光學(xué)膜厚寬帶監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、光學(xué)薄膜的光學(xué)特性與其每一膜層的厚度密切相關(guān),為了制備出符合要求的光學(xué)薄膜產(chǎn)品,在制備過程中必須監(jiān)控膜厚。對于規(guī)整膜系來說,目前采用最多的是監(jiān)控單一波長的光電極值法,但由于其在極值點(diǎn)附近透射率(反射率)的變化緩慢,光電極值法的監(jiān)控精度并不高。隨著光學(xué)薄膜復(fù)雜性和精度要求的不斷提高,光學(xué)薄膜的膜系更多地采用非規(guī)整結(jié)構(gòu),客觀上要求探索新的任意膜厚監(jiān)控方法,同時對光學(xué)薄膜制備過程的自動化程度提出了更高的要求。
　　 近年來一種直觀易用

2、的光學(xué)膜厚監(jiān)控技術(shù)——寬帶監(jiān)控技術(shù),逐步成熟并得到應(yīng)用,該項(xiàng)技術(shù)被薄膜工作者認(rèn)為是解決光學(xué)薄膜制備過程中精確控制光學(xué)薄膜寬波段特性的理想方法。它通過實(shí)測的寬光譜掃描曲線與理論計(jì)算的目標(biāo)光譜曲線進(jìn)行比較,以評價函數(shù)反饋比較結(jié)果給控制系統(tǒng)來進(jìn)行膜厚監(jiān)控。德國、美國、日本等多個國家的企業(yè)相繼開發(fā)出了該類型的產(chǎn)品。相比之下,國內(nèi)研制的膜厚監(jiān)控系統(tǒng)水平還較低,使得國產(chǎn)的光學(xué)鍍膜機(jī)自動化程度也不能滿足制備高精度復(fù)雜膜系的要求。
　　 為改善

3、國產(chǎn)光學(xué)膜厚寬帶監(jiān)控系統(tǒng)研制水平和提高國產(chǎn)光學(xué)鍍膜機(jī)的自動化程度,作者在陜西省教育廳和科技廳重點(diǎn)研究項(xiàng)目的支持下,圍繞光學(xué)膜厚寬帶監(jiān)控系統(tǒng)中的幾個關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)方法——光譜在線測量的光譜分辨率和譜線校準(zhǔn)、背景噪聲的抑制與實(shí)現(xiàn)、基于自適應(yīng)閾值的小波去噪方法、基于設(shè)計(jì)制造一體化的評價函數(shù)的修正技術(shù)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)地研究,以期為改善國產(chǎn)光學(xué)膜厚寬帶監(jiān)控系統(tǒng)研制水平和提高國產(chǎn)光學(xué)鍍膜機(jī)的自動化程度方面提供有益的技術(shù)支撐,主要包括以下四個方面:<

4、br>　　 1.由于膜厚寬帶監(jiān)控依賴于對薄膜生長過程中實(shí)時、在線、高品質(zhì)的實(shí)測光譜曲線,該實(shí)測光譜曲線的光譜分辨率和波長定位準(zhǔn)確性不足會導(dǎo)致濾光片中心波長與監(jiān)控波長產(chǎn)生分離,從而使濾光片最后幾層膜的膜厚判讀不足或甚至信號反轉(zhuǎn),致使監(jiān)控失敗。通常情況下,實(shí)測光譜曲線依賴高性能的光譜儀來完成。因此,論文首先對影響CCD光柵光譜儀光譜分辨率指標(biāo)的因素進(jìn)行了深入分析,指出采用陣列探測器后,光柵光譜儀分辨率與光通量的矛盾演變?yōu)殪`敏度和像元尺寸之

5、間的矛盾,構(gòu)建了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；針對研制的膜厚寬帶監(jiān)控系統(tǒng),通過實(shí)驗(yàn)確定了所研制系統(tǒng)的最佳狹縫寬度。對CCD光柵光譜儀的波長校準(zhǔn)過程中存在的非線性關(guān)系進(jìn)行了分析,給出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型:采用汞燈的特征譜線對CCD像元與光譜波長的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn),采用三次擬合方法實(shí)現(xiàn)了亞像素的波長校準(zhǔn)。
　　 2.由于膜厚寬帶監(jiān)控系統(tǒng)中的CCD探測器總是工作于強(qiáng)背景噪聲的環(huán)境,此時真空室內(nèi)膜層材料淀積過程中產(chǎn)生的雜散光將使監(jiān)控信號失真,嚴(yán)重影

6、響實(shí)測光譜曲線的準(zhǔn)確性,甚至使整個監(jiān)控過程失敗。針對上述問題,設(shè)計(jì)了由步進(jìn)電機(jī)控制的信號光調(diào)制器,實(shí)現(xiàn)了其與CCD數(shù)據(jù)采集卡的精確匹配,完成了信號在亮周期和暗周期的精確采樣:采用同一像元相鄰亮暗周期信號對應(yīng)相減的方法,實(shí)現(xiàn)了對背景噪聲信號和CCD暗電流噪聲的有效抑制。實(shí)驗(yàn)表明,在系統(tǒng)信號光源開啟后,延遲2～10分鐘監(jiān)控系統(tǒng)再開始工作,其最大噪聲電壓由1120單位下降到200單位,保證了實(shí)測光譜曲線的準(zhǔn)確性。
　　 3.為進(jìn)一步剔

7、除經(jīng)過相鄰亮暗周期信號相減處理后光譜測試信號殘留的噪聲,在傳統(tǒng)的Donoho小波閾值去噪法基礎(chǔ)上,提出小波閾值優(yōu)化算法；選擇db4小波對含噪信號進(jìn)行五層小波分解,對薄膜寬帶監(jiān)控系統(tǒng)的光譜信號進(jìn)行數(shù)字處理。通過光電倍增管對信號的精確采集,來確定新閾值函數(shù)中最合適的微調(diào)因子g(m,n),從而同時減小了拒真概率和虛報(bào)概率；實(shí)驗(yàn)表明小波閾值優(yōu)化算法在平滑波形的基礎(chǔ)上,很好地保留了信號的細(xì)節(jié)成分,峰值誤差為0.7％～1.0％,峰位誤差為0.1％～

8、0.3％,滿足了薄膜寬帶監(jiān)控系統(tǒng)使用要求,為薄膜寬帶監(jiān)控系統(tǒng)的光譜信號預(yù)處理提供了一種新方法。
　　 4.鍍膜過程中膜料的光學(xué)參數(shù)嚴(yán)重依賴于工藝參數(shù),膜料實(shí)際光學(xué)參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)的不一致,使得測量曲線和理論曲線出現(xiàn)嚴(yán)重背離,評價函數(shù)將出現(xiàn)多極值現(xiàn)象,對鍍膜過程的判停帶來嚴(yán)重影響。論文提出了一種用所測得膜層的實(shí)際常數(shù)對隨后膜層的目標(biāo)透射比曲線進(jìn)行逐層修正的方法。該方法依賴于根據(jù)獲得的光譜測試曲線求解膜層的實(shí)際參數(shù)的光譜擬合方法,故對