[发明专利]一种快速反演薄膜生长厚度的光学监控追迹方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜生长光学监控技术，具体涉及一种快速反演薄膜生长厚度的光学监控追迹方法。

背景技术

光学薄膜生长的光学特性的好坏取决于对生长的膜层折射率及厚度参数的精确掌握和控制。传统上的监控方法有时间监控、石英晶振监控和光强值的光学监控，前两者对于膜层的折射率无法进行获取，对于膜层的光学厚度的控制存在较大误差。光学监控方法可以同时获取膜层的折射率及厚度生长信息，被认为是光学薄膜生长监控中最有效的方法之一。一般来讲，光学监控直接获得的信号是生长薄膜的透射光或反射光的光强信号。为了得到薄膜的生长厚度及折射率，我们需要对监控信号进行持续的追迹，然后通过计算反演才能获得薄膜生长信息。最早的光学监控追迹以膜层生长时间为横坐标，以监控光信号为纵坐标进行实时记录，如图1所示。这种方法一般用于规整厚度的薄膜监控时，但是由于极值点信号相对膜层生长厚度不敏感，存在厚度判断误差较大的问题。用于非规整厚度的薄膜生长监控时，由于膜层实际折射率与理论设计偏差的影响，监控容易失效。目前先进的光学监控采用导纳追迹方式，通过对薄膜与基底组合导纳的实时计算，画出薄膜生长过程中的组合导纳追迹图，然后通过比较和分析实际与预期的导纳图，进行膜层折射率修正以及厚度的自动补偿，如图2。图中，虚线代表预期的组合导纳图，实线代表实际的组合导纳图。作为直接显示在镀膜工作者面前的追迹图像，导纳图很难直观地将薄膜的光学特性及膜层厚度信息直接对应起来，特别是当组合导纳不在实轴时，即非规整膜厚的监控时。而当组合导纳位于实轴上，代表膜层厚度对应规整厚度，光信号对应极值，而这个位置正好是光学监控不灵敏区。

因此，在对非规整厚度光学薄膜高精度监控的要求下，一般的光学监控追迹方式很难兼具直观的膜系光学特性表征以及快速的膜层生长厚度反演功能。

发明内容

本发明目的是能获得直观的膜系光学特性表征，能根据光学监控信号快速反演得到膜层生长厚度，并能在实际镀膜与预期不同的时候进行膜层折射率修正及膜层间厚度自动补偿。

为了达到以上目的和作用，本发明提出一种光学监控追迹方式作为薄膜生长光学监控的依据，其特征在于以直角坐标系下的点坐标为目标对象进行追迹，追迹图像为以(0.5(1/T_E+1/T_S),0)为圆心的一段圆弧，圆弧的弧度为膜层的位相厚度的两倍。其中，T表示从真空或空气介质垂直入射到生长薄膜的基底介质的膜系透射率，T_E和T_S分别表示当前膜层生长过程中可能出现的T的两个极值点，表示当前膜层对应的等效位相厚度（为π/2的偶数倍和奇数倍时，T分别对应T_S和T_E）。追迹的理论依据来源于经由薄膜特征矩阵推导得到的公式(1)，其追迹的图解如图3所示：

从图3的追迹原理图中可以很清晰地看到薄膜监控过程中膜系透射率倒数与膜层生长厚度的对应关系，达到直观的监控效果要求。其中，理论预期的T_E和T_S可经由薄膜特征矩阵公式计算获得，同时，由实际获得的T_E和T_S值可以计算得到膜系的组合导纳n_E和n_S，根据膜层折射率可以非常方便地获得实际膜层的折射率，进而修正膜层的折射率偏差。根据实际获得的T_E和T_S值以及即时采集监控信号而获得的T值，同样很简单地获得了膜层实际的等效位相厚度。本发明的追迹方式在同一膜层生长过程中获得两个信号极值点后，就可以不依赖前面膜层的生长信息而独立地获取膜层生长信息，并且能对前面膜层厚度的累积误差进行补偿，具有非常高的厚度判停精度，特别适用于非规整膜层厚度的监控。