宽光谱膜厚监控仪的研制

　　1　引　言

　　在真空镀制薄膜过程中,为了制得合乎要求的膜层,要对光学薄膜参数加以监控。而厚度是最重要的参数,目前对其测量和监控的方法主要有两大类:一是利用石英晶体的质量变化和谐振频率之间的关系,间接测量所镀膜厚。其特点是灵敏度高且易于控制,但最大的缺点是在镀膜过程中无法知道制备过程的光谱特性从而达到及时修正所镀曲线的误差。另一类是光学监控方法,按判别方法又可分为转值法、定值法和宽光谱监控等。其中,转值法和定值法都是以单波长信号作为监控对象,所以在窄带滤光片镀制的过程中得到很好的应用,而对较宽波带或多波长都有要求时则显得先天不足。与之相比,宽光谱膜厚监控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。

　　法国马塞国家表面和光学薄膜实验室的E.Pettetier等在1978年提出以评价函数进行膜厚控制,并在1981年发表了用宽带法制备的一个11层长波通滤光片的结果。1986年,加拿大国家研究院的Powell等建立了一台7通道宽带监控系统。之后,国内外的不少从事薄膜研究的工作者对此作了大量的研究。我们实验室也在这方面进行了探讨,在此首先介绍宽光谱膜厚监控原理和评价函数,然后重点介绍系统硬件和软件组成,最后给出实验结果并对其精度进行分析。

　　2　宽光谱膜厚监控原理

　　图1为宽光谱膜厚监控系统原理图。假设没有控制片时的系统接收到的光能量为φA(λ),并设:Tr和Rr分别为控制片后表面的透过率和反射率;T0,R0和Ti,Ri分别为控制片前表面镀膜前和镀膜后的透过率和反射率。那么在镀膜开始前透过的光能量为:

　　在镀膜过程中透过的光能量为:

　　结合(1)式和(2)式可得:

　　当制备多层膜时,第i层的透过率Ti不但与该层的折射率ni和膜厚di以及所测的波长λ有关,而且与前i-1层膜中每层的n和d有关。若前i-1层膜的n和d已知,以及第i层膜折射率ni稳定的情况下,则Ti仅与所测波长λ和厚度d有关,即:Ti=Ti(λ,d)。若第i层膜厚之设计要求为di,则镀完第i层膜后,理论上的透过率情况为:A0i=Ai(λ,di)。于是,在λ1到λ2的整个宽光谱区间内,变量d与设计值di所表现出的光谱透射情况为:

　　式(4)中fi为第i层的评价函数。在镀制过程中,当d逐渐逼近di时,应达到一极小值,这样就可达到监控膜厚的目的。为处理计算的方便,可将(4)式写为:

　　式中以镀膜前和镀膜后的透过光能量φ0(λ)和φi(λ)来取代实时确定透过率,其中τi是镀制每层膜前计算出的相对透过率,其值为: