光學(xué)厚度

在薄膜沉積過(guò)程中要監(jiān)控薄膜的厚度，首先要能夠測(cè)量薄膜的厚度。薄膜厚度在線測(cè)量的方法主要有：測(cè)量電阻法、質(zhì)量法、反射透射光譜法和橢圓偏振光譜法等等，它們通過(guò)測(cè)量這些物理參量來(lái)實(shí)現(xiàn)膜厚的監(jiān)控。

在以上的方法中，電阻法最容易實(shí)現(xiàn)，而質(zhì)量法應(yīng)用最廣，光學(xué)監(jiān)控方法主要應(yīng)用于光學(xué)鍍膜領(lǐng)域。

在經(jīng)典的薄膜系統(tǒng)，不管采用幾種介質(zhì)材料，也不管有多少層，它們的厚度是規(guī)整的，就都是四分之一波長(zhǎng)或其整數(shù)倍厚度。這很大程度上是由于傳統(tǒng)的解析設(shè)計(jì)方法都是以各層厚度為1/4波長(zhǎng)或其整數(shù)倍為前提的，無(wú)疑這種厚度整齊的膜系對(duì)于制備和監(jiān)控是方便的，前面的方法已成功地用來(lái)監(jiān)控這些膜系。但是隨著光學(xué)薄膜的應(yīng)用日益廣泛，對(duì)薄膜的特性不斷提出新的要求，用經(jīng)典的膜系已不能滿足要求，而必須尋找任何厚度的新膜系。利用電子計(jì)算機(jī)自動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)，為了增加設(shè)計(jì)參數(shù)，通常把各層厚度作為校正參數(shù)，因而設(shè)計(jì)得到的各類膜系，其厚度幾乎都是不規(guī)整的。

任意厚度的薄膜系統(tǒng)具有許多優(yōu)良的光學(xué)特性，但是給厚度監(jiān)控提出了很多困難，任意厚度的監(jiān)控方法主要有：石英晶體監(jiān)控法，單波長(zhǎng)透射（反射光譜）法，寬光譜掃描法，橢圓偏振光譜法。其中石英晶體監(jiān)控法前面已經(jīng)介紹，這里就不再敘述。2100433B

光學(xué)厚度的由來(lái)：在制備薄膜的過(guò)程中，除了應(yīng)當(dāng)選擇合適的薄膜材料和沉積工藝外，還要精確控制薄膜沉積過(guò)程中的厚度。

厚度的概念有三種：幾何厚度、光學(xué)厚度和質(zhì)量厚度。幾何厚度表示的是薄膜膜層的物理厚度或者實(shí)際厚度；幾何厚度與薄膜膜層折射率的乘積稱為光學(xué)厚度；質(zhì)量厚度的定義是單位面積上的質(zhì)量，若已知薄膜膜層的密度，則可以換算成相應(yīng)的幾何厚度。

一般情況下，薄膜厚度的誤差控制在2%以內(nèi)，有時(shí)可能達(dá)5～10%。薄膜厚度的監(jiān)控必須在允許的誤差范圍之內(nèi)。

薄膜的光學(xué)厚度與物理厚度換算關(guān)系為：光學(xué)厚度=物理厚度*nn為介質(zhì)折射率（光從介質(zhì)1射入介質(zhì)2發(fā)生折射時(shí)，入射角與折射角的正弦之比叫做介質(zhì)2相對(duì)介質(zhì)1的折射率）。

測(cè)量薄膜電阻變化來(lái)控制金屬膜厚度是最簡(jiǎn)單的一種膜厚監(jiān)控方法。以用惠斯頓電橋測(cè)量薄膜電阻率為例，用這種方法可以測(cè)量電阻從1歐姆到幾百兆歐姆的電阻，若加上直流放大器，電阻率的控制精度可達(dá)0.01%。

但是隨著薄膜厚度的增加，電阻減小要比預(yù)期的慢，導(dǎo)致的原因是膜層的邊界效應(yīng)、薄膜與塊材之間的結(jié)構(gòu)差異以及殘余氣體的影響。因此，用該方法對(duì)膜厚監(jiān)控的精度很難高于5%。就是這樣，電阻法在電學(xué)鍍膜中還是常被使用的。

我們已經(jīng)知道透光度與鍍膜的折射率有關(guān)，但是卻無(wú)關(guān)于它的厚度?？墒俏覀?nèi)裟茉阱兡さ暮穸壬舷曼c(diǎn)功夫，會(huì)發(fā)現(xiàn)反射光A與反射光B相差 n_c×2D 的光程差。如果

n_c×2D=（N 1/2）λ 其中 N= 0,1,2,3,4,5..... λ為光在空氣中的波長(zhǎng)

則會(huì)造成該特定波長(zhǎng)的反射光有相消的效應(yīng)，因此反射光的顏色會(huì)改變。

例如，鍍膜的厚度若造成綠色光的相消，則反射光會(huì)呈現(xiàn)紅色的。市面上許多看似紅色鏡片的望遠(yuǎn)鏡都是用這個(gè)原理制作的。盡管如此，透射光卻沒(méi)有偏紅的現(xiàn)象。

在許多復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)里，反射光的抑制是十分重要的功課。因此一組鏡片之間，會(huì)利用不同的鍍膜厚度來(lái)消去不同頻率的反射光。所以越高級(jí)的光學(xué)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)反射光的顏色也會(huì)越多。

厚度控制系統(tǒng)為提高厚度的控制精度，可采取提前檢測(cè)來(lái)料情況和調(diào)整輥縫。例如，在前一架軋機(jī)出口處就對(duì)將送入本架軋機(jī)的帶鋼的厚度偏差提前進(jìn)行檢測(cè)。并據(jù)此在經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間延遲后，在帶鋼進(jìn)入本架軋機(jī)以前調(diào)整輥縫值來(lái)消除前一架軌機(jī)所造成的厚度偏差。這種控制方式稱為厚度的前饋控制。圖2為厚度前饋控制系統(tǒng)的組成。前饋偏差信號(hào)Δ和軋輥位移的校正值Δ以頭部鎖定值為基準(zhǔn)計(jì)算而得。當(dāng)計(jì)算軋機(jī)有控制信號(hào)時(shí),還需要考慮軋輥的實(shí)際位置與頭部鎖定位置之差。軋輥的位置信號(hào)Δ引入前饋控制器中。前饋控制器實(shí)際上是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。在軋制過(guò)程中，生產(chǎn)過(guò)程的許多參數(shù)實(shí)際上是變化的，只靠前饋控制并不能消除由于參數(shù)變化造成的厚度偏差。通常采用前饋與反饋的復(fù)合控制來(lái)提高精度。