光学薄膜制备中的膜厚监控系统
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。
薄膜厚度检测原理及系统
薄膜厚度检测原理及系统
薄膜厚度检测系统的工作原理是基于光学干涉的原理。
当一束光在两个不同介质之间传播时，其中一部分光被反射，一部分光被穿透，并在两个介质的交界面上发生干涉。
干涉效应会引起光的相位差，从而引起干涉条纹的出现。
在薄膜厚度检测系统中，通过控制光源的波长和角度，以及检测器的位置和接收光强，可以测量出干涉条纹的参数，进而计算出薄膜的厚度。
下面是薄膜厚度检测系统的详细原理及工作流程：
1.光源选择：根据薄膜的材料和特性选择相应的光源，例如白光源、激光器等。
光源的稳定性和光谱宽度对测量精度有很大影响。
2.光束分束：将光源发出的光束分为两束，一束直接照射到薄膜上，另一束经过参考表面反射后照射到薄膜上。
两束光线在薄膜交界面发生干涉。
3.干涉条纹采集：使用探测器或摄像机采集干涉条纹的光强分布。
探测器可以是光电二极管、CCD等。
4.光强信号处理：将采集到的干涉条纹光强信号转换为电信号，并经过放大、滤波等处理，以提高信噪比和测量精度。
5.干涉条纹分析：利用光学干涉的原理，通过对干涉条纹的分析，得到薄膜厚度的参数。
6.数据处理和显示：将薄膜厚度参数输入到计算机中，进行数据处理和结果显示。
可以实时展示薄膜的厚度测量结果。
薄膜厚度检测系统的优点是非接触式测量，能够快速、准确地测量薄膜的厚度。
同时，该系统还具有高精度、高稳定性和高重复性等特点。
在电子、半导体、光学和涂料等行业中，薄膜厚度检测系统被广泛应用于质量控制、工艺优化和新材料研发等方面。
光学薄膜制备工艺
辅助系统
加温 充气 工件架 离子轰击 比较片架
温度测量与控制 真空度测量与压强控制 公、自 转 ，均匀性调整 直流与射频 透射、反射、内反射
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改进蒸发工艺、改善膜层的微观结构
基本的思路：附加一定的能量到被镀的表面上去，利用这 些能量移开弱束缚的粒子，使达到基板的材料粒子有高的 迁移率。由于附加了能量，膜料粒子可以穿透比较远的距 离，去找到一个有比较强束缚的位置。从而使膜层的结构 得到改善。
具体实施办法：在膜层沉积的同时，利用电子、光子、离 子将能量附加到基底上去，这不仅有利于清洁被镀表面， 也增加了膜层的致密度。
因油蒸汽喷出的速度不够快而会在到达泵壁前就
因碰撞而升向泵顶，造成严重的返油现象。所以，
扩散泵的加热时间不能太短，一般约需40分钟左
右。
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真空测量
10~10-1 Pa气体 热传导与气压 关系明显,这是 它的测量范围
10-2~10-6Pa离子流正比与气压， 这就整理是课件它的测量范围
• 冷阴极电离真空计
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光学膜厚监控系统
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石英晶体法监控膜厚，主要是利用了石英晶体的两个效应，即 压电效应和质量负荷效应。
石英晶体压电效应的固有频率不仅取决于其几何尺寸，切 切割类型而且还取决于晶片的厚度。当品片上镀了某种膜层， 使品片的厚度增大，则品片的固有频率会相应的衰减。石英晶 体的这个效应是质量负荷效应。石英晶体膜厚监控仪就是通过 测量频率或与频率有关的量进行膜厚测量的
近十几年的趋势是利用荷能的离子完成基片清 洁和改善膜层结构的任务
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离子体增强的离子辅助技术
• 等离子源采用热阴极、筒状 阳极及轴向发散形磁场，在 辅助沉积过程中，放电气体 (Ar气)进入APS源，放电产生 的等离子体在交叉电磁场的 作用下被拔出APS，并在电磁 场作用下漂向基板，放电气 体形成的等离子体形成一个 园维体充满基板下的空间。 这时充入反应气体(O2等)，等 离子体电离并激活反应气体 及从电子枪蒸发出的材料分 子，并在基板上得到符合化 学计量比的电介质薄膜。
光学膜厚控制极值点自动判停
光学膜厚控制极值点自动判停引言光学膜厚控制是光学薄膜制备过程中的关键步骤。
在制备光学薄膜时，通过控制膜层的厚度可以实现对光的透射、反射和吸收等性质的调控。
为了获得所需的光学性能，必须控制膜厚在一定的范围内。
本文将介绍一种光学膜厚控制的方法，即通过自动判停技术实现对膜厚极值点的控制。
1. 光学膜厚控制的意义和挑战光学膜厚控制是光学薄膜制备过程中的关键步骤，对于薄膜的光学性能和应用具有重要影响。
在制备光学薄膜时，常常需要控制膜厚在极值点附近，以实现所需的光学性能。
然而，由于制备过程中存在多种因素的影响，如材料的性质、制备条件的变化等，使得膜厚的控制变得非常复杂和困难。
传统的膜厚控制方法主要依赖于人工操作，即通过人工观察和判断来控制膜厚。
这种方法存在人为误差大、效率低下、稳定性差等问题。
因此，开发一种自动化的膜厚控制方法具有重要意义。
2. 自动判停技术的原理自动判停技术是一种基于光学测量原理的方法，通过测量光学薄膜的反射光或透射光的强度，实时监测膜厚的变化，并根据预设的极值点进行判断和控制。
自动判停技术的实现主要包括以下几个步骤：2.1 光学测量利用光学测量仪器，如反射光谱仪、透射光谱仪等，对光学薄膜进行测量。
通过测量反射光或透射光的强度，可以获取膜厚与光学性能之间的关系。
2.2 极值点的设定根据需要控制的光学性能，确定膜厚的极值点。
极值点可以是最大值、最小值或特定的数值范围。
2.3 判停条件的设定根据测量结果和极值点的设定，设置判停条件。
判停条件可以是膜厚达到极值点附近的一定范围，或者是膜厚的变化率小于某个阈值等。
2.4 控制信号的输出根据判停条件的满足情况，输出控制信号。
控制信号可以用于停止膜厚的增加或减少，或者调整制备条件以实现膜厚的控制。
3. 自动判停技术的优势和应用自动判停技术相比传统的人工操作方法具有以下优势：3.1 准确性高自动判停技术利用光学测量仪器进行实时监测和测量，避免了人为误差，提高了膜厚控制的准确性。
光学膜厚监控技术
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 ） 。
光学薄膜厚度自动监控系统的研究的开题报告
光学薄膜厚度自动监控系统的研究的开题报告一、研究背景及意义光学薄膜应用广泛，涉及到太阳能电池、军事设备、通信器件等领域。
薄膜的光学性能是决定器件性能的关键因素之一，而薄膜的光学性能与薄膜厚度密切相关。
因此，对薄膜厚度的精确控制具有重要的意义。
传统的薄膜厚度检测方法主要包括光学反射法、X射线荧光法、扫描电镜法等，这些方法操作复杂、成本高，不适合应用于生产线上的实时监控。
因此，开发一种可自动、快速、准确监控薄膜厚度的系统，对提高薄膜制备质量、优化生产效率、降低生产成本具有重要的意义。
二、研究现状目前国内外已经有部分研究对光学薄膜厚度自动监控系统进行了探索和研究。
如美国三菱化学(Mitsubishi Chemical)、日本泰克(TOC)、德国莱宝(Leica)等企业已经研制开发出相关产品，并已成功应用于实际生产中。
国内也有相关研究，例如北京大学的杨永辉研究团队开发了一种基于激光干涉的光学薄膜厚度测量系统，并应用于光学器件的生产制造。
此外，中国科学院光电技术研究所的张乐研究团队提出了一种基于红外光谱法的薄膜厚度监测方法，在实验中取得了良好的效果。
然而，目前国内外尚不存在一种完全适用于各类光学薄膜的厚度自动监控系统。
因此，对开发一种性能优良、成本低廉、通用的光学薄膜厚度自动监控系统进行深入探究和研究具有迫切需要。
三、研究内容1、光学薄膜厚度监控的基本原理研究以传统的光学反射法为基础，研究不同光学薄膜体系在特定波长处的反射光强度与薄膜厚度的关系，建立光学薄膜厚度监测的基本原理。
2、系统构建与设计根据光学薄膜厚度监控的基本原理，设计基于光电二极管(光敏器件)与单片机的监测系统。
具体包括光电二极管的光电转换模块、模数转换模块、单片机控制模块等。
3、实验与数据处理通过制备不同厚度的光学薄膜，检验厚度监测系统的精度和稳定性。
将实验数据进行处理，建立薄膜厚度与光电二极管输出信号之间的数学模型。
四、预期成果本研究旨在开发一种可自动、快速、准确监控光学薄膜厚度的系统，预期成果包括：1、建立光学薄膜厚度监测的基本原理，建立光学薄膜厚度与光电二极管输出信号之间的数学模型。
光学薄膜厚度实时监测系统的研究与实现的开题报告
光学薄膜厚度实时监测系统的研究与实现的开题报告一、选题背景及意义光学薄膜作为光学器件中重要的一种，广泛应用于光学分析、激光、通讯、光电显示等领域。
而薄膜的性能与其制备过程有着密切的关系，因此制备过程需要实时监测薄膜的厚度来保证制备出符合要求的薄膜。
近年来，随着微纳米技术的发展，光学薄膜的制备要求越来越高，因此实时监测薄膜厚度的方法也在不断地进行改进。
本课题旨在研究光学薄膜厚度实时监测系统，在实际应用中能够准确、高效地监测薄膜厚度，提高薄膜制备的精度，为光学薄膜的制备与应用提供有力的技术保障。
二、研究内容（1）研究光学薄膜制备过程中厚度的测量方法，包括显微镜测量、椭偏仪测量以及透射法测量等方法，分析其优缺点，并选择最适合实时监测的方法。
（2）设计并制作光学薄膜厚度监测系统，包括机械、电气、软件等方面的设计，确保系统的稳定性和准确性。
（3）对该系统进行实验测试，通过对制备出的薄膜厚度进行实时监测，验证该监测系统的可行性和有效性。
三、研究计划第一年：（1）对光学薄膜厚度测量方法进行研究与比较，确定最适合实时监测的方法。
（2）研究并设计光学薄膜厚度监测系统的机械和电气部分。
第二年：（1）完成光学薄膜厚度监测系统的软件设计与开发。
（2）制作光学薄膜厚度监测系统的完整装置并进行初步测试。
第三年：（1）对制备出的光学薄膜进行实时监测测试，评估监测系统的准确性与稳定性。
（2）对光学薄膜厚度实时监测系统进行改进与优化。
四、预期成果（1）对一种光学薄膜厚度测量方法进行深入研究，并确定其具有较好的实时监测性能。
（2）设计并制作出可靠、高效、准确的光学薄膜厚度实时监测系统，为光学薄膜制备提供技术保障。
（3）在实验测试中验证该监测系统的可行性和有效性，为光学薄膜制备和应用提供更好的支持。
光学膜厚监控方法
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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二、分束膜
正确
NPBS
错误
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PBS
二、分束膜
分束膜根据镀膜材料还有金属分束镜 和介质分束镜两种。 两种分束镜各有优缺点，可根据不同 的使用要求和工艺水平采用不同类型。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
金属分束镜的优缺点
干涉截止滤光片的分类
可以分为长波通和短波通两类，见下图
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长波通滤光器
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短波通滤光器
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四、带通滤光片
从光学薄膜的角度来讲，最有意义的进展 是 1899 年出现的法布里 - 珀珞干涉仪。它是 干涉带通滤光片的一种基本结构。而自从 1940 年出现金属 - 介质滤光片以来，它已经 在光学、光谱学、激光、天文物理学等各个 领域得到了广泛的应用。
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光学薄膜的类型
根据其作用，可以简单的分为 ¾1、减反射膜或者叫增透膜 ¾2、分束膜 ¾3、反射膜 ¾4、滤光片 ¾5、其他特殊应用的膜
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一、减反膜
1、减反膜的作用 o 增加光学系统透过率 o 减少杂散光 o 提高象质 o 增加作用距离
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一、减反膜
2、减反膜按层数分类 o 单层减反膜
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一、减反膜
o 双层减反膜
单层膜、λ/4-λ/4和λ/2-λ/2型双层增透膜理论曲线
5 4 % Reflectance 3 2 1 0 400 450 500 550 600 Wavelength (nm) 650 700
二、分束膜
一般来讲，分束膜总是倾斜使用，常用的是 45度。分束膜有两种：中性分束膜（也就是一 般讲的消偏振NPBS）、偏振分束膜（也就是通 常讲的PBS）。 中性分束镜有两种结构：平板型和棱镜型。 而PBS一般都用棱镜。平板结构由于不可避免的 象散问题所以只用于中低要求的光学装置。
复旦大学 张荣君 rjzhang@
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光学薄膜在光学系统中的作用
¾提高光学效率、减少杂光。如高效减反射膜、高反射膜。 ¾实现光束的调整或再分配。如分束膜、分色膜、偏振分光膜就 是根据不同需要进行能量再分配的光学元件。
¾通过波长的选择性透过提高系统信噪比。如窄带及带通滤 光片、长波通、短波通滤光片。 ¾实现某些特定功能。如ITO透明导电膜、保护膜等
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三、滤光片
1、干涉截止滤光片 要求某一波长范围的光束高透，而偏离这一 区域的光束骤然变为截止------干涉截止滤光片。 此类膜有广泛用途，如照明用冷光碗上的冷光 膜、舞厅里色彩变幻的旋转灯及IR- CUT都属于 此类。
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优点：中性好，光谱范围宽、偏振效应小、制作简单 缺点：吸收大、激光阈值低 使用注意事项：光的入射方向
介质分束镜的优缺点
优点：吸收小，几乎可以忽略 缺点：光谱范围窄、偏振分离明显、角度 效应明显
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三、滤光片
一般我们把改变光束性质或者颜色的膜叫做 滤光膜。 常见的有： 1、干涉截止滤光片 2、带通滤光片 3、金属滤光片 4、负滤光片
一、减反膜
3、另一种分类 ¾单点减反 ¾宽波段减反（超宽波段） ¾双波段减反 ¾宽角度减反
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减反膜几个重要的技术指标
使用的波段 使用的角度或者角度范围 剩余反射率要求 使用环境 在激光领域还有激光阈值要求
复旦大学 张荣君 rjzhang@
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一、减反膜
o 多层减反膜
5 4 % Reflectance 3 2 1 0 400 450 500 550 600 Wavelength (nm) 650 700
K9基底上各种设计的增透膜理论曲线比较
复旦大学 张荣君 rjzhang@
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当前最热门的应用领域
1、数码相机用的红外截止滤光片(IR-CUT) 2、投影显示光学系统----包括LCD、DLP、 LCOS 3、光通信：DWDM (dense wavelengh division multiplexer)滤光片 4、减反射膜----永远的热门
那么要薄到什么程度呢？
¾定性的讲：它的厚度应该和入射光波长相比拟 ¾物理意义上讲：能引起光的干涉现象的膜层
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与光学薄膜技术密切相关的产业
¾眼镜镀膜----AR ¾滤光片 幕墙玻璃----AR 液晶领域----ITO膜
¾车灯、冷光镜、舞台灯光滤光片 ¾光通信领域：DWDM、光纤薄膜器件 ¾红外膜 ¾激光领域----激光反射腔高反射膜 ¾CD、DVD驱动器 ¾投影显示 ¾数码领域
干涉截止滤光片的几个重要指标
1．透射曲线开始上升(或下降) 时的波长以及此曲线上升(或下 降)的许可斜率 2．高透射带的光谱宽度、平均 透射率以及在此透射带内许可 的最小透射率 3．具有低透射率的反射带(抑 制带)的光谱宽度以及在此范围 内所许可的最大透射率。
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光子学器件与工艺
教 师：张荣君 副教授 办公室：微电子搂B202室 电 话：65643559 E-mail：rjzhang@
光科学与工程系
提 纲
光学薄膜 光学镀膜材料 光学薄膜制备的厚度监控
复旦大学 张荣君 rjzhang@
光学薄膜
¾所谓光学薄膜，首先它应该非常薄。 ¾然后它应该会产生一定的光学效应。