[发明专利]一种复合光路宽光谱膜厚监控系统

说明书

技术领域

本发明涉及真空镀膜光学膜厚监控技术领域，特别是一种复合光路宽光谱膜厚监控系统，属真空镀膜技术领域。

技术背景

在真空镀膜过程中，需要准确监控镀制薄膜的膜层厚度，光学膜厚监控方法是一种重要的技术手段，尤其是对于光学镀膜。光学膜厚监控方法主要有极值法和宽光谱扫描法。其中极值法是利用薄膜在膜厚达1/4中心波长时，中心波长点的透射率(反射率)达到极值的性质来监控膜厚，简单易行，但依赖镀膜经验，并只能监控单波长的透射光(反射光)强度，难以进行非规整膜系的膜厚监控。宽光谱扫描法是在镀膜过程中实时扫描镀制薄膜的光谱特性，利用不同的膜层厚度对应着不同的光谱特性，以评价函数来比较实测光谱曲线与理论光谱曲线进行膜厚监控和镀膜过程分析，可在光学镀膜过程中得到丰富的镀制薄膜的宽光谱信息，精确监控各种膜系光学薄膜的膜厚。

两种方法各有利弊，各有所长。目前传统的光学镀膜设备大都配置基于极值法的光学膜厚控制仪，采用垂直光路或倾斜光路，选择进行透射式或反射式光学膜厚监控。为了满足非规整膜系光学镀膜制备要求，提高膜厚监控同一性和自动化，发展了宽光谱膜厚监控技术并配置在先进的光学镀膜设备上。现有的宽光谱膜厚监控系统，其光路系统仍是借鉴极值法光学膜厚监控系统，即采用基本相同的光路系统，只是在光路出口位置将接收光信号的光学膜厚控制仪，改为光谱仪，由于无需光信号调制滤波，一般都去除了原光路中的调制器，但需提高光源的发光强度以降低杂散光的影响。由此产生光路结构上的区别，使得这两种光学膜厚监控方法无法被同时采用，也难以对镀膜设备的膜厚监控系统进行更换或升级改造。

发明内容

本发明提出一种复合光路宽光谱膜厚监控系统，实现基于宽光谱扫描法的宽光谱膜厚监控系统和基于极值法的光学膜厚监控系统的兼容并用。

本发明的技术解决方案如下：

一种复合光路宽光谱膜厚监控系统，其结构包括：光发射装置、光路、光接收装置、控制电路、计算机和监控软件。其中光发射装置包括光源、调制器及驱动电路，光接收装置包括光谱仪和光学膜厚控制仪。

一种复合光路宽光谱膜厚监控系统，其特征在于在光路系统中设置复合光路，利用复合光路的兼容性，使基于宽光谱扫描法的宽光谱膜厚监控和基于极值法的光学膜厚监控实现兼容并用。

所述的复合光路，包括发射光路和接收光路，并在发射光路和接收光路之间设置监控比较片、分光镜、光源修正滤光片和连接件，其中分光镜和滤光片固定在连接件上。复合光路置于发射装置和接收装置之间，并通过光纤与接收装置相连接。

复合光路包括采用垂直光路或倾斜光路，可选择进行透射式或反射式光学膜厚监控，并在由发射光路和接收光路组成的光学膜厚监控光路中，通过增加中间通光孔式的分光镜，将监测光信号一分为二，其中一路监测光信号经过反射后，耦合到光纤中，再会聚进入光学膜厚控制仪中，另一路监测光信号透射中间的通光孔，经过光源修正滤光片后，耦合到光纤中，再会聚进入光谱仪中，由系统监控软件进行信号采集和处理，进行宽光谱膜厚监控。

所述的分光镜，是中间开一通光孔的反射镜，使反射的监测光信号满足光学膜厚监控要求，同时使透射的监测光信号满足宽光谱膜厚监控要求。由于通光孔的孔径较小，一方面不会降低进入光学膜厚控制仪的监测光信号强度，另一方面通光孔位于复合光路光轴上，起到光阑的作用，使得光纤接收光锥角变的很小，只有接近垂直入射的光才能耦合进光纤中，基本消除镀膜过程中杂散光对宽光谱膜厚监控的影响。

所述的光谱仪，为采用线性硅CCD阵列类探测器的光谱仪，通过USB接口或RS232接口与计算机相连，选择采用积分方式采集光谱，则无需去除、停止或改变光学膜厚监控光路中进行光信号调制的调制器，只是使入射光谱仪的监测光信号产生一定的强度衰减，因此复合光路兼容了完整的光学膜厚监控光路，从而同时适用于光学膜厚监控和宽光谱膜厚监控。

所述的监控软件安装在计算机中，主要用于宽光谱膜厚监控，实时的对监测光谱信号进行采集、处理和计算分析，直观的显示镀膜过程中实测光谱曲线和理论光谱曲线的吻合逼近程度，准确地显示制备过程中光学特性的变化，包括某一特定波长透射率/发射率的绝对值和变化趋势，准确的反映膜厚的真实变化，以评价函数来进行光学镀膜过程中的膜厚监控和过程判断。

所述的控制电路，通过信号线和电缆线，分别与计算机和镀膜设备相连。根据计算机和监控软件输出信号分别控制镀膜设备上的不同电源、控制开关和装置等，实现镀膜过程的自动控制和膜厚的高精度控制。