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第二十八章 单波长光学膜厚监控原理简介

  • 分类:工艺讲堂
  • 作者:工艺部
  • 来源:成都国泰真空设备有限公司
  • 发布时间:2022-06-22
  • 访问量:757

【概要描述】对光控原理进行了简述,给出了行之有效的计算公式。对目前镀膜设备中普遍应用的比例法进行了讲述,并用比例法对光控的补偿效应进行了示例。

第二十八章 单波长光学膜厚监控原理简介

【概要描述】对光控原理进行了简述,给出了行之有效的计算公式。对目前镀膜设备中普遍应用的比例法进行了讲述,并用比例法对光控的补偿效应进行了示例。

  • 分类:工艺讲堂
  • 作者:工艺部
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  • 发布时间:2022-06-22
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  全文共分五部分。

  (一) 膜厚监控方法类别

  (二) 单波长光学膜厚控制原理

  (三) 单一波长比例法由来

  (四) 光控厚度补偿示例

  (五) 小结

(一) 膜厚监控方法分类

  膜厚监控技术作为薄膜制备工程中的一项关键技术,始终是工程师关注的重中之重。镀膜过程中的膜厚监控要求是对光学薄膜的厚度进行非接触、无损的、实时的测量,并在达到所需厚度时能及时给出控制信号。

  膜厚通常有两种表征方式,即物理厚度和光学厚度。与之相对应的常用膜厚监控方法为石英晶振法(晶控)与光学膜厚监控法(光控)。

  光控的优势在于:

  Ø 可以直接测量光学厚度;

  Ø 能反映出与薄膜折射率和吸收有关的附加信息;

  Ø 可对膜厚误差进行一定程度的自动补偿。

  相比之下,晶控只能测量膜层的物理厚度,不能直接反映出光学厚度。因此,在当前高精度光学镀膜应用中,常用晶控来监控成膜速率,光控来控制膜厚。

  光控技术又称光电检测法,根据具体的厚度判断方法可分为极值法、微分法、波长调制法、双色监控法、定值监控法、变波长极值法、宽光谱扫描法等。不论采用何种厚度判定方法,都可分为单波长法和多波长法(或称宽光谱法)。

(二) 单波长光学膜厚控制原理

  光控的结构示意可参考图1。通常情况下,光以一个微小的角度入射在光控片的背面。当薄膜开始沉积时,反射率和透过率开始发生变化。

图1光控结构示意

  假设光控片折射率为n0,薄膜折射率为n。空气折射率为1。为计算方便,假设光路中的出射光是垂直入射。由此,可以得到薄膜厚度d与反射率和透过率的关系:

  透过率:

  常见书籍在此处的推导可能有坑,与我的公式有些微不同。感兴趣的读者可以自己验证下哪个更好使。

  图2给出了薄膜折射率为1.38时,随着光学厚度增加,光谱特性的变化情况。当薄膜厚度达到1/4波长光学厚度的奇数倍时,反射率和透过率出现极值。由此,可推算出薄膜的折射率。

  当薄膜厚度达到1/4波长光学厚度的偶数倍时,反射和透过光会和基板的光谱重合。由此,可推算出薄膜折射率的不均匀性。

  这种光学特性,让光控具有了超越晶控的膜厚控制精度。所以光控最初出现的时候,采用的就是极值控制法。

图2 低折射率薄膜沉积过程中的光谱变化(薄膜1.38,基板1.52)

(三) 单一波长比例法的由来

  光电极值法的典型缺陷在于:在极值附近时,反射率或透过率的变化最慢,容易造成信号误判,出现多镀或少镀的情况。可以用每单位光学厚度透过率的变化情况ratio,来衡量光控信号变化快慢。

  图3 不同光学厚度的信号变化快慢情况

  如图3所示。纵坐标代表变化率,数值0表示变化最慢,越偏离0,变化越快。

  可以清晰的看到。光学厚度在1/8光学厚度的奇数倍时,信号变化最快。光学厚度在1/8光学厚度的偶数倍时,信号变化最慢。因此,采用极值法容易出现厚度偏差。

  采用比例法可以改善这种情况。其工作方式及原理见图4。这里假定薄膜的折射率大于光控片本身。A为光量结束值与峰值之差的绝对值,B为光量峰值与起始值之差的绝对值。通过控制A与B的比例ratio来控制薄膜的厚度。

  因此,在控制软件中,有两个关键控制参数:

  峰谷数(peak数)以及ratio。

  其优点在于可根据极值点探测到薄膜折射率的偏差,并能在发生偏差后,保证薄膜的光学厚度尽可能接近设计值。

  因此,ratio应该是光控片上薄膜厚度薄膜折射率及基板折射率的函数。关于他们之间的关系,后续会专门发文讨论。

  图4比例法控制厚度的示意图

(四) 光控厚度补偿示例

  众所周知,光控具有厚度补偿效应。对于规整的1/4波长光学厚度,如果监控波长与中心波长一致,则补偿效用会体现的淋漓尽致。

  很多书都对此有所讨论。其原理可以简单概述如下:对一个规整的HL膜对,如果监控波长与中心波长一致,此时光控曲线会在H镀完后出现第一个拐点,L镀完后出现第二个拐点;第二个拐点就意味着这两个膜层的总厚度必然是1/2倍光学厚度。因此,如果H镀膜出现了误差,比如多镀了光学厚度Δ,那么第二层就会少镀类似的光学厚度Δ,满足总厚度是1/2倍光学厚度,从而出现第二个拐点。

  笔者在这里用比例法进行举例说明。

  假设薄膜第一层为1.25H,第二层为L,理论计算过第一个peak时判停,此时L厚度为0.9L。

  实际镀膜时,薄膜第一层只有1.2H,然后开始了第二层,过第一个peak时依旧判停,此时L厚度为0.92L。

  这意味着,实际镀膜中,虽然H有少镀,但L会多镀。即后一层对第一层起到了一定的补偿作用。

  需要注意的是,这种补偿并非完全百分百的厚度补偿。补偿后的光谱特性也不能完全弥补理想膜堆。合理选择监控波长,可最大程度发挥补偿效应。

  厚度补偿效应是自动存在的。因此,光控镀膜中经常出现高低折射率材料tooling失配的情况。

图5比例法光学厚度补偿示意

(五) 小结

  对光控原理进行了简述,给出了行之有效的计算公式。

  对目前镀膜设备中普遍应用的比例法进行了讲述,并用比例法对光控的补偿效应进行了示例。

  光控的控制参数主要包含:监控片,监控波长,起始值,峰谷数,ratio(final swing)等。不同的监控方案套餐,会得到迥然不同的膜厚控制精度。某些特殊情况下,控制精度甚至弱于晶控。

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