提高薄膜光谱性能的膜厚监控方法

摘要

一种用于计算机控制镀膜装置进行镀膜的提高薄膜光谱性能的膜厚监控方法，该方法包括该方法包括：(1)镀膜前向计算机输入镀膜参数：(2)通过计算机计算选择满足限制条件的监控波长λ和监控片数目，其中λMin＜λ＜λMax，得到一个与所镀膜系的镀膜监控表，包括所镀膜系按顺序的膜层、相应的监控波长和监控片序号；(3)镀膜等步骤。本发明能够自动选择监控波长和所需的最少监控片数目，采用比例式膜厚监控方法，减少了膜厚监控误差，提高了膜厚监控精度，可对规整膜系和非规整膜系进行监控。在膜厚监控系统控制精度不变的情况下，可有效地提高了薄膜的光谱性能。

主权项

1.一种用于计算机控制镀膜装置进行镀膜的提高薄膜光谱性能的膜厚监控方法，其特征在于该方法包括下列步骤：(1)镀膜前向计算机(30)输入镀膜参数：包括设计波长λ_D、高折射率材料折射率n_H、低折射率材料折射率n_L、基底折射率n_S、入射介质折射率n₀、最小监控波长λ_Min、最大监控波长λ_Max、所需镀制的膜系、所镀制膜系的波长λ₁的透射率优化目标Target_λ1和所镀制膜系的波长λ₂的透射率优化目标Target_λ2：(2)通过计算机计算选择满足限制条件的监控波长λ和监控片数目，其中λ_Min＜λ＜λ_Max，得到一个与所镀膜系的镀膜监控表，包括所镀膜系按顺序的膜层、相应的监控波长和监控片序号，所述的选择满足限制条件的监控波长λ和监控片数目的具体步骤如下：①首先，计算机程序初始化满足限制条件的层数K＝0，初始化监控片数目W＝1，初始化监控波长为λ＝d₁×λ_D/1.03，当λ＞λ_Max，取λ＝λ_Max；其中λ_Max为最大监控波长，λ_D为设计波长，d₁为第1膜层的厚度系数，初始化判别数F＝0，所述的判别数F用于判断是否已经将第一层膜拆分成两层，已经将第一层膜拆分成两层，则F＝1，第一层膜未拆分成两层，则F＝0；②然后根据下列公式(1)计算监控波长为λ时，第j层膜的厚度系数从0变化到d_j+1时的透射率变化曲线：$T_j=1-\left(\frac{n_0-Y_j}{n_0+Y_j}\right){\left(\frac{n_0-Y_j}{n_0+Y_j}\right)}^{*}---\left(1\right)$其中：n₀指入射介质的折射率，Y_j指基底和第j层膜的组合导纳，Y_j由下列公式(2)递推得到：$Y_j=\frac{Y_{j-1}\cos (\pi d_j{\lambda }_D/2\lambda )+{\mathrm{in}}_j\sin (\pi d_j{\lambda }_D/2\lambda )}{\cos (\pi d_j{\lambda }_D/2\lambda )+i(Y_{j-1}/n_j)\sin (\pi d_j{\lambda }_D/2\lambda )})---\left(2\right)$其中：n_j为第j层膜的折射率，Y₀等于基底折射率，d_j为第j层膜的厚度系数；将该第j层膜与基底的组合导纳Y_j代入公式(1)得到第j层膜的厚度系数从0变化到d_j+1时的透射率变化曲线，从该透射率变化曲线找到第j层膜停镀点之前的第一个理论极值点的透射率值T′_j1、第二个理论极值点的透射率值T′_j2、理论停镀点的透射率T′_jC和停镀点之后的第一个理论极值点的透射率T′_j3；③对每一膜层的当前监控波长λ进行有效性判断：当满足|T′_j1-T′_j2|＞12％和时，则进入第④步，当不能同时满足|T′_j1-T′_j2|＞12％和则进入第⑤步；④当j≤K时，则令j＝j+1，然后开始重复步骤②和③进行第j+1膜层的计算；当j＞K，则令K＝j，且K小于总的膜层数M时，则令j＝j+1，然后重复步骤②和③进行第j+1膜层的计算；当j＞K，则令K＝j，且K＝总的膜层数M时，进入步骤⑨；⑤令监控波长λ＝λ-1nm，当λ≥λ_Min时，重复上述步骤②和③，寻找满足上述限制条件的监控波长λ；当λ＜λ_Min且判别数F等于0，同时满足d₁×λ_D≥2.06×λ_Min时，则进入第⑦步；当λ＜λ_Min且判别数F等于0，同时d₁×λ_D＜2.06×λ_Min时，则进入第⑥步；当λ＜λ_Min且判别数F不等于0时，则进入步骤⑧；⑥根据下列公式(3)计算第1层至第K层膜的膜厚误差的敏感度S_q：S_q＝|Target_λ1-T_jλ1|+|Target_λ2-T_jλ2|                    (3)其中，q＝1、…、K；Target_λ1为所镀制膜系的波长λ₁的透射率优化目标，Target_λ2为所镀制膜系的波长λ₂的透射率优化目标，T_jλ1和T_jλ2分别为第j层膜的厚度系数为d_j+0.01时的波长λ₁和λ₂处的透射率；对K层之前K个膜层的膜厚误差的敏感度S_q进行比较，并将最小的高折射率膜层称为第q膜层，将第q层之后的膜层作为新的膜系，该新膜系采用新监控片进行镀膜监控，则令监控片数目为W＝W+1，由于第q层之前的各个膜层已经找到满足限制条件的第一监控波长λ，令满足限制条件的层数K＝q-1，对所述的新膜系重新初始化监控波长λ＝d_q×λ_D/1.03，如果λ＞λ_Max，取λ＝λ_Max；然后重复步骤②和③开始寻找满足上述限制条件的监控波长λ；⑦将第一层膜拆分成厚度系数分别为D₁和D₂的两层膜，其中D₁＝1.03×λ_Min/λ_D，D₂＝d₁-D₁，监控片数目W＝W+1，同时令判别数F＝1，表明已经将第一层膜拆分成两层，厚度系数为D₁的膜层采用第1号监控片进行监控，监控波长λ_min＝D₁×λ_D/1.03，由于厚度系数为D₁的膜层满足限制条件，则满足限制条件的层数K＝1；厚度系数为D₂的膜层和该膜层之后的膜层作为新膜系利用第2号的监控片进行监控，重新初始化监控波长λ＝D₂×λ_D/1.03，如果λ＞λ_Max，取λ＝λ_Max；重复步骤②和③，寻找满足上述限制条件的第二监控波长λ；⑧重新对D₁和D₂进行赋值，令D₁＝D₁+0.01，D₂＝D₂-0.01，当满足D₂×λ_D＞1.03×λ_Min时，计算厚度系数为D1的膜层的监控波长λ＝D₁×λ_D/1.03，由于该层满足限制条件，则K＝1；然后对厚度系数为D₂的膜层和该膜层之后的膜层作为新膜系，利用新监控片进行监控，重新初始化监控波长λ＝D₂×λ_D/1.03，如果λ＞λ_Max，取λ＝λ_Max；重复步骤②和③，寻找满足上述限制条件的监控波长λ；当D₂×λ_D≤1.03×λ_Min时，令判别数F等于0时，进入步骤⑥；⑨输出拆分后的膜系、每层膜的监控波长和相应的监控片数目；(3)开机镀膜：(a)镀制第一层膜之前，计算机(30)根据下列公式(1)依次计算监控波长为λ时，第j＝1层膜的厚度系数从0变化到d_j+1时的透射率变化曲线：$T_j=1-\left(\frac{n_0-Y_j}{n_0+Y_j}\right){\left(\frac{n_0-Y_j}{n_0+Y_j}\right)}^{*}---\left(1\right)$其中：n₀指入射介质的折射率，d_j为第j层膜的厚度系数，Y_j指基底和第j层膜的组合导纳，Y_j根据下列公式(2)递推得到：$Y_j=\frac{Y_{j-1}\cos (\pi d_j{\lambda }_D/2\lambda )+{\mathrm{in}}_j\sin (\pi d_j{\lambda }_D/2\lambda )}{\cos (\pi d_j{\lambda }_D/2\lambda )+i(Y_{j-1}/n_j)\sin (\pi d_j{\lambda }_D/2\lambda )})---\left(2\right)$其中：n_j为第j层膜的折射率，Y₀等于基底折射率，d_j为第j层膜的厚度系数；将该第j层膜与基底的组合导纳Y_j代入公式(1)得到第j层膜的厚度系数从0变化到d_j+1时的透射率变化曲线，从该透射率变化曲线找到第j层膜停镀点之前的第一个理论极值点的透射率值T′_j1、第二个理论极值点的透射率值T′_j2、理论停镀点的透射率T′_jC和停镀点之后的第一个理论极值点的透射率T′_j3；当前监控片的编号不等于第j层的监控片编号时，计算机(30)通过第三串口(39)向监控转动装置(38)发出信号将监控片(14)的位置调节至第j层监控片的位置；当单色仪的波长不等于第j层的监控波长时，计算机(30)的第四串口(37)发出信号将单色仪(7)的波长调节至第j层的监控波长；然后计算机(30)根据当前膜层的参数n_j向挡板开关控制电路(20)发出信号打开蒸发源挡板：当n_j＝n_H，就打开高折射率蒸发源挡板(23)，否则就打开低折射率蒸发源挡板(36)；同时计算机(30)开始采集并保存锁相放大器(12)输出的与监控片的透射率相应的信号值，保存停镀点之前的第一个实际极值点的透射率值T_j1和第二个实际极值点的透射率值T_j2，根据下列公式计算实际停镀点的透射率值T_jC：$T_{\mathrm{jC}}=\frac{(T_{\mathrm{jC}}^{\prime }-T_{j1}^{\prime })\times (T_{j1}-T_{j2})}{T_{j1}^{\prime }-T_{j2}^{\prime }}+T_{j1};$当计算机通过锁相放大器(12)实时采集的透射率值等于所述的实际停镀点的透射率值T_jC时，计算机(30)向挡板开关控制电路(20)发出关闭当前蒸发源挡板的信号，第j＝1层膜镀制完成；(b)重复上述步骤(a)，开始镀制第j＝2层膜：(c)重复步骤(b)，直至所有的膜层都镀制完毕，镀膜结束。