（物理电子学专业论文）实时光学薄膜厚度监控系统的研究(1).pdf

摘要 摘要 2 0 世纪末出现的因特网标志着人类社会进入到个崭新的时代一信息化时 代，在这个时代人们对信息的需求急剧增加，信息量象原子裂变一样呈爆炸式 增长，传统的通信技术已经很难满足不断增长的通信容量的要求，光通信技术 凭借其巨大潜在带宽容量的特点，成为支撑通信业务量增长最重要的通信技术 之一，而波分复用( w d m ) 是实现光通信技术中巨大带宽容量的核心技术。 本文介绍了介质薄膜干涉滤光片型波分复用器，它是由数十层的光学薄膜 所构成的，因此，波分复用器( w d m ) 的性能取决于其组成的光学薄膜的光学特 性。光学薄膜厚度、膜层均匀性、膜层与膜层之间的间隔层、薄膜材料等都对 光学薄膜的光学性能产生影响，在这些因素当中，光学薄膜厚度是光学薄膜最 重要的参数之一，它决定性地影响着光学薄膜的光学性能，因而准确控制薄膜 厚度就成为制备光学薄膜的关键。 实验室罩监控光学薄膜厚度用的c a 一6 e 监控单元，它使用数码管显示反映 光学薄膜厚度的电压值。由于它采用的是八位的a d 转换器，其分辨率比较低， 不能准确反映极值点附近电压值的变化，数码管的显示不直观，且c a - 6 e 监控 单元的信息处理能力比较差，只是简单的输出反映光学薄膜厚度变化的电压值， 没有经过任何数据处理，因而，用c a 一6 e 监控单元进行监控时，自动化程度低， 人为因素影响大，难以准确判断极值点，且不能对数据实现存储。 本论文所述的实时光学薄膜厚度监控系统是对c a 一6 e 监控单元进行改造， 利用它的电路处理能力，但又克服了它的监控自动化程度低、信息处理能力差、 极值点难以判断以及数据不能自动存储等问题。它的主要特色体现在： 1 由于反射率在极值点附近随膜厚变化缓慢，电压值变化不明显，膜厚监 控系统采用了p c l 一7 1 1 b 数据采集卡，它具有很高的分辨率，能够满足监控的需 要。 2 设计了直流放大电路及与p c l 一7 l l b 的接口，对c a 一6 e 监控单元输出的 微弱信号进行适当放大以满足监控的需要。 3 采用了适当的数据处理算法对p c l - 7 1 1 b 转换完的数据进行处理，经过 算法处理后使得极值点更易判断以及绘制出的曲线更加平滑。 4 采用v c + + 编写应用程序主体框架，应用了多线程采集技术，且膜厚监 控系统能够自动保存镀膜过程中原始数据。 5 实时薄膜厚度监控系统具有很好的扩展性。监控系统的软件设计采用模 块化的设计思想，可以对各个模块进行扩展以实现更好的控制。 兰堕堡三查兰堡主兰生笙苎 关键词：波分复用( w d m ) ；干涉滤光片；光学薄膜厚度j c a 一6 e 监控单元； 分辨率j p c l 一7 1 1 b ；v c + + ( v i s u a lc + + ) ；多线程 i i 摘要 a b s t r a c t t h ea p p e a r a n c eo fi n t e r n e tn e t w o r ka tt h ee n do ft h e2 0 t hc e n t u r y i n d i c a t e st h a tw eh a de n t e r e d n e wt i m e s i n f o r m a t i o nt i m e s ，t h e i n f o r m a t i o nr e q u i r e m e n t so fp e o p l eh a db e e ni n c r e a s e dr a p i d l y ，t h ea m o u n t o fi n f o r m a t i o np r e s e n t st h es a m et r e n do fe x p l o s i v er i s ea sa t o mf i s s i o n a st h ef e a t u r eo ft h el a t e n te n o r m o u sc a p a c i t y ，o p t i c sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y h a dt u r n e di n t oo n eo ft h eb e s ti m p o r t a n tc o m m u n i c a ti o n t e c h n o l o g i e s f o r s u p p o r t i n g t h ei n c r e a s eo fc o m m u n i c a t i o nb u s i n e s s ， h o w e v e r w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) i so n eo f t h ec o r e t e c h n o l o g i e s f o r c a r r y i n g o u tt h ev a s tb a n d w i d t hc a p a c i t yo fo p t i c s c o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e dm e d i u mt h i nf i i mi n t e r f e r e n c ef i l t e rw d m ，i t c o n s is t so ft e n so fl a y e r s ，a n ds ot h ep e r f o r m a n c eo fw d ml i e so no p t i c s c h a r a c t e ro ft h eo p t i c a lt h i nf i l m ，w h i c hc o n s t r u c t si t o p t i c a l t h i n f ii mt h i c k n e s s 、t h ei n t e r v a ll a y e rb e t w e e nl a y e ra n dl a y e ra n dt h i nf i l m m a t e r i a lh a v ee f f e c to nt h eo p t i c a lp e r f o r m a n c eo fo p t i c a l t h i nf i l m a m o n gt h e s ef a c t o r s ，o p t i c a lt h i nf i l mt h i c k n e s si s o n eo ft h eb e s tk e y f a c t o r s ji th a sac r u c i a le f f e c to nt h eo p t i c a lp e r f o r m a n c eo ft h i nf i l m o u r l a b o r a t o r ym a k e u s eo fc a 一6 em o n i t o rd e v i c et om o n i t o rt h e t h i c k n e s so fo p t i c a lt h i nf i l m ，i td i s p l a y st h ev o l t a g ev a l u eb yl e dt h a t r e f l e c t so p t i c a lt h i nf i i mt h i c k n e s s a st h ec a 一6 em o n i t o rd e v i c eu s e s a8 - b i ta dd a t a c o l l e c t i n gc a r d ，i t sr e s o l u t i o nc a nn o tm e e t m o n i t o r r e q u i r e m e n t s ，i t sd i s p l a y isn o ti n t u i t i o n i s t i ca n di t s i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n ga b i l i t y i ss ow e a kt h a ti to n l yc a no u t p u tt h ev o l t a g ev a l u e w h i c hr e f l e c t st h et h i c k n e s so ft h i nf i i md i r e c t l y t h e r e f o r e ，w h e nw e u s et h ec a 一6 em o n i t o rd e v i e et om o n i t o rt h eo p t i c a lt h i nf i i mt h i c k n e s s ， th a d1 0 wa u t o m a t i z a t i o nl e v e la n dh i g hl a b o ri n t e n s i t y ，i n s t e a d ，i t i sv e r yd i f f i c u l tt oe s t i m a t et h ee x t r e m u mp o i n t ，a n dd a t a c a n n o tb e s t o r e da u t o m a t i c a l l yt o o t h i sp a p e rs t a t e dar e a l t i m eo p t i c a lt h i n f i l mt h i c k n e s s m o n i t o r s y s t e m i t i sb a s e do nt h ec a - 6 em o n i t o td e v i c ea n dm a i n l yu t i l i z ei t s c i r c u i tp r o c e s s i n ga b i l i t y ，b u to v e r c o m ei t s1 i m i t a t i o n si n c l u d i n gl o w a u t o m a t i z a t i o n1 e v e l 、w e a ki n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga b i l i t y 、i n a c c u r a t e i l l 兰壹翌三盔兰巫主茎竺笙苎 e x t r e m u mp o i n te s t l m a t l o na n ds 0o n t h ec h a r a c t e r so ft h i sr e a lt i m eo p t i e a lt h i nf i l mt h i c k n e s sm o n i t o r s y s t e ma r ea sf o l l o w s ： 1 a so p t i c a lt h i nf i l l l lt h ic k n e s sc h a n g e ss l o w l yn e a r b yt h ee x t r e m u m p o i n ta n d t h ev o l t a g ev a l u ev a r i e su n c o n s p i c u o u s ，t h em o n i t o r s y s t e m a p p l i e dap c l 一7 1 1 bd a t a c o l l e c t i n gc a r dt o i m p r o v es y s t e mr e s o l u t i o n 2 d e s i g nd i r e c t c u r r e n t m a g n i f y i n gc i r c u i ta n di n t e r f a c ew i t ha p c l 一7 11 b d a t a c o l l e c t i n gc a r d ，i tc a nm a g n i f yt h ew e a kv o l t a g es i g n a l 3 u s es o m ea p p r o p r i a t ed a t ap r o c e s s i n g a l g o r i t h m st op r o c e s st h e o u t p u to fp c l 一7 11 b ，s ow ec a ne s t i m a t et h ee x t r e m u mp o i n ta c c u r a t e l ya n d g e ts m o o t h e rm o n it o rc u r v e 4 a p p 】i c a t i o nf r a m e w o r kw a sw r i t t e n b y v c + + a n di tjn c l u d e s m u l t i t h r e a d s a m p l i n ga n dd y n a m i cs t o r e 5 r e a l t i m et h i nf i l mt h i c k n e s sm o n i t o r s y s t e m i so f g o o d e x p a n s i b i l i t y t h es o f t w a r eo fm o n i t o rs y s t e ma p p l i e dt h ed e s i g np a t t e r n o fm o d m e ，a n dw ec a ne x t e n ds o m e i m p o r t a n tm o d u l e st 0a c h i e v eb e t t e r c o n t r 0 1 k e y w o r d ：w d m ；o p t i c a lt h i nf i i mi n t e r f e r e n c ef i l t e r jo p t i c a lt h i nf i i m t h i c k n e s s ；r e s o l u t i o n ；p c l 一7 l i b ；v c + + jm u l t i t h r e a d ；c a 一6 e m o n i t o rd e v i c e ；l e d 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作 品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：玉峭鸭日期：铲年z 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：至明卵为 导师签名：专乞闪 日期：二。一争年占月日 日期：7 p 姘 占月 ，日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 w o n 系统基本组成及主要技术 i p 网络技术推动了i n t e r n e t 在全球范围的迅猛发展，势不可挡。随着全球 i n t e r n e t 用户数量和w e b 站点数量的急剧增长，带宽的需求也急剧增长，每半年 主要i s p 的i n t e r n e t 骨干链路的带宽增长一倍。i n t e r n e t 如此迅速地发展给电信 网带来巨大的冲击，随之出现了所谓的“光纤耗尽”现象和对代表通信容量的 带宽的“无限渴求”现象。为了提高通信系统的性价比和经济有效性，满足不 断增长的电信业务和i n t e r n e t 业务的需求，如何提高通信系统的带宽已成为焦点 问题。 目前扩容的主要方法有：空分复用( s d m ) 、时分复用( t d m ) 和波分复用 ( w d m ) 等。s d m 必须铺设新的光缆线路，无疑成本高，耗时长。t d m 则是 通过时间分割来提高每秒钟传输的信息量，即以扩大单根光纤的传输容量来实 现更高的比特率。t d m 有三个主要的问题：一是必须采用高速率的设备来替换 原来的光传输设备；二是高的数据速率受到光纤色散和非线性的限制：三是因 为受到电子器件物理极限的限制，一般认为传输速率高于4 0 g b i t s 是困难的。 近年来，w d m 的应用，使光纤带宽资源得到进一步的利用，尤其是密集波分复 用( d w d m ) 技术。这种技术采用原来铺设的光纤，使单根光纤的传输容量在高速 率的t d m 的基础上按信道数成倍数增加j 。 波分复用( w d m ) 的实质是频分复用( f d m ) ，只是光波通常更多采用波长而 不用频率来描述而已。目前，广泛应用的光纤通讯窗口为1 3 1 0 n m 和15 5 0 n m 两 个波段，其中1 3 1 0 n m 窗口的低损耗区波长约为1 2 6 0 n m 1 3 6 0 n m ：1 5 5 0 n m 窗 口的低损耗区波长为1 4 8 0 n m 1 5 8 0 n m 。两个波段共有大约2 0 0 n m 的工作区， 相当于光纤3 0 t h z 的带宽资源。若用1 0 0 g h z 滤光片来进行波分复用，则可有 2 5 0 个信道数。显然，迄今远没有开发运用光纤的带宽资源，也说明波分复用还 有很大的潜力。早期，人们把1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 两个波段的复用叫w d m ：后 来随着e d f a 的应用，把1 5 5 0 n m 波段分成许多个波长的复用叫做d w d m 。今 天，实际上光纤通讯系统都在向着d w d m 系统发展，但人们仍习惯于统称w d m 系统，或者说d w d m 只是w d m 的一种特殊形式【2 】。与其他扩容手段相比，w d m 技术具有如下优点：( 1 ) w d m 技术充分利用了光纤的巨大带宽资源( 低损耗波 段) ，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍甚至几十倍，从而增加光纤 华南理上人学硕士学位论文 的传输容量，降低成本，具有很大的应用价值和经济价值，目前光纤通信系统 只在根光纤中传输个波长信道，而光纤本身在长波长区域有很宽的低损耗区， 有很多波k 可以利h j 【3 】。f 2 ) w d m 系统以波长选择路由，同一光纤中所传输的不同 信息是通过载波波长来识别的，因而它对所传信号的调制格式( 模拟或数字) 、 转移模式( a t m 、s t m 等) 、传输速率、调制方式等特性没有限制，可采用一根 光纤实现多媒体信号的混合传输【4 】。f 3 ) w d m 系统具有很高的灵活性和可靠性， 很容易升级扩容，如果在设计通信系统时考虑其最佳线路和环形光路保护，就 可以通过引入o a d m ( 光分插复用器) 和o x c ( 光交换) 设备构成最佳光路由 选择，逐步过渡到全光通信网络口j 。 图1 1 是w d m 系统总体结构示意图f 3 l ，由图可以看出，在发送端有r 1 个波 长不等的光信号，经过光合波器合成后传给b a ( 功放) 进行功率放大，之后经 由一条光纤进行传输，中间采用增益平坦技术，使不同波长的光信号具有相同 的放大增益，经由p a ( 前级放大器) 后由光分波器分离出不同波长的光信号。 l 兰竺苎i 寸 翟胗 光 光 被 分 波 医孙 器 器 i _ j 图1 1w d m 系统总体结构示意图 f i g 1 1s c h e m a t i co f w d ms y s t e ms t r u c t u r e w d m 系统主要的技术有：首先，分波合波( m u x d e m u x ) 技术，虽然有介质 型薄膜干涉滤光片、光纤布喇格光栅( f b a ) 、陈列波导光栅( a w g ) 等多种技术可 以实现分波和合波的目的，但目前真正大量使用的是介质型薄膜干涉滤光片， 这主要是因为介质型薄膜干涉滤光片具有较好的光学性能、较高的稳定性和较 低的生产成本；其次，光放大技术。这两项技术都离不开光学薄膜，所以光学 薄膜质量的好坏决定着薄膜干涉滤光片的性能的优劣。 通常介质型薄膜干涉滤波片由多层不同材料、不同折射率和不同厚度的膜 层组合而成，每层膜厚度约为l 4 ，高折射率和低折射率层相间隔、交替叠合形 成多层介质膜系。当一束复色光入射到介质膜时，波长满足干涉所要求的相位 匹配条件的光将透射( 带通) ，其他的光则反射( 带阻) ，利用多层介质膜这种 对波长的选择性可以实现分波或合波1 6 。 上述可以看出，合波分波的关键技术在于薄膜干涉滤光片的实现，为了保 证滤光片的质量，首先要保证各层膜的厚度。对于一般的增透膜来说，当其各 第一章绪论 层厚度误差较大时，就不可能达到预期的效果；对于法布里帕罗型干涉滤光片， 当其间隔层的光学厚度出现较大的误差时，虽然对其通带的形状没有严重影响， 但其中心波长的位置却发生明显偏移；对于彩色分色滤光片，如果其厚度误差 较大，就会出现失真，不可能产生色彩逼真的效果。所以光学薄膜的厚度对于 光学滤波器的质量起着决定性的作用。 1 2 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 性能，因而准确控制薄膜厚度就成为制备薄膜的关键。 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 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 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 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 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 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 法、椭偏仪法、光电极值法和宽光谱扫描法。 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 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 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， 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睁j ，而且两相邻膜层之 间不具各自动补偿机理，因而对于多数光学薄膜和复杂膜系来讲是不适用的。 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 华南理工大学硕士学位论文 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， 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 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【7 】，且这类系统价格较为 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【9 】。实际操作时， 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， 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 1 0 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 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 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 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 高。文献 1 1 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 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 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 1 2 】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1 3 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( o p m m 1 ) ，该系统使用了 c c d 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 1 4 】介绍了d w d m 窄带滤光片专用 膜厚仪p o m 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 n m ，重复性精度为o 0 5 n m 。 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 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 复杂，价格昂贵，如北京理工大学的宽光谱膜厚监控系统。 1 3 课题来源及研究内容 本课题是广东省重点科技攻关课题f 2 k b 0 2 4 0 2 g ) 。 4 第一章绪论 光学薄膜厚度的准确监控，是制备光学薄膜的关键技术，它直接影响薄膜 的光谱特性。光学薄膜的监控是指在镀膜过程中，通过对薄膜的反射率或者透 射率进行测量来控制薄膜的厚度，一旦到达所要求的厚度，立即关闭挡板。停 止膜层蒸镀，从而实现对薄膜厚度的控制。 为了稳定和精确的镀制d w d m 用介质薄膜型滤光片，实验室于2 0 0 1 年从 北京购回一套镀膜设备，该套设备包含了一台c a 一6 e 膜厚监控单元，但是该设 备存在着分辨率不高( 极值点较难判断) ，自动化的程度低、操作者劳动强度大， 信号处理能力较差，不能实时的跟踪薄膜的镀制情况，不能对镀膜过程中的监 控数据进行存储等问题，难以保证复杂膜系薄膜产品的质量。因而在现有监控 设备的基础上，实现一套膜厚监控系统以增强开发高性能复杂膜系的能力是十 分必要的。 本研究采取了一系列技术措施对上述的c a 一6 e 进行改进： 1 c a - 6 e 监控单元采用的是8 位a d 转换卡，其分辨率不高，同时薄膜厚 度在极值点领域内输出的光强信号变化缓慢，数码管数字信号变化不明 显，直接影响极值点的判断。为提高系统分辨率，采用1 2 位的a d 转换 卡从c a - 6 e 监控单元直接取模拟信号进行模数转换，由于所采集的信号 很弱，对该小信号进行了屏蔽处理，以保证采集数据的稳定。 2 对采集到的数字信号进行数据处理，包括平均值滤波、剔除奇异点、基 于电压的增量补偿法、斜率法。 3 编制计算机辅助控制软件。采用v c + + 6 0 编制了主控程序，利用了多线 程采集；还利用了动态存储技术，使得采集的数据不会溢出；另外将v c 与m a t l a b 结合起来，以利用m a t l a b 的绘图能力进行膜厚监控曲线 绘制：对数据实行自动存储、数据可以以多种形式显示，且该软件给出 了直观的监控界面。 4 膜厚监控系统具有很好的扩展性。系统的软件采用模块化的设计思想， 如有采集模块、数据处理模块、绘图模块和数据存储模块，各个模块相 对独立，可以对各个模块进行扩展以实现更好的控制。 华南理工大学硕士学位论文 第二章薄膜的基本理论 2 1 麦克斯韦方程和平面电磁波 在物理学上讲，光也是电磁波，薄膜基本理论是研究光在分层介质中的传 播特性，实质上就是研究电磁波在通过分层介质时所表现出来的特性。因此处 理薄膜问题的最有效的方法就是解麦克斯韦方程”】。对于各向同性的介质，这 些方程是： v 。h ：型+ 土昙( 2 1 ) cco v 。e ：一! 堡f 2 2 ) co t d = e e( 2 - 3 ) x 7 d = 4 e r p( 2 - 4 ) 8 一口h( 2 5 ) v b = 0 ( 2 6 ) j = e r e( 2 7 ) 式中e 一电场强度矢量 h 一磁场强度矢量 j 一电流密度矢量 d 一电位移矢量 b 一磁感应强度矢量 d 一电荷密度 a 、t 和占是与媒质的特定材料有关的常数。其中盯 介电常数，f 一时间。 通常在介质中没有空间电荷，故有： v d = 0 求解e v 2 s = 等等+ 孚尝 对于h 也有类似的关系式。 方程( 2 9 ) 的一个解的形式如下： 电导率，“一磁导，一 ( 2 8 ) f 2 9 1 第二章薄膜的基本理论 e = e oe x p i c o ( t 一叫v ) ( 2 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 描述了一个角频率为的平面波，它以速度v 沿x 轴传播。要使( 2 1 0 ) 成为方程( 2 9 ) 的解，必须满足： c 4 丁c o l l r 2 “一l 。 v 面 令= 形，显然，n 是介质固有的一个无量纲的参数，则上式可变为； n 2 ：e u i 4 z g b 所以的解的形式如f ： 2 = 一i k ( 2 - 1 1 ) 通常将，z 称为折射率，k 称为消光系数，称为介质的特征光学导纳，可能是 一个复数。 又因为电磁波的波长x 、频率 角频率u 以及波速c 四者有如下关系： c ： f = 兄兰 ( 2 1 2 ) 综合式( 2 11 ) 、( 2 - 1 2 ) 和( 2 1 0 ) 可得： o e x p ( 一等工h p 一孕 p 由式( 2 一1 3 ) 可以看出，波在介质中行进距离x 所产生的相移，与真空中行程为h x 的相移相同，肝x 被称为光程。 另外，假设电磁波沿单位矢量角定的方向传播，根据麦克斯韦方程，可以 得出e 、h 和n 之间的关系： 旦： ( 2 1 4 ) 2 2 单一界面的反射率 光学膜系通常包含各种均匀介质之间的许多界面，单个界面的反射是最简 单的情况，如图2 1 所示。图中口是包含入射波波前的介质的特征光纳，是 第二种介质的特征光纳。 华南理丁大学硕士学位论文 斟2 - 1单一界面的反射率 f i 2 2 1r e f l e c t i o no ns i n g l ei n t e r f a c e 定义界面z = o ，对于界面上所有x ，y 以及时间，的值，e 和日的切向分量 都应当是连续的，存在： n os i n o o = 1s i n o l( 2 1 5 ) 式( 2 15 ) 中口0 和只分别是入射角和折射角，该式称为斯涅尔折射定律，它对透明 的或吸收的介质都同样适用。 现在考虑波垂直入射的情况。由于波是垂直入射的，故e 和h 都与界面平 行，并且在界面两边它们都是连续的。因为在第二种介质中没有反射波，故 h l = h ，= n 1 ( 七e i )( 2 1 6 ) 在入射介质中，有正方向行进和负方向行进的两种波，它们的分量分别用符号 日，乓，日j ，日i 来标记。应用边界条件可得 e ，= e i = 舔+ ( 2 - 1 7 ) h ，= h 1 + = n o ( k x 彤+ k x 区)( 2 1 8 ) 综合式( 2 1 6 ) 、( 2 - 1 7 ) 币1 1 ( 2 1 8 ) 可得 弘糕瑶锕 p 1 9 ) 式( 2 一1 9 ) 中，是振幅反射系数，又称为菲涅尔反射系数。由坡印廷矢量表示式给 出了能量反射系数r 肚 糕脯i ( n o - “n 1 ，j p ：。， l 0 + 1 八0 + 。j 、 7 上述考虑的是垂直入射时的情况。如果光是倾斜入射的情况，只需要引进一 个修正光纳n 。任何特定方位都可以归结为两个标准方位的组合： a 当e 在入射平面内时，称为t m 波或p 偏振波 b 当e 垂直于入射平面时，称为t e 波或j 偏振波 对于t m 波，h 与界面平行，而e 成倾斜角口，有 第二章薄膜的基本理论 叩”2 面 对于t e 波，e 与界面平行，而h 与界面成倾斜角0 ，有 叩e = n c o s 0 因此，倾斜入射时的菲涅尔系数可写成 ，：盟 ( 2 2 1 ) 2 3 薄膜的矩阵表示 2 3 1 单层薄膜的矩阵表示 当膜层中各个波之间的相位差不随时间改变时，称为薄膜。因为膜厚只有 几个波长，所以这个条件对于常用的光学膜系中的膜层总是成立的。如图2 - 2 所示 图2 - 2 单层膜结构示意闰 f i g 2 2 s c h e m a t i co fs i n g l el a y e rf i l ms t r u c t u r e 在膜层与基片之间的界面b ，完全可以按照2 2 节推导的单一界面来处理， 根据式( 2 - 2 1 ) 口j 以推导出，单层膜的特征矩阵表示： 慧。抽翟n 其中6 = f 2 兀哆 。时，反射率在光学厚度为 4 的奇数倍处出现极大值；相反，反 射率出现极小值，变化趋势如图2 - 4 所示，这一特征被后面的膜厚监控系统所 验证。 2 4 本章小结 茬 i l d 图2 4r 随n d 的变化曲线 f i g 2 4t h e v a r i a b l ec u r v eo fr a c c o r d i n g t on d 本章叙述了处理薄膜问题的基本方法一解麦克斯韦方程，并推导出膜系特 征矩阵，为膜系设计和膜厚监控系统的实现提供了理论根据。 华南理t 大学硕士学位论文 第三章极值法控制原理及膜厚监控系统 3 1 极值法原理、精度及其技巧 极值法是当薄膜的光学厚度n d 达至0 4 的整数倍时，薄膜的反射率或透射 率出现极值，据此来判断薄膜的光学厚度。 3 。1 1 极值法的物理原理n 1 对于小角度入射的k 层凡4 介质膜系，其光学导纳为 y = ( 为奇数) ( 膏为偶数) 其中n j ( ，= 1 , 2 ，t ) 为各层膜折射率， 。为基底折射率，又知道反射率极值为 耻( 等 2 对于高低折射率交替的 4 膜系来说，上式可变为 y ：，1 - 4 r 七为偶数 1 + r 。 y ：，l + 4 r m i 为奇数 1 一r 。 阕而，膜系最外层膜料的折射率为 ：兰丛 肝1 ” 玎= ! z ! ：! ! 玎3 行5 。珂一 ( 1 + 万) 凡 1 1 万 几万 1 ( 1 + 巧) 以 为奇数 t 为偶数 根据此式可依次由极值反射率计算出各层的折射率值n ，最后由f j d j = 4 训算出各层厚度d ，= , t , 4 n ，a 第三章极值法控制原理及其膜厚监控系统 3 1 2 极值法监控原理 如图3 - 1 所示，在折射率为n ：的基片上镀制上一层折射率为n ，厚度为d 的薄膜，入射光i ，从折射率为y 。的介质入射，出射光为o ， 0 h 啦 图3 - 1干涉极值法监控原理图 f i g 3 - lt h em o n i t o rs c h e m a t i c o fi n t e r f e r ee x t r e m u mm e t h o d 该系统的透射系数为 r ， p 叫。 1 + r , r ，e 1 6 1 其中，t 1t ：，l ，屹分别为界面1 ，2 的透射和反射系数，艿。为膜层的相位厚度， 西= 2 册d c o s 0 1 a ，0 。为光线在膜层内的折射角，在垂直入射的情况下，0 1 2 0 因而，系统的透射率为 7 1 一生 1 1 m l + r 2 2 r c o s f 4 7 l ”1 d | 1 兄 其中，t 为出射光0 的光强与入射光i 的光强之比，t = f ：，= r , r 2 ；由上式 可见，出射光0 的强度随h i d 而变，当nl d ，= m a , 4 ( m = 0 ，l ，2 ，3 ，) 时，透射率t 出现极值，利用这一特点，我们可以将膜层的厚度控制成四分之一波长整数倍 的厚度。 3 1 3 极值法控制的精度 假定在控制1 4 波长单层膜时，在判断终止点时的反射率有一误差v ，这将 在膜层的相位厚度d ，中产生相应的误差妒，即 弘庐 现在来分析原始反射率误差v 和膜层的相位厚度误差之间在量值上的关 系。当光纤垂直入射时，膜层( 折射率为n 1 ) 和基片( 折射率为r 1 2 ) 的特征矩 阵为 1 9 l 岫c o s s , 如i 啷n 5 1 铲删 t 华南理工人学硕士学位论文 l ，一c i n , ( 1 - 庐- - - 2 ) + n 2 # b 庐+ f 竺( 1 一嬖) 1 z ( 竹一鱼) 2 r = ! ! ( 。+ 鱼) z 1 n i 因此v 和西之问有如下关系 v = 太r = ，+ 竺：蛊： l + 1 一西2 ( 一生) 2 1 ( n 。一垒) 2 胛 2 = 印2 式中。取决于膜层的折射率和基底的折射率。由上式可得到反射率的判断 误差所引起的膜层中的相位厚度的相对误差为 p ：l 。! ! - - ；+ 庐等” 通常极值法反射率的判读不可能优于相对反射率变化的1 ，在许多情况 f ，特别在噪声比较大的情况下，还不可能达到这个精度。典型的情况是对于 在玻璃上( n ：= 1 5 2 ) 控制2 , 4 的z 。s 膜层( m = 2 3 5 ) ，由n l 和”：可以确定比例常数 j = o 6 1 4 ，则在不同的监控精度下，其对应的膜层控制相对误差如下： 表3 一l 单层z 。s 在不同监控精度下膜厚的相对误差 t a b l e3 1t h er e l a t i v ee r r o ro f s i n g l ez 。si nd i f f e r e n tm o n i t o rp r e c i s i o n j v 0 0 10 0 0 10 0 20 0 0 20 0 5 lo o 0 8 l0 0 2 6o 1 1 40 0 3 60 1 8 2 1 4 鲁珞 = r 时差误有没于 第三章极值法控制原理及其膜厚监控系统 对于多层膜，如果用组合导纳y 代替基片折射率n ，则上面的式子便可用 来确定多层膜的厚度误差情况。 极值法控制精度较低的原因是由于在极值点附近反射率或透射率对于厚度 的变化不灵敏，在接近极值点时，信号变化微弱，操作者难以判断；另外，在 实际镀膜过程中，有些材料( 如s i 0 2 ) 随着蒸发速率的提高会比较快的达到极 值点，这使得操作者不能很及时的判断极值点，当操作者意识到时，可能已大 大超过了正确的厚度，因此只有熟练的操作者才能达到理论上预示的精度。 3 1 4 极值法控制的技巧 极值法监控有两种控制方式：一种是直接控制，全部膜层自始至终直接由 被镀样品进行控制；另一种是分离控制，控制是在一系列的控制片上进行的。 理论和实践上都论证了直接控制对窄带滤光片控制的合理性。首先，在控 制波长上，相邻膜层之间自动地进行膜厚误差的补偿，但这种补偿仅对一个波 长有效，所以在制备包含非规整厚度的多层膜时，需要采用分离控制，即将具 有相同或相近的波长的膜层用同一个控制片监控，充分利用膜层之间这种补偿 作用弥补由单层膜厚度控制的不精确造成的误差；其次，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1 8 j 。 ( 1 ) 过正控制法 极值法监控的缺点就是在薄膜的光学厚度快达到控制波长的1 4 的整数倍 时，由光强变化所引起的膜层反射率的变化极其缓慢，从而使极值点的判断不 精确。过正控制就是为了克服在极值点附近膜层的反射率或透射率对膜厚变化 不灵敏这一极值法的固有缺陷，将停镀点移到极值反转后的某一反射率处，其 原理如图3 2 所示： 图3 - 2 过正控制法示意图 f i g 3 - 2s c h e m a t i co f o v e re x t r e m u mc o n t r o l 从图3 2 中可看出，在停镀点p 处，曲线斜率变化平缓，膜层的反射率变 化r ，所引起的薄膜的光学厚度的变化为n d l ，引入一致性的过正量a 后，停 华南理工火学硕士学位论文 镀点跟着变为q 点，在q 点处斜率变化比较明显，对于同样的反射率变化r ， 所引起的薄膜光学厚度的变化为n d 2 ，显然n d 2 1 ，经过n 次方后就是a n ，b “。若取n = 3 ，则其差值a b = a b ， 就变成。b = a 3 一b 3 = ( a 2 + a b + b 2 ) a