光学厚度方法和装置

在经典的薄膜系统，不管采用几种介质材料，也不管有多少层，它们的厚度是规整的，就都是四分之一波长或其整数倍厚度。这很大程度上是由于传统的解析设计方法都是以各层厚度为1/4波长或其整数倍为前提的，无疑这种厚度整齐的膜系对于制备和监控是方便的，前面的方法已成功地用来监控这些膜系。但是随着光学薄膜的应用日益广泛，对薄膜的特性不断提出新的要求，用经典的膜系已不能满足要求，而必须寻找任何厚度的新膜系。利用电子计算机自动设计技术，为了增加设计参数，通常把各层厚度作为校正参数，因而设计得到的各类膜系，其厚度几乎都是不规整的。

任意厚度的薄膜系统具有许多优良的光学特性，但是给厚度监控提出了很多困难，任意厚度的监控方法主要有：石英晶体监控法，单波长透射（反射光谱）法，宽光谱扫描法，椭圆偏振光谱法。其中石英晶体监控法前面已经介绍，这里就不再叙述。2100433B

测量薄膜电阻变化来控制金属膜厚度是最简单的一种膜厚监控方法。以用惠斯顿电桥测量薄膜电阻率为例，用这种方法可以测量电阻从1欧姆到几百兆欧姆的电阻，若加上直流放大器，电阻率的控制精度可达0.01%。

但是随着薄膜厚度的增加，电阻减小要比预期的慢，导致的原因是膜层的边界效应、薄膜与块材之间的结构差异以及残余气体的影响。因此，用该方法对膜厚监控的精度很难高于5%。就是这样，电阻法在电学镀膜中还是常被使用的。

在薄膜沉积过程中要监控薄膜的厚度，首先要能够测量薄膜的厚度。薄膜厚度在线测量的方法主要有：测量电阻法、质量法、反射透射光谱法和椭圆偏振光谱法等等，它们通过测量这些物理参量来实现膜厚的监控。

在以上的方法中，电阻法最容易实现，而质量法应用最广，光学监控方法主要应用于光学镀膜领域。

光学厚度的由来：在制备薄膜的过程中，除了应当选择合适的薄膜材料和沉积工艺外，还要精确控制薄膜沉积过程中的厚度。

厚度的概念有三种：几何厚度、光学厚度和质量厚度。几何厚度表示的是薄膜膜层的物理厚度或者实际厚度；几何厚度与薄膜膜层折射率的乘积称为光学厚度；质量厚度的定义是单位面积上的质量，若已知薄膜膜层的密度，则可以换算成相应的几何厚度。

一般情况下，薄膜厚度的误差控制在2%以内，有时可能达5～10%。薄膜厚度的监控必须在允许的误差范围之内。

薄膜的光学厚度与物理厚度换算关系为：光学厚度=物理厚度*nn为介质折射率（光从介质1射入介质2发生折射时，入射角与折射角的正弦之比叫做介质2相对介质1的折射率）。

我们已经知道透光度与镀膜的折射率有关，但是却无关于它的厚度。可是我们若能在镀膜的厚度上下点功夫，会发现反射光A与反射光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为光在空气中的波长

则会造成该特定波长的反射光有相消的效应，因此反射光的颜色会改变。

例如，镀膜的厚度若造成绿色光的相消，则反射光会呈现红色的。市面上许多看似红色镜片的望远镜都是用这个原理制作的。尽管如此，透射光却没有偏红的现象。

在许多复杂的光学系统里，反射光的抑制是十分重要的功课。因此一组镜片之间，会利用不同的镀膜厚度来消去不同频率的反射光。所以越高级的光学系统，发现反射光的颜色也会越多。

厚度控制系统为提高厚度的控制精度，可采取提前检测来料情况和调整辊缝。例如，在前一架轧机出口处就对将送入本架轧机的带钢的厚度偏差提前进行检测。并据此在经过适当的时间延迟后，在带钢进入本架轧机以前调整辊缝值来消除前一架轨机所造成的厚度偏差。这种控制方式称为厚度的前馈控制。图2为厚度前馈控制系统的组成。前馈偏差信号Δ和轧辊位移的校正值Δ以头部锁定值为基准计算而得。当计算轧机有控制信号时,还需要考虑轧辊的实际位置与头部锁定位置之差。轧辊的位置信号Δ引入前馈控制器中。前馈控制器实际上是一台计算机。在轧制过程中，生产过程的许多参数实际上是变化的，只靠前馈控制并不能消除由于参数变化造成的厚度偏差。通常采用前馈与反馈的复合控制来提高精度。