各类光学薄膜厚度测量仪测量误差差异性研究(2)
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。
油扩散泵（次级泵），原理是利用高速定向运动的油蒸气使气体分子获得定向移动的动能。油槽中的扩散泵油(硅油)在真空中加热到沸腾时,产生的油蒸气流沿导流管上升,在经过各级喷嘴向下高速喷出,随着喷嘴处低压区的形成,进气口处的气体分子便进入泵体内,并且自上而下作定向流动,经排气口进入储气桶压缩存储,此后被前级泵(机械泵)抽走,油蒸气则遇到水冷的扩散泵管壁后被冷凝凝结,回入泵体底部的油槽,重新被加热,如此循环工作,实现连续抽气,所以泵壁外有一段冷凝水管,从而达到抽高真空目的。
真空室（镀膜室），由钟罩、蒸发器、挡板、轰击棒支架、烘烤炉等组成。钟罩和底板组成一个密封的真空室,在室内能进行各种操作,蒸发器由加热电极和蒸发源两部分组成,蒸发源有由钨丝绕成的螺旋状形式。蒸发源上面的挡板可转动。它能挡住一些奔向镀件的杂质蒸汽分子。放置镀件的支架可以转动,以便镀上均匀的膜层。
（2）真空测量系统
复合真空计，由热电偶真空计和电离真空计组成。热电偶真空计，利用在低压强环境中,气体的热传导与压强有关的性质制成的。其结构中有mV表、mA表、加热用的钨丝、常用直径为0. 05mm的优铜(EUREKA,镍43%+铜57%)和镍-铬(NICHROME,镍80%+铬20%)制成的用于测量加热钨丝温度的热电偶、热丝电源和电位器。当加热电流恒定不变时由于气体的热导率与气体的压强大小有关,因此钨丝(热丝)的温度将随管内的气体压强而变化。真空度高时,气体的热导率减小,热丝的温度升高,热偶的输出增大,毫伏表的示值增加。如果把这一毫伏表跨接在电阻R就可用它来测量热丝的加热电流。