一种新型多功能快速分光式膜厚仪

　　1　引　言

　　随着微型计算机多媒体技术的发展和普及,光学薄膜在液晶显示屏,CRT显示器等方面广泛应用。为了提高光学薄膜的生产效率和改善产品质量有必要逐步导入人工智能镀膜新技术。为了满足市场需要,我公司研制了多功能快速分光式膜厚仪(OPM-M1)。该系统采用高灵敏度CCD传感器,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。

　　该膜最仪的光谱范围350～750nm,扫描时间100ms～1.0s,波长分辨力为2.0nm,信噪比小于0.02%,温漂低于0.1%/h。

　　2　装置的组成

　　该膜厚仪系统如图1所示,由光源部分、分光器及光接收部分组成。光源采用碘钨灯(12V120W)并配置高稳定度电源,低速斩波器。光源和真空槽之间由多芯石英光纤连接,光纤的直径为1.2mm。该膜厚仪采用小型分光器,焦点距离为90mm,并用高分辨力平面光栅( 1200条/mm)。膜厚仪的光信号接受部用高灵敏度CCD传感器(感光面积为2.5mm×25mm,512/1024像素),积分式低噪声放大器,模数转换器,以及信号处理用的16位微处理器组成(见图2)。

　　下面介绍该膜厚仪的主要特点。

　　我们知道,CCD传感器式光谱仪不宜采用调制光源,因为CCD传感器只宜用于直流光源或者缓变的交流光源。在实际的镀膜过程中,蒸镀槽内的电子枪及离子枪发出的杂光,会影响到试样的光量变化,使膜厚仪的控制精度低下。为此,我们在光源的出射口处设置了低速的斩波器。该斩波器由步进电机驱动,其转速受微处理器控制,斩波器的频率最高10Hz。因此,光源被调制成缓慢的明暗交替的光。在它的暗周期,膜厚仪测到的是蒸镀槽内的杂光加上CCD传感器的暗电流。在它的明周期,除此两项之外,膜厚仪测到光量信号。我们只要做一些运算就能算出纯光量信号,而除去杂光等影响。另外,由于传感器的暗电流得到补偿,放大器的温漂特性亦会改善。

　　我们比较了其他几家公司制的CCD传感器式光谱仪(例如PMA-50,MCPD-1000),结论是利用这类光谱仪当光学膜厚仪在近紫外域的灵敏度较低,控制精度上略为不足。我们分析,原因在于(1)光纤在近紫外域的损失。例如,石英光纤在波长350nm的透过率仅62%;(2)碘钨灯在波长350nm与波长700nm的光强度比约为24%;(3)CCD传感器灵敏度随波长而变,波长350nm与波长700nm灵敏度比约为28%。由此可知,整个系统在波长350nm与波长700nm的总的灵敏度比约为4.5%。

　　针对这些的情况我们采取以下对策,(a)在光路中装上波长补偿滤光片(LB-60),提高近紫外域光的相对透过率,使光强的分布平坦化;(b)增设了程控放大器PGA(放大倍数1～16),可以很方便地调节传感器的输出,以达到补偿传感器的目的。另外,还设置一路数模器作为参考电平送至加法放大器。这样可以增加放大器的动态范围,提高检测精度。