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1、-范文最新推荐-1 / 16各类光学薄膜厚度测量仪测量误差差异性研究摘要厚度是决定光学薄膜调制光束光度或光谱能力的决定因素。厚度的精确控制是光学薄膜质量控制的关键。目前能精确测量光学薄膜厚度的方法主要有：光度法、晶振法、台阶仪法、白光干涉法、椭偏法等。这些方法的测量误差具有一定的差异，如果能掌握这几种方法的测量误差的差异性规律，就可以为镀膜工程师提供可靠的膜厚数据，从而生产出高质量的光学薄膜。本论文对这些方法的测量误差进行研究，通过镀膜机用四种不同材料（二氧化锆 ZrO2、二氧化钛TiO2、二氧化硅 SiO2、氟化镁 MgF2）在玻璃基片上镀制薄、中、厚三种不同厚度的膜层，然后通过分光光度计、
2、椭偏仪、白光干涉仪和轮廓仪测量这些薄膜的厚度，对这些数据进行分析，得到仪器测量误差的差异性规律。8991关键词：光学薄膜膜厚膜厚测量仪差异性毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleLaw of inconsistency of measurement instruments for testing the thickness of optical thin filmAbstractThickness is the determinants to determine the ability of optical thin film to modulate luminosity or spectr
3、um of the beam. The precise control of the thickness is the key to control the quality of optical thin films. There are some main methods to measure the thickness of optical thin film accurately, such as crystal method, white light interferometry, spectrophotometry, ellipsometry. There are some diff
4、erences with measurement error of these methods. If we can master the inconsistency of the measurement error of these methods, reliable thickness data can be provided to coating engineers to produce optical thin film with high quality. -范文最新推荐-3 / 16新型的光电器件的不断发展对光学薄膜的各种参数的测量提出了更高的要求，与此同时，薄膜厚度又是薄膜设计和
5、工艺制造的关键参数之一，为了制备出合乎要求的薄膜也离不开高精度的薄膜厚度检测4。因此，检测薄膜的各项技术也随之迅速发展。薄膜的测量包括光学、机械、电学性能测量以及微观测量。其中光学性能的测量包括宏观测量、厚度测量和折射率测量3 。现如今国内外已经有了许多关于薄膜厚度的测量方法：白光干涉法3-6、轮廓法6、晶振法7-8 、光度法3,9-10和椭偏法3,6,10-13等。不同条件下应用哪种方法可以更方便实用地得到更精确、准确的测量数据这一问题的研究对于薄膜技术的应用有很重要的作用。这就是我的课题关于薄膜厚度测量方法差异性研究的意义所在。1.2 国内外研究状况2 薄膜镀制的厚度控制2.1 真空镀膜机
6、的镀膜原理2.1.1 真空镀膜机的构成真空镀膜机由三部分组成，抽真空系统、电气系统和镀膜室,其中抽真空系统包括机械泵和油扩散泵两部分。镀膜机结构中有真空室、热偶计规管、放气阀、予抽蝶阀、扩散泵出口阀、电离规管、高阀、油扩散泵、储气筒、机械泵等20。（1）真空系统机械泵（前级泵） ，在圆柱形定子内有一个偏心圆柱作为转子,转子槽内装有带弹簧的旋片 ,旋转时靠离心力和弹簧的张力始终使旋片和定子缸内壁始终紧密接触,定子上有一个与被抽容器相连的进气口和一个附有单向气阀阀门的出气口,分别处在转子与定子相切点的两侧。工作原理可用四个过程来示意描述。当转子逆时针转动时由进气口进入转子与定子之间的部-范文最新推
7、荐-5 / 16分空间的气体分子将被刮片分割和压缩,直到压强增大到可以顶开出气口的气阀而被排出泵外。随着时间的延续,被抽容器中的压强将逐渐减小 ,此种机械泵的抽真空极限为 1.33×10-2Pa。抽速与转速及体积A 的大小有关 ,一般每秒几升左右 ,对于 2X-2 型旋片真空泵,泵轴转速为 450r/min,抽气速率为 2L/s。机械泵的极限压强 10-2Pa 量级,属于低真空。此后再通过二级泵抽高真空。 电离真空计，由筒状阳极、阴极和栅极组成。是利用气体电离时产生的离子流与压强有关这一原理制成的。阴极发射的电子在电场作用下飞向阳极与气体分子碰撞使气体分子电离,实验证明:电离真空计
8、内压强 在 1.33×10-1Pa 以下时,产生的离子流与阴极发射的电子流有以下关系：式中 是一特征常数，它的大小和气体的种类有关。当 保持不变，则有 。开始使用热偶真空计测量系统的真空度,当真空度高于 0.1Pa(即压强小于 0.1Pa)时,才能接通电离计, 否则,容易损坏电离计。电离计的极限真空度为6.67×10-4Pa。当钟罩内部真空度达到镀膜要求准备镀膜时,要关闭电离真空计。当镀膜完成后准备结束实验时,关闭复合真空计开关和油扩散泵 ,并保证机械泵仍处于开状态且仍有持续的循环水工作,直至有扩散泵温度降到常温后,方可结束实验 (关闭机械泵、循环水及电源开关)。2.1
9、.2 薄膜的形成镀制材料经加热形成气相原子（分子）在基片表面上单体吸附，被吸附的原子形成大小不同的各种小原子团，小原子团形成临界核，临界核捕获周围的单体逐渐长大，在临界核长大的同时，非捕获区的单体逐渐形成临界核，由临界核形成的稳定核长大到相互接触时，彼此结合后形成小岛，由于结合而成的新岛所占面积小于结合前的两岛，所以在基片上暴露新的表面积，在新暴露的基片表面积上吸附单体，发生“二次”成核，小岛长大结合成为大岛，大岛长大相互结合成更大的岛， ，在新暴露的表面积-范文最新推荐-7 / 16上发生“二次”或“三次”成核，岛与岛的
10、相互结合，形成带有沟道和空洞的薄膜，在沟道和空洞处发生“二次”或“三次”成核，逐渐形成连续的薄膜10。2.2 薄膜厚度监控技术对于光学薄膜来说，厚度是除折射率之外最重要的参数，因此准确控制薄膜的厚度就成为制备光学薄膜的关键，目前薄膜制备过程中厚度的实时监控，大都采用光电极值法和石英晶体振荡法。 (2.5)式中， 是沉积薄膜后石英晶体的谐振周期， 是石英晶体的固有谐振周期， 是石英晶体与膜层的声阻抗比值定义：， ，(2.6)式中 是沉积薄膜后石英晶体谐振频率的变化量， 是沉积薄膜后石英晶体的谐振频率，则式(2.5)可简化为(2.7)理论上石英晶振片
11、的寿命从 99%(没有沉积薄膜的晶振片的寿命)降到 0，对应的频率下降 1.5MHz(没有沉积薄膜的晶振片的谐振频率是 6 MHz)，实际使用中石英晶振片的寿命最多只能降到 90，因此相应地可以计算出 ，此时有 远小于 ，所以式(2.7)可以用泰勒级数展开，并忽略高次项得(2.8)由于 小于 1，所以 远小于 1，于是(2.8) 可以用泰勒级数展开并忽略高次项得(2.9)由于 变化很小，近似 ，得(2.10)对于具体的模料， 是常数，所以 与 就成线性关-范文最新推荐-9 / 16系，即该式体现了膜厚与石英晶体谐振率变化的关系。如果 过大，式(2.7) 和式(2.8)的高次项就不能忽略，上面推
12、导的线性关系就不能很好地符合，晶控仪的监控精度就受到影响所以，为了保证晶控仪的监控精度，石英晶振片在沉积了一定厚度的薄膜后(石英晶控仪会显示)就要更换或清洗 图 2.3 单层薄膜的反射与透射根据多光束干涉原理，计算得到薄膜上表面反射光的复振幅为透射光的复振幅为(2.15)相邻两束光由光程差引起的相位差为则薄膜的反射系数和透射系数可根据以下公式计算得到由式 (2.17)和 (2.18)可得，薄膜的反射比和透射比分别为当光垂直入射到薄膜上时，薄膜上表面和下表面的反射系数分别为和 ，代入到式(2.19)可得垂直入射时薄膜的反射比对于薄膜，基底材料的折射率 和周围介质材料的折射率 确定，所以薄膜的反射
13、比 是 和 的函数，也即是薄膜折射率和厚度的函数。3 不同厚度薄膜样品的镀制和测量3.1 不同厚度薄膜样品的镀制3.1.1 样品的设计方案-范文最新推荐-11 / 16为了研究本课题，设计了一个比对的方案。在多块玻璃基片上分别镀上不同材料的薄膜，每种材料镀制薄、中、厚三种不同厚度的薄膜。同时每一种材料的每一种厚度的样品镀制两片，一片有台阶，为了适用于白光干涉仪和轮廓仪测量，另一片没有台阶，适用于分光光度计和椭偏仪测量。样品如表 3.1。表 3.1 不同厚度薄膜样品设计方案材料 SiO2TiO2ZrO2MgF2样式有台阶无台阶有台阶无台阶有台阶无台阶有台阶无台阶厚度（薄/nm）100100100
14、100厚度（中/nm）300300300300厚度（厚/nm）500500500500 （4）将控制面板的左上角温度数据显示界面右边的盖子打开，调节设定温度，使设定温度低于镀膜室内温度，触发一下，开始镀膜。镀膜时，先充氩气Ar，刻蚀 10 分 5 秒，气压大约为 2.3 到 2.6×10-5 托，然后开始充氧气 O2，气压大约 1.8×10-4托，开始镀制。镀制结束，冷却镀膜机，取出样品。（5）用同样的方法镀制不同材料不同厚度的样品。注意镀制的二氧化锆 ZrO2 时候要先将材料熔融，之后才开始镀制，注意一个坩埚镀的厚度有个限制，防止将锅底击穿。图 3.1 晶控仪图 3.2 电脑光控面板图 3.
