光學(xué)厚度測量方法

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

在以上的方法中，電阻法最容易實現(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。

光學(xué)厚度的由來：在制備薄膜的過程中，除了應(yīng)當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)，有時可能達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，入射角與折射角的正弦之比叫做介質(zhì)2相對介質(zhì)1的折射率）。

測量薄膜電阻變化來控制金屬膜厚度是最簡單的一種膜厚監(jiān)控方法。以用惠斯頓電橋測量薄膜電阻率為例，用這種方法可以測量電阻從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。

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)計方法都是以各層厚度為1/4波長或其整數(shù)倍為前提的，無疑這種厚度整齊的膜系對于制備和監(jiān)控是方便的，前面的方法已成功地用來監(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。利用電子計算機自動設(shè)計技術(shù)，為了增加設(shè)計參數(shù)，通常把各層厚度作為校正參數(shù)，因而設(shè)計得到的各類膜系，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

我們已經(jīng)知道透光度與鍍膜的折射率有關(guān)，但是卻無關(guān)于它的厚度?？墒俏覀?nèi)裟茉阱兡さ暮穸壬舷曼c功夫，會發(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

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

例如，鍍膜的厚度若造成綠色光的相消，則反射光會呈現(xiàn)紅色的。市面上許多看似紅色鏡片的望遠鏡都是用這個原理制作的。盡管如此，透射光卻沒有偏紅的現(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，會利用不同的鍍膜厚度來消去不同頻率的反射光。所以越高級的光學(xué)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)反射光的顏色也會越多。

厚度控制系統(tǒng)為提高厚度的控制精度，可采取提前檢測來料情況和調(diào)整輥縫。例如，在前一架軋機出口處就對將送入本架軋機的帶鋼的厚度偏差提前進行檢測。并據(jù)此在經(jīng)過適當?shù)臅r間延遲后，在帶鋼進入本架軋機以前調(diào)整輥縫值來消除前一架軌機所造成的厚度偏差。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Δ和軋輥位移的校正值Δ以頭部鎖定值為基準計算而得。當計算軋機有控制信號時,還需要考慮軋輥的實際位置與頭部鎖定位置之差。軋輥的位置信號Δ引入前饋控制器中。前饋控制器實際上是一臺計算機。在軋制過程中，生產(chǎn)過程的許多參數(shù)實際上是變化的，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)合控制來提高精度。