 b1 b2 b3 s l s zs 3 图1 1 三表面干涉示意图 c c d 探测器上的电场强度可表示为【3 】 毗y ) = 口e x p i o l ( x ，y ) 】+ b e x p i 2 ( 石，y ) + 2 泓一2 ( 1 1 ) + c e x p i 0 3 “y ) + 2 嘲一3 】 式中a ，b ，c 分别表示表面s 1 ，s 2 ，s 3 反射光的电场振幅；l ( x ，y ) ，0 2 ( x ，y ) ， 2 膜系设计 砸十论立 m ，( t y ) 分别表示表面s 1 ，s 2 ，s 3 反射光波前信息：吐圳d 分别是表面s 1 和s 2 ， s 1 和s 3 之间的距离：波矢k = 2 f 2 为波长。所以c c d 上的光强表示为 ，“，) = a + b c o s e d ，化，) 一m 2 ( z ，) 一2 m 一2 + c c o s e d i 托y ) 一巾j ( x ，y ) 一2 埘一+ ( 1 2 ) d e o s 0 2 ( z ，y ) 一中3 ( t y ) + 2 k ( d h 一一3 ) 式中a = ，+ b 2 + ，b = 2 a b ，c = 2 a c ，d = 2 b c 。 平板前后表面s 2 ，s 3 和参考面s l 反射的波前互相干涉得到三表面干涉条纹如图1 2 所示。 瓣 削l2 三表面于i 步条纹 三表面干涉会使测量结果产生很大误差，必须想办法减小或消除式( 12 ) 中的第三 项，即表面s 3 反射的光。如在表面s 3 涂折射率匹配的消光漆或凡士林，但这样会影响晶 体表面的光洁度。我们提出的方涪是使用自光光源和不同带宽的带通滤光片代替激光光 源，通过更换不同带宽的滤光片来改变所得准单色光光源的谱线宽度，使其相干长度 满足关系式4 一： l 2 n z ，则织= 仍= 万， 代入( 3 ) 式得 a = n d = 冬m ( m = 1 ，2 ，3 ，) ( 2 5 ) 为间隔层的光学厚度，由上式可知聊实际上就是间隔层的干涉级次。 滤光片的半宽度是峰值的1 2 处量得的通带宽度。根据式( 2 1 ) 有 i t 。= t 1 + f s i n 2 ( o o + 曰) 】 ( 2 6 ) s m ( o o + a o ) = 1 f ( 2 7 ) 由于o o = 一妨，因而 s i n a o ：1 厅 ( 2 8 ) a o = a r c s i n ( 1 f ) ( 2 9 ) 又因为 秒。瓦00，。兄=兰!兰掌五 c 2 。， 我们假定反射相位仍，仍在通带内是常数，则 a 0 笠a x ：m z ra x( 2 i i ) 乃九 所以 。 2 址豫删嗉) ( 2 1 2 ) m 死 0 卜 当反射层的反射率足够高时，有 。 9 2 膜系设计硕士论文 f ：乓了4 ( 2 1 3 ) ( 1 一日：) 2石； 则滤光片的半宽度 2 a 2 ：丝a r c s i n 占)( 2 1 4 ) 由上式可知滤光片的通带半宽度决定于间隔层的干涉级次和反射层的剩余透射率， 即反射层的反射率。间隔层的干涉级次越高，反射层的反射率越高，则半宽度越小，滤 光片透射光的单色性越好。 提高干涉级次m ，可以减小通带宽度，但当间隔层厚度超过第四级次时，就开始显 得粗糙。间隔层表面的这种粗糙度展宽了通带，压低了峰值透射率，使得更高级次完全 失去其实用价值。在通常情况下，最高使用到第三级次。 另外，提高反射膜的反射率也可以压缩带宽，但过于减少带宽将使峰值透过率显著 下降，因此在可见区，它们的半宽度在5 l o n m 为佳。 定性的分析完影响带宽的因素，接下来定量的分析上述膜堆公式中的x 取多少才能 满足带宽要求。上式中采用低折射率材料作间隔层，则有 驴薯譬一鬈 眨 蜀2 = ( 甩一x 2 ) 2l ( n + x 2 ) 2 = ( 1 一k 2 ，屯) 2 0 + x 2 n ) 2 ( 2 1 6 ) 因为当层数足够多时k 2 i n l = 磅舯”肿1 i ，所以 属2 = ( i - 争) 4 1 _ 4 争 ( 2 1 7 ) 轷4 专2 = 雾 眨 1 l啊 同样可求出半宽度表示式 2 址篆删雾心等4 42 x + l m r f n u m 万 ，z ；7 6 在以上公式中，我们完全略去了多层反射膜反射位相的色散影响，认为在通带内它 们是常数，并且其值为0 或刀。而实际上反射位相并不是常数。位相改变的意义在于， 在法布里一珀珞滤光片的透射率公式中，它增大了 ( 仍+ p 2 ) 1 2 - d 】随波长的变化率，因 此压缩了带宽。考虑到位相色散的影响，上述公式需乘上修正因子 ! 生= 丝! ( 栉一n l ) + 捍，m m( ，啊一j + 倪 那么半宽度则为 。 2 从= 焉4 - 2 劳x + l 萨( n 石h - n l 而) 眨2 。， 1 0 硕士论文 窄带滤光片与相干长度可调准单色光干涉研究 2 3 多半波滤光片 简单的全介质法布里一珀珞滤光片的透射率曲线并不是理想的形状。可以证明，在 任何级次的滤光片中，透射能量的一半是在半宽度之外的( 假定入射光的能量随波长均 匀分布) 。因此透射率曲线越接近矩形越好。 当多个调谐电路相耦合时，合成的频率曲线比单个调谐电路的频率曲线更接近矩 形。对于法布里一珀珞滤光片也发现了相似的结果。如果将两个滤光片串置起来，那么 得n t 与调谐电路非常相似的双峰曲线9 1 。 网双丰未先片 f 、 1 弋、 | 一 、弋：渡泛光片， 一一一一 一j j弋、h 一 t r m n ：s u i t 乞8 n , c ei i w e j e n 弗h 佃i 图2 7 双半波滤光片透射率曲线 其基本结构为：反射膜i 间隔层i 反射膜i 间隔层i 反射膜，他被称为双半波滤光片。当 然，还有包括更多半波长层的多半波滤光片。例如可以再次重复双半波滤光片中基本的 法布里一珀珞单元，以便给出三半波滤光片。它有几乎相同的带宽，但边缘更陡些，背 景截止更深。 对于多半波滤光片，台伦【lo 】利用对称膜系等效层的概念，发展了一种系统的有效的 设计方法。这种方法的基础是将多半波滤光片划分为一个对称的主膜系和两侧的匹配膜 系。只要计算主膜系的等效折射率和匹配情况，便可预知滤光片的特性。 对于膜系g1 脚记( l h 三) ，z 脚记l 彳，决定滤光片特性的主膜系是 ( l h l ) a ，l ，这是一个对称组合，因此可以代换成一个等效层，它具有常见的一连串 高反射区和透射区。我们关心的是后者，因为它表示最后的滤光片的通带，然后使对称 的主膜系同基片以及周围空气相匹配。为此在它每一侧加上匹配层，这就是滤光片中剩 下的那些膜层的作用。完全匹配的条件很容易确定，因为这些匹配层的光学厚度都是 乞4 。 2 膜系设计硕士论文 这种设计方法的一个最有用的特点是，只要主膜系同基片和入射介质匹配，基本周 期( 即主膜系) 可以重复许多次，使通带的边缘更加陡峭，并且改进了截至度而又不会 明显地影响带宽。 为了估计滤光片的带宽，我们应用折射率高、低交替的以4 膜系的特征矩阵乘积 的近似公式。这个公式仅仅适用于偏离乃不太远的波长。在九附近，特征矩阵可以变 为以下形式： 三s i n 2 8f 挖 2 觑二s i n 2 d 1 2 这里万为膜层的相位厚度。 利用这个近似公式，设主膜系中高折射率层有x 一1 层，低折射率层有x 层，则特征 矩阵的连乘积为 lm tm ：l l i 鸩，鸠：j 2 2 矾+ c 2 + + c ， ，z 月h刀 ( 丝) 州他】 ，z lsin2 8 ( n l ，嚣叼h ，j i z 纠+ c + 叫 j 现在要从这个表达式导出滤光片半宽度的解析式是困难的。因此我们不去推导半宽 度，而是选取某些波长以确定通带的边界。对于这些波长 im l + m 2 2l _ 1 因为m 。= m ：，故 m 。i - i 。这些点离开半峰值透射率的波长位置不会太远，特别 是当通带边缘很陡的时候更是如此。边缘所限定的带宽虽然不一定正好就是通带半宽 度，但可与之相比拟。 现在将这个条件用于式( 2 2 1 ) 有 f m f = 三2s i i l 2 矾考广l + ( 卺广2 + 一+ ( 卺) 1 “ ( 2 2 2 ) n h n h n h 玎， r ，则上式又可写成 i ：1s i n 2 8 ( n m ) h 【1 + ( 盟) 一1 + + ( 盟) 2 咖】| _ 1 ( 2 2 3 ) 上 n ln ln l 方括号中的项类似于级数1 【1 一( 鱼) 一1 】= 1 + ( 鱼) 一l + ( 马一2 + ，只不过它截至于 1 2 硕士论文 窄带滤光片与相干长度可调准单色光干涉研究 ( 2 也项，而不是无限多项o f 旦只要项( 2 。足够j 、琊么删刚肺【1 - 钞1 】代 替式( 2 2 3 ) 中的方括号内的项而不会有太大的误差。于是式( 2 2 3 ) 成为 1 丢s 埘c 秒仍一钞怍 即 因为 所以 又因为 因而 代入式( 2 2 4 ) ， ls i n 2 万l ：2 ( 盟一1 ) ( 盟) 。 心魄 艿= 乞+ a s ，乞= 7 r 2 ，s i n 2 ( 多= s i n ( z t + 2 a 6 ) = 一s i n2 a 8 2 a , 5 ：a r c s i n 2 ( n h 一1 ) ( 塑) 。】 ( 2 2 4 ) 魄他 m 等砧= = 等从 a , 无a o = 2 l 万i t r 得相对半宽度的表达式 _ 2 z k ；t ：一2a r c s 试 2 ( 塑一1 ) 江) ， ( 2 ，2 5 ) 考虑到方括号中项的值很小，带宽的近似表达式可写成 半：! ( 与，( 鱼一1 ) ( 2 2 6 ) 一= 一o i l 一ll 以万n h 吮 这是级次干涉的情况。可以证明，当多半波滤光片的干涉级次是m 时，带宽的表达式 为 半：三净) 川 盘一1 ) ( n - - 1 + 1 ) l ( 2 2 7 ) o m 死n h n l h l r h 由式( 2 2 1 ) 可以给出等效折射率 酬彘) l f 2 = ( 翰 ( 2 t 2 8 ) 为了得到高的通带透射率，主膜系的等效折射率必须同基片以及入射介质相匹配。 假定在基片上有y 层匹配膜系，当y 为奇数时，即膜系为a ll h l ，它的组合导纳 为 。匕：( 与一堕 ( 2 2 9 a ) n h n g 当y 为偶数时，即膜系为gi 胍时，他的组合导纳为 2 ( 等_ q 2 如果在入射介质一侧有类似的z 层匹配膜系，它的组合导纳为 当z 为奇数时，匕：( 旦) 川堕 ( 2 30 a ) 1 kf l o 2 膜系设计 硕士论文 当z 为偶数时， r o = ( 丝) 2 n o n i l , ( 2 30 b ) 选择两侧的匹配膜系应使式( 2 2 9 a ，b ) 和( 2 3 0 a ，b ) 给出的导纳值与主膜系的 等效导纳相等。通常，因为在建立各个公式时作了近似处理，同时因为用作宽带的定义 不一定就是半宽度，所以在实际镀制滤光片之前，应当以膜系设计软件模拟结果为准。 2 3 1 膜系计算 在下面的计算中丸= 6 3 3 n m ，? l = 1 4 3 5 ，n = 2 2 4 4 ( 6 3 3 n m 处的折射率值) ，由 m a t l a b 程序“f p n b p ( 见附录) 计算并给出以下表格。由于膜层数只能是整数，所 以下表仅列出与所需值最接近的两个整数值，以供膜系软件模拟并依据模拟结果选择最 佳膜系。 ( 1 ) 当2 a 2 = 5 n m 时，可能的膜系参数如下表所示 表2 15 n m 带宽主膜系和匹配膜系参数 硕士论文 窄带滤光片与相干长度可调准单色光干涉研究 表中d f d l ( d o u b l ef a c t u a ld e l t al a m b d a ) 表示实际带宽。 ( 2 ) 当2 a 2 = 1 0 n t o 时，可能的膜系参数如下表所示 1 5 2 膜系设计 硕士论文 表2 2l o n m 带宽主膜系和匹配膜系参数 1 6 硕士论文窄带滤光片与相干长度可调准单色光干涉研究 2 4 薄膜滤光片的软件模拟与优化 随着科学技术的迅速发展，对研制各种类型的光学多层薄膜提出了越来越高的要 求，以致用传统的设计方法设计膜系已深感无法满足要求。好在由于电子计算机的发展 和普遍使用，为应用最优化数值方法进行最优设计提供了有力的工具；而由于实际中不 断提出的各种要求，促使最优化数值方法获得了进一步发展，并成为可实际运用的有力 工具。 2 4 1 光学薄膜设计软件的现状 使用电子计算机自动设计就必然涉及到一个设计软件的问题。目前几乎所有的薄膜 设计软件的设计核心基本都遵循着自动合成与最优设计的方法。但是，不同的薄膜设计 软件在设计与优化的具体计算上是不尽相同的。有些功能强大的薄膜设计软件甚至同时 提供了多种设计与优化的方法和评价函数，以供设计人员根据设计的具体情况加以调 整。所以，在光学薄膜的自动设计中，选择一套合适的薄膜设计软件往往也是设计出优 良膜系的关键所在。 目前流行的光学薄膜设计软件主要有m a c l e o d 、f i l m s t a r 、t f c a l e 、m a s s 、i m d 等 等。它们在功能方面各有侧重点，但大多都可以独立完成普通膜系的设计与优化工作。 不过在实际运用中，特别是涉及到较为复杂的膜系时，m a c l e o d 和t f c a l c 凭借其强大而 专业的综合设计能力得到了更为广泛的运用。本文使用的便是t f c a l c 。下面利用t f c 幻c 1 7 2 膜系设计 硕士论文 模拟上节理论推导出的膜系并在此基础上进行优化。 2 4 2 薄膜滤光片的t f c a l c 模拟与优化 本文计划分别镀制5 r i m ，1 0 r i m ，5 0 n m 带宽的薄膜滤光片以满足干涉实验数据分析 与仪器调试的需要。 ( 1 ) 用t f c a l c 模拟表2 1 中主膜系于匹配膜系的各种组合，且综合考虑膜系的带 宽和峰值透过率，可从可选取带宽4 9 n m ，峰值透过率6 2 8 的膜堆 l ( h l ) 32 l “h l ) 82 l ( l h ) 3 作为最佳计算结果，并进一步优化，以得到最终设计 - l - i _i - j - u _ - _- _i l i 3l ， 7 v f i 、 fl j f、j 。l， 硕士论文窄带滤光片与相干长度可调准单色光干涉研究 5udb 口b 口q5 口，u 1 , 17 5 0辟u u ：z 矗匠# 薯矗奠( ，憎- 1 叠口bl 珥， 图2 1 0 模拟透过率曲线，带宽1 0 i n m ，峰值透过率9 7 o 我们发现上述计算中的带宽均不是准确的5 r m l 或l o r h n ，这是因为公式推导过程中 多处进行了近似处理，且在计算中膜层数只能取正整数。从上表又可知，匹配层的选取 也会对带宽有明显的影响，所以必须使用膜系软件进行模拟，在选择最佳膜系时以模拟 结果为准。 ( 3 ) 当以= 6 3 3 n m ，兄= 5 0 n t o 时，由于带宽较宽，我们采用基片前后表面分别镀长、 短波通滤光膜的方案，通过透过率曲线叠加得到所需带宽的带通滤光片。长波通滤光膜 系、短波通滤光膜系的膜堆公式分别为g 1 ( 5 h l 5 h ) 8g 2 ( 5 h l 5 h ) 1 0 ， g 1 ( 5 工0 0 0 f 。一。 l 乙土 4 0 04 , 5 05 0 0g $ o6 0 06 - 5 0 7 0 0 t r 蛆i _ i 七c 蛆c i i v - u s v e l e n g t ht l m 图2 1 t a 长波通截止滤光片模拟透过率曲线 1 9 2 膜系设计 硕士论文 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 哇o o z o o 0 o 4 0 0s 0 0 6 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 0 工o o 0 8 0 0 6 0 。0 4 0 0 2 0 0 0 0 ：r 氩暑l - 托c 缸c 量l 幸v ie a v e l e n 咖hc h a ) 图2 1i b 长波通截止滤光片模拟透过率曲线 1 j乏 、 一_ ， 4 0 05 0 06 0 0 7 0 08 0 0 9 0 01 0 0 0 t r a n s m i t t a n c e l ， w a v e l e n g t hc n ， 图2 1 l c 叠加后的模拟透过率曲线，带宽5 0 o h m 。峰值透过率9 8 4 由图2 9 ，2 1 0 可知，多半波法布里一珀珞滤光片的截止带不够宽，则可在多半波法 布里一珀珞滤光片的前面放置图2 , 1 1 c 所示的带通滤光片，换句话说就是将图2 1 1 c 设为 多半波法布里一珀珞滤光片的b p 光源，可得到模拟透过率曲线 硕士论文窄带滤光片与相干长度可调准单色光干涉研究 f t z - n j 曩l i t t - n c 譬l i，f f a , e e l e r k r t hi 皿 图2 1 2 使用b p 光源后的模拟透过率曲线，带宽5 。l n m ，峰值透过率9 3 2 )f t z - n - 墨i t 乞- n c _i - v - 1 - n 非hl 矗_ i 图2 1 3 使用b p 光源后的模拟透过率曲线，带宽1 0 i n m ，峰值透过率9 5 6 本章小结 本章介绍了常见的带通滤光片的设计方方法，其中重点介绍了多半波法布里一珀珞 滤光片的台伦设计法，依照此方法建立了设计不同带宽的带通滤光片的数学模型，并计 算了5 r i m 和1 0 r i m 带宽窄带滤光片可能的膜系结构。另外对常用的膜系设计软件也进行 了简要的介绍，并使用t f c a l c 对上文计算出的可能的膜系结构进行了模拟，最终根据 模拟结果选择出最佳膜系进行进一步的优化。 2 1 3 镀膜设备j 工艺母1l 论文 3 镀膜设备与工艺 3 1p t k 9 0 s 镀膜机简介 本课题试验使用的是韩国p r o t e c h 有限公司生产的p m c 9 0 s 高真空光学镀膜机。如图 3 1 所示。 圈3lp m c 一9 0 s 高真空光学镀膜机 该镀膜机基于热蒸发镀膜的基本原理，由腔体、真空泵、冷凝系统、离子源、电子 枪、晶控器、光控器、控制面板等组成。 镀膜过程中，腔体内部为高真空状态。它的蒸发装置有三个，左边是环形电子枪， 右边是8 个坩埚电子枪，中间为电阻丝蒸发装置。镀膜过程中对腔体内部的操作通过触 摸式的控制面板来实现。 在膜厚控制上，采用l n f i c o n 公司生产的i c 5 膜厚自动控制仪，如图3 2 所示。 3 2 镀膜材料选取 鳓 圈3 2 i c 5 膜厚自动控制仪 出公式( 2 2 7 ) 可以看出，在其他条件均相同的情况下，为了减小半宽，低折射率 材料的折射率应尽量低，高折射率材料的折射率应尽量高。常用的第折射率材料有s i 0 2 和m 矿2 ，高折射率材料有t i 0 2 、z n o 、z r 0 2 、h i d 3 和t a 0 2 等。按照上述原则，选择 t i 0 2 作为高折射率材料：本应选m g f 2 作为低折射率材料，但由于m g f 2 薄膜应力较大， 镀制多层膜容易脱落，所以选择s i 0 2 作为低折射率材料。下面简述下这两种材料的 光学及机械特性。 硕士论文窄带滤光片与相干长度可调准单色光干涉研究 3 2 1 二氧化钛【l l 】 二氧化钛分子量7 9 8 8 ，密度4 2 9 ，熔点1 8 5 0 。c ，在1 0 一t o r t 真空下的蒸发温度为 2 2 0 0 c 。可用钨舟、钼舟加热蒸发，此时产生分解的吸收膜。也可由电阻加热蒸发t i 或t i o ，然后在空气中加热氧化而制各t i 0 2 薄膜。最为常见的是使用电子束加热蒸发镀 制t i 0 2 薄膜。 t i 0 2 薄膜的透明区为o 3 5 1 2 乒t m ，即在整个可见区和近红外区都是透明的。其折 射率与薄膜结构有关，n = 2 2 2 7 ，在常见的镀膜材料当中折射率最高。它坚硬抗化学腐 蚀，机械性能良好。 3 2 2 二氧化硅【l l 】 二氧化硅分子量6 0 0 8 ，密度2 2 2 7 ，熔点17 3 0 ，在10 4t o r r 真空下的蒸发温度 为1 0 2 5 。可用钽舟加热蒸发，也可用a 1 2 0 3 坩埚加热蒸发，但由于电阻加热蒸发会产 生分解，所以一般采用电子束加热蒸发。 s i 0 2 薄膜的透明区为1 6 0 n m 9 9 m ，其在2 0 0 n m - 4 l m 波段为无吸收区。其折射率 n = 1 4 6 ( 彳= 5 5 0 n m ) 。 s i 0 2 薄膜为无定型结构( 非晶态) ，沉积时基底温度不同，所制备的s i 0 2 薄膜的填 充密度也不同。基底温度为3 0 时，填充密度p = 0 9 ，基底温度为1 5 0 c 时，填充密度 p = 0 9 8 。s i 0 2 薄膜呈现压应力，其具有良好的化学稳定性，其机械性能极为牢固，无吸 湿性。 3 3 镀膜工艺设置 要镀制出符合理论设计的薄膜，必须知晓镀膜材料在特定镀膜工艺下的光学参数， 这里主要是折射率和消光系数。且在不同工艺条件下相同镀膜材料的光学参数有时不同 的，所以应该选择能够满足设计要求同时又易于得到的工艺参数。 3 3 1 材料的主要光学参数 窄带滤光片的镀制，在薄膜滤光片的镀制中属难度较高的，他对工艺参数的设定要 求较高。如果工艺参数设置不当，则将严重影响带宽、峰值透过率和峰值波长。具体地 说，如果t i 0 2 的折射率降低，则会在膜系不变的情况下使带宽变宽，增加设计和镀制 难度：如果消光系数较大，则峰值透过率就会变低，导致在接下来的干涉实验中条纹对 比度降低( 当然峰值透过率的降低，也会使带宽变宽) ；如果薄膜结构过于疏松，则会 使峰值波长漂移过大，影响接下来干涉实验的数据分析。 3 3 1 1 折射率 薄膜的折射率一般比块状材料折射率低。并且实验中发现，较薄的膜具有较低的折 射率值；较厚的膜其折射率值接近大块材料折射率值。薄膜的折射率值除了具备上述性 3 镀膜设各与工艺硕士论文 质外，还取决于以下三个方面的因梨： a ) 晶体结构 薄膜的折射率取决于薄膜晶体的微观结构。t i 0 2 薄膜的晶体结构强烈的依赖于沉积 薄膜时的基底温度，而各种结构的薄膜折射率是不同的。t i 0 2 薄膜沉积于2 0 。c 的基底 上，其折射率，2 0 5 5 朋= 1 9 ；而沉积于4 0 0 基底上的薄膜玎0 5 5 胂= 2 6 。由电子显微镜技 术分析得知：在基底温度为2 0 c 4 0 0 。c 之间所沉积的z i 0 2 薄膜结构为非晶的或为金红 石，还可能是这些晶态的混合相。 b ) 填充密度 对于各向同性致密的介质材料其克分子折射率为常数，这可由洛仑兹一洛伦茨 ( l o r e n t z l o r e n z ) 公式来表示： 望丝：c( 3 1 ) 以+ 2 p 式中m 一分子量，p 一密度，玎一折射率。 但是对于一般情况下膜的平均折射率则可由下式表达： 万：(32)f 2 x p i x r + m 聆= 一 l j zj 。 m p f x r 式中尺一克分子折射率，p ，膜的平均密度。 其中，克分子折射率尺，可由单晶的数据计算出来。对于薄膜的折射率来讲，应用 填充密度的概念表示其折射率是方便的，它被定义为薄膜的密度与块料密度的比值： p ：竺 ( 3 3 ) p m 式中尸一薄膜的填充密度，p ，一薄膜的密度，一块料的密度。 下式给出了填充密度与折射率之间的关系 尸：丝：望磐 ( 3 4 ) 成，z ；+ 2 一1 式中n ，一薄膜的折射率，一块料的折射率。 小的填充密度使薄膜的折射率减小，因而在真空中测得的多孔膜的折射率低。当暴 露于大气中时，由于吸附水蒸气( n 。= 1 3 3 ) ，特别在低折射率材料的薄膜中观察到折 射率明显增大。沉积于2 5 0 。c 3 5 0 热基底上的许多薄膜，其填充密度大于0 9 ，因此 当暴露于大气中时，薄膜的折射率变化很小，通常可忽略不计。 m a x w e l l g a r n e t t ，b r a g g 和p i p p a r d 根据l o r e n t z l o r e n z 的极化理论提出的见解，已 被h a r r i s ，m a c l e o d