一种镀膜设备的直接光控系统及方法与流程

1.本发明涉及镀膜设备膜层厚度控制技术领域，特别涉及一种镀膜设备的直接光控系统及方法。


背景技术：

2.真空镀膜技术是物理气相沉积的方法之一，其原理是通过热蒸发或离子束轰击膜料等方式使膜层材料升华或溅射出，在真空环境中射向基片，最终在基片表面沉积形成固体薄膜。其控制膜层厚度的方式有：1、通过时间和功率控制膜层的厚度；2、石英晶振监控；3、光学监控等方式。其中，通过时间和功率控制膜层厚度的方式是根据厚度等于时间乘以速率，通过改变功率以保证速率接近常数，再通过时间来控制厚度；石英晶振监控方式是根据检测晶振片的振动频率，根据厚度与频率的变化关系，计算当前厚度来控制；光学监控方式是根据直接测量膜系的光学特性，根据测量的方式分为直接光控和间接光控，根据测试波长分为白光光控和激光光控的方式。
3.目前，光学监控方式相对其他方式的控制精度更高；因为直接检测的是产品，直接光控相对间接光控更具直接性。现有的直接光控系统一般只有白光光控或者只有激光光控；在加工制备过程中，监控波长相对单一，在一些特殊的光强走值情况下，用现有的光控算法实现的厚度精度相对较低，从而导致加工误差不断累积，无法实现高精度的光谱。


技术实现要素：

4.为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，本发明的第一目的是提供一种镀膜设备的直接光控系统，包括激光光控光路、白光光控光路、第一二色向镜、第二二色向镜、工控机，所述激光光控光路包括可调谐激光光源、第一探测器，所述白光光控光路包括白光光源、第二探测器，所述第一二色向镜用于将所述可调谐激光光源发射的激光信号和所述白光光源发射的可见光信号进行合光处理，激光信号与可见光信号经合光处理后入射产品，所述第二二色向镜用于将经过产品的光信号进行激光信号和可见光信号的分光处理，所述第一探测器接收分光处理后的激光信号，获得对应的激光波长的透过率，所述第二探测器接收分光处理后的可见光信号，获得对应的可见光波长的透过率，所述工控机通过读取所述第一探测器和所述第二探测器的信号，监控激光光控和白光光控对产品的透过率变化趋势，计算获得膜层的光学厚度。
5.进一步地，所述激光光控光路还包括光信号输出准直器，所述光信号输出准直器对所述可调谐激光光源输出的激光光束进行准直，准直后的激光光束经过所述第一二色向镜。
6.进一步地，所述白光光控光路还包括可见光信号输出透镜，所述可见光信号输出透镜对所述白光光源输出的可见光光束进行处理，处理后的可见光光束经过所述第一二色向镜，使得激光光束与可见光光束合光。
7.进一步地，所述激光光控光路还包括光信号接收准直器，所述光信号接收准直器
接收所述第二二色向镜分光出的激光信号，被所述光信号接收准直器接收的激光信号进入所述第一探测器。
8.进一步地，所述白光光控光路还包括可见光信号接收透镜，所述可见光信号接收透镜接收所述第二二色向镜分光出的可见光信号，被所述可见光信号接收透镜接收的可见光信号进入所述第二探测器。
9.进一步地，所述第一二色向镜、所述第二二色向镜为45度的二色向镜。
10.进一步地，所述45度的二色向镜为长波通二色向镜，所述长波通二色向镜反射可见光波长的光信号，透过激光波长的光信号。
11.进一步地，所述45度的二色向镜为短波通二色向镜，所述短波通二色向镜透过可见光波长的光信号，反射激光波长的光信号。
12.进一步地，所述第一探测器为功率计，所述第二探测器为单色仪。
13.本发明的第二目的是提供一种镀膜设备的直接光控方法，包括以下步骤：
14.判断激光波长的光控曲线的停止点是否为极值点；
15.若激光波长的光控曲线的停止点为极值点，则控制激光光控作为主导控制方式，对激光波长的光控曲线求导，计算得到导数为0时的膜层厚度为膜层的目标厚度；
16.若激光波长的光控曲线的停止点不是极值点，则判断激光波长的光控曲线是否经过极值点；
17.若激光波长的光控曲线经过极值点，则判断膜层起始点的透过率与极值点所在的透过率的差值相较于膜层结束点的透过率与极值点所在的透过率的差值是否在预设范围内；
18.若激光波长的光控曲线经过极值点并且膜层起始点的透过率与极值点所在的透过率的差值相较于膜层结束点的透过率与极值点所在的透过率的差值在预设范围内，则控制激光光控作为主导控制方式，通过膜层结束点的透过率与极值点所在的透过率的差值与膜层起始点的透过率与极值点所在的透过率的差值的比值对膜层结束的实际透过率进行推算，获得膜层厚度；
19.若激光波长的光控曲线不经过极值点，则切换白光光控作为主导控制方式，通过可见光波长的光控曲线的最大透过率与膜层结束点的透过率的差值与最大透过率与最小透过率的差值的比值对膜层结束的实际透过率进行推算，获得膜层厚度；
20.若激光波长的光控曲线经过极值点并且膜层起始点的透过率与极值点所在的透过率的差值相较于膜层结束点的透过率与极值点所在的透过率的差值不在预设范围内，则切换白光光控作为主导控制方式，通过可见光波长的光控曲线的膜层结束点的透过率与最小透过率的差值与最大透过率与最小透过率的差值的比值对膜层结束的实际透过率进行推算，获得膜层厚度。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
22.本发明将白光的直接光控与激光的直接光控结合，减少设备切换白光光控和激光光控的时间，并且能同时监控白光光控和激光光控的信号，通过对不同的光控走值信号采用不同的光控进行控制，能够获得精度更高的膜层。
23.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
24.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
25.图1为实施例1的镀膜设备的直接光控系统示意图；
26.图2为实施例1的45度二色向镜的透过率光谱特性曲线示意图；
27.图3为实施例2的镀膜设备的直接光控方法流程图；
28.图4为实施例2的激光波长监控下，膜层的结束点为极值点的激光光控曲线示意图；
29.图5为实施例2的激光波长监控下，经过极值点的激光光控曲线示意图；
30.图6为实施例2的膜层的结束点不是极值点的激光光控曲线示意图；
31.图7为实施例2的可见光波长530nm的透过率曲线变化示意图；
32.图8为实施例2的经过极值点并且膜层起始点的透过率与极值点所在的透过率的差值相较于膜层结束点的透过率与极值点所在的透过率的差值不在预设范围的白光光控曲线示意图；
33.图9为实施例2的可见光波长740nm的透过率曲线变化示意图。
34.图中：1、第一二色向镜；2、第二二色向镜；3、膜层材料容器；4、玻璃基板；5、光信号输出准直器；6、光信号接收准直器；7、可见光信号输出透镜；8、可见光信号接收透镜。
具体实施方式
35.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
36.实施例1
37.一种镀膜设备的直接光控系统，如图1所示，包括激光光控光路、白光光控光路、第一二色向镜1、第二二色向镜2、工控机，激光光控光路包括可调谐激光光源(图1中的tls光源)、第一探测器，可调谐激光光源用于发射特定波长的激光，激光波长为1260-1640nm；本实施例中，第一探测器为功率计。白光光控光路包括白光光源、第二探测器，本实施例中，第二探测器为单色仪，白光光源为卤素灯光源，并利用光纤透镜实现发光，可见光波长为380-900nm。第一二色向镜1用于将可调谐激光光源发射的激光信号和白光光源发射的可见光信号进行合光处理，激光信号与可见光信号经合光处理后入射产品，第二二色向镜2用于将经过产品的光信号进行激光信号和可见光信号的分光处理，第一探测器接收分光处理后的激光信号，获得对应的激光波长的透过率，第二探测器接收分光处理后的可见光信号，获得对应的可见光波长的透过率，工控机通过读取第一探测器和第二探测器的信号，监控激光光控和白光光控对产品的透过率变化趋势，计算获得膜层最优的光学厚度。
38.本实施例中，第一二色向镜1、第二二色向镜2为45度的二色向镜。利用45度的的二色向镜实现白光和激光波长的合光，使得两个光信号系统监控的产品位置为同一个产品位置；在合光信号经过产品后，再利用45度的二色向镜进行分光；
39.45度的二色向镜可以是长波通二色向镜，长波通二色向镜反射可见光波长的光信号，透过激光波长的光信号。45度的二色向镜也可以是短波通二色向镜，短波通二色向镜透过可见光波长的光信号，反射激光波长的光信号。
40.激光光控光路还包括光信号输出准直器5，光信号输出准直器5对可调谐激光光源输出的激光光束进行准直，准直后的激光光束经过第一二色向镜1。
41.白光光控光路还包括可见光信号输出透镜7，可见光信号输出透镜7对白光光源输出的可见光光束进行处理，一方面对通信波段的信号进行截止，另一方面对白光进行准直处理，处理后的可见光光束经过第一二色向镜1，使得激光光束与可见光光束合光。
42.激光光控光路还包括光信号接收准直器6，光信号接收准直器6接收第二二色向镜2分光出的激光信号，被光信号接收准直器6接收的激光信号进入第一探测器。
43.光信号接收准直器6可以改为大光斑的探测器，降低光信号接收准直器6的光路调节难度。
44.白光光控光路还包括可见光信号接收透镜8，可见光信号接收透镜8接收第二二色向镜2分光出的可见光信号，被可见光信号接收透镜8接收的可见光信号进入第二探测器。
45.本实施例采用长波通二色向镜，其透过率光谱曲线如图2所示，横坐标为波长范围380-1700nm，纵坐标为0-100％，可见光380-900nm波段范围内透过率小于0.1％，反射率大于99％；光通信1260-1650nm范围内透过率大于99％。准直后的激光光束透过第一二色向镜1，处理后的可见光光束经过45度的二色向镜反射，使得激光波长的光与白光进行合光。激光波长的光与白光合光后入射玻璃基片，再经过45度的二色向镜，激光波长的光透过二色向镜，被光信号接收准直器6接收进入功率计；白光被二色向镜反射，被可见光信号接收透镜8接收引入单色仪。通过读取功率计和单色仪的信号，工控机可以获得两组不同的光控曲线，一组为通信波长的光控曲线，另一组为可见光波长的光控曲线。
46.镀膜机设备为用于制备介质材料的真空镀膜机，真空镀膜机利用真空环境，通过制备高低折射率材料的叠加膜层的方式实现特定的光谱特性的薄膜，可以通过电子枪、阻蒸、离子束溅射、磁控溅射等手段将膜层材料容器3中的膜层材料溅射沉积到玻璃基板4上，玻璃基板4沿着轴高速旋转，以保证玻璃基板4上的膜层沉积均匀性。利用工控机监控激光光控和白光光控的光强走值趋势，判断该膜层的完成时间并发送切换膜层的信号给镀膜机，完成不同膜层材料的制备。
47.本发明提供一种镀膜设备的直接光控系统，激光光控系统与白光光控系统结合，利用45度的二色向镜将通信波段的激光波长与可见光波长的光进行合光处理，垂直入射产品，测试产品在镀膜过程中的光强信号变化；光信号经过产品后，再次经过45度的二色向镜后实现激光波长信号与白光的光信号分离，激光波长直接被第一探测器接收，白光被引入单色仪，分别获得激光波段与可见光波段的光强信号变化量，通过对两个信号变化量的综合考量获得更高精度的膜层厚度的制备，解决现有技术在特定膜层监控精度不足的问题。本发明通过将白光的直接光控与激光的直接光控结合，配合计算机处理系统对两个信号的综合考虑，大幅度提升了膜层厚度的制备精度。
48.实施例2
49.实施例1提供的一种镀膜设备的直接光控系统的光控方法，关于系统的详细描述，可以参照上述系统实施例中的对应描述，在此不再赘述。如图3所示，该光控方法包括以下
步骤：
50.激光波长的单色性要优于白光单色仪，获得的激光光控的透过率精度要高于白光的透过率精度。在以下情况下，优先使用激光波长作为监控波长。
51.判断激光波长的光控曲线的停止点是否为极值点；
52.若激光波长的光控曲线的停止点为极值点，则控制激光光控作为主导控制方式，对激光波长的光控曲线求导，计算得到导数为0时的膜层厚度为膜层的目标厚度；如图4所示，当以激光波长监控，膜层的结束点为极值点时，激光波长为1530nm，制备1个1/4波长厚度的ta2o5时，ta2o5的折射率为2.12795，其完成的目标停止点为极值点，通过对光谱数据的模拟曲线求导，当导数为0时，即达到该膜层的目标厚度；另一方面，直接光控都走极值，具有补偿效应；所以在这个光控曲线的情况下，使用激光波长作为监控手段。
53.若激光波长的光控曲线的停止点不是极值点，则判断激光波长的光控曲线是否经过极值点；
54.若激光波长的光控曲线经过极值点，则判断膜层起始点的透过率与极值点所在的透过率的差值相较于膜层结束点的透过率与极值点所在的透过率的差值是否在预设范围内；
55.若激光波长的光控曲线经过极值点并且膜层起始点的透过率与极值点所在的透过率的差值相较于膜层结束点的透过率与极值点所在的透过率的差值在预设范围内，如膜层起始点的透过率与极值点所在的透过率的差值相较于膜层结束点的透过率与极值点所在的透过率的差值要大或者接近，具体范围可以根据实际需求进行设置，则控制激光光控作为主导控制方式，通过膜层结束点的透过率与极值点所在的透过率的差值与膜层起始点的透过率与极值点所在的透过率的差值的比值对膜层结束的实际透过率进行推算，获得膜层厚度；
56.如图5所示，当以激光波长监控时，光控曲线经过极值点，极值点所在透过率(图5中的tmin)与膜层起始点的透过率(图5中的tstart)的差值对比膜层结束点的透过率(图5中的tend)与极值点所在透过率的差值要大或接近时，由于(tstart-tmin)》(tend-tmin)，实际测量误差被系数缩小，所以通过系数(tend-tmin)/(tstart-tmin)对膜层结束的实际透过率进行推算，从而获得精度高的膜层厚度；激光波长为1290nm，制备折射率为2.13443,厚度为226.64nm的膜层材料。
57.在以下情况下，则优先使用变光作为监控波长。
58.若激光波长的光控曲线不经过极值点，则切换白光光控作为主导控制方式，白光光控有经过极值点，可以利用比值法计算结束点。具体的，通过可见光波长的光控曲线的最大透过率与膜层结束点的透过率的差值与最大透过率与最小透过率的差值的比值对膜层结束的实际透过率进行推算，获得膜层厚度；
59.如图6所示，以1550nm为参考波长，制备0.8个1/4波长厚度的ta2o5时，ta2o5的折射率为2.12677，其理论的光控曲线未经过极值点，其光控曲线没有相对应的参考基准点，在光控算法上较难精确的控制其厚度。通过采用白光光控选择532nm作为监控波长，则本膜层的ta2o5折射率为2.23572，其光学厚度变为2.4595个1/4波长厚度，如图7所示，利用530nm的白光波长监控本膜层的厚度，可以通过(tmax-tend)/(tmax-tmin)比值法计算获得对应停止点；其中tmax为图7光控曲线中的最大透过率，tmin为图7光控曲线中的最小透过
率，tend为图7光控曲线中结束点的透过率，通过比值法可以获得精度较高的膜层厚度。
60.若激光波长的光控曲线经过极值点并且膜层起始点的透过率与极值点所在的透过率的差值相较于膜层结束点的透过率与极值点所在的透过率的差值不在预设范围内，比如膜层起始点的透过率与极值点所在的透过率的差值相较于膜层结束点的透过率与极值点所在的透过率的差值要小得多，具体范围可以根据实际需求进行设置，则切换白光光控作为主导控制方式，通过可见光波长的光控曲线的膜层结束点的透过率与最小透过率的差值与最大透过率与最小透过率的差值的比值对膜层结束的实际透过率进行推算，获得膜层厚度。
61.如图8所示，在111.63nmta2o5/210.69nmsio2膜系，制备sio2时，监控波长为1420nm；当以激光波长监控时，当光控曲线经过极值点，极值点所在透过率(图8中的tmin)与膜层起始点的透过率(图8中的tstart)的差值对比极值点所在透过率与膜层结束点的透过率(图8中的tend)的差值要小得多时，由于(tstart-tmin)《《(tend-tmin)，实际测量误差被系数放大，所以通过系数(tend-tmin)/(tstart-tmin)对膜层结束的实际透过率进行推算，获得的实际透过率误差会较大。通过获取可见光波长740nm的透过率曲线变化，可以获得经过极值点，tmax-tmin》tend-tmin的曲线，如图9所示。
62.需要说明的是，除了使用以上白光光控和激光光控的综合算法以外，还可以单独使用常规的激光光控算法和白光光控算法。
63.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
64.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
65.以上仅为本说明书实施例而已，并不用于限制本说明书一个或多个实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书一个或多个实施例可以有各种更改和变换。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的权利要求范围之内。

技术特征：
1.一种镀膜设备的直接光控系统，其特征在于：包括激光光控光路、白光光控光路、第一二色向镜、第二二色向镜、工控机，所述激光光控光路包括可调谐激光光源、第一探测器，所述白光光控光路包括白光光源、第二探测器，所述第一二色向镜用于将所述可调谐激光光源发射的激光信号和所述白光光源发射的可见光信号进行合光处理，激光信号与可见光信号经合光处理后入射产品，所述第二二色向镜用于将经过产品的光信号进行激光信号和可见光信号的分光处理，所述第一探测器接收分光处理后的激光信号，获得对应的激光波长的透过率，所述第二探测器接收分光处理后的可见光信号，获得对应的可见光波长的透过率，所述工控机通过读取所述第一探测器和所述第二探测器的信号，监控激光光控和白光光控对产品的透过率变化趋势，计算获得膜层的光学厚度。2.如权利要求1所述的一种镀膜设备的直接光控系统，其特征在于：所述激光光控光路还包括光信号输出准直器，所述光信号输出准直器对所述可调谐激光光源输出的激光光束进行准直，准直后的激光光束经过所述第一二色向镜。3.如权利要求2所述的一种镀膜设备的直接光控系统，其特征在于：所述白光光控光路还包括可见光信号输出透镜，所述可见光信号输出透镜对所述白光光源输出的可见光光束进行处理，处理后的可见光光束经过所述第一二色向镜，使得激光光束与可见光光束合光。4.如权利要求3所述的一种镀膜设备的直接光控系统，其特征在于：所述激光光控光路还包括光信号接收准直器，所述光信号接收准直器接收所述第二二色向镜分光出的激光信号，被所述光信号接收准直器接收的激光信号进入所述第一探测器。5.如权利要求4所述的一种镀膜设备的直接光控系统，其特征在于：所述白光光控光路还包括可见光信号接收透镜，所述可见光信号接收透镜接收所述第二二色向镜分光出的可见光信号，被所述可见光信号接收透镜接收的可见光信号进入所述第二探测器。6.如权利要求1所述的一种镀膜设备的直接光控系统，其特征在于：所述第一二色向镜、所述第二二色向镜为45度的二色向镜。7.如权利要求6所述的一种镀膜设备的直接光控系统，其特征在于：所述45度的二色向镜为长波通二色向镜，所述长波通二色向镜反射可见光波长的光信号，透过激光波长的光信号。8.如权利要求6所述的一种镀膜设备的直接光控系统，其特征在于：所述45度的二色向镜为短波通二色向镜，所述短波通二色向镜透过可见光波长的光信号，反射激光波长的光信号。9.如权利要求1所述的一种镀膜设备的直接光控系统，其特征在于：所述第一探测器为功率计，所述第二探测器为单色仪。10.一种如权利要求1～9任一项所述系统的镀膜设备的直接光控方法，其特征在于，包括以下步骤：判断激光波长的光控曲线的停止点是否为极值点；若激光波长的光控曲线的停止点为极值点，则控制激光光控作为主导控制方式，对激光波长的光控曲线求导，计算得到导数为0时的膜层厚度为膜层的目标厚度；若激光波长的光控曲线的停止点不是极值点，则判断激光波长的光控曲线是否经过极值点；若激光波长的光控曲线经过极值点，则判断膜层起始点的透过率与极值点所在的透过
率的差值相较于膜层结束点的透过率与极值点所在的透过率的差值是否在预设范围内；若激光波长的光控曲线经过极值点并且膜层起始点的透过率与极值点所在的透过率的差值相较于膜层结束点的透过率与极值点所在的透过率的差值在预设范围内，则控制激光光控作为主导控制方式，通过膜层结束点的透过率与极值点所在的透过率的差值与膜层起始点的透过率与极值点所在的透过率的差值的比值对膜层结束的实际透过率进行推算，获得膜层厚度；若激光波长的光控曲线不经过极值点，则切换白光光控作为主导控制方式，通过可见光波长的光控曲线的最大透过率与膜层结束点的透过率的差值与最大透过率与最小透过率的差值的比值对膜层结束的实际透过率进行推算，获得膜层厚度；若激光波长的光控曲线经过极值点并且膜层起始点的透过率与极值点所在的透过率的差值相较于膜层结束点的透过率与极值点所在的透过率的差值不在预设范围内，则切换白光光控作为主导控制方式，通过可见光波长的光控曲线的膜层结束点的透过率与最小透过率的差值与最大透过率与最小透过率的差值的比值对膜层结束的实际透过率进行推算，获得膜层厚度。

技术总结
本发明涉及一种镀膜设备的直接光控系统及方法，该系统的激光光控光路包括可调谐激光光源、第一探测器，白光光控光路包括白光光源、第二探测器，第一二色向镜将可调谐激光光源发射的激光信号和白光光源发射的可见光信号进行合光处理，第二二色向镜将经过产品的光信号进行分光处理，通过第一探测器获得对应的激光波长的透过率，通过第二探测器获得对应的可见光波长的透过率，工控机监控激光光控和白光光控对产品的透过率变化趋势，计算获得膜层的光学厚度。本发明将白光的光控与激光的光控结合，减少设备切换白光和激光光控的时间，能同时监控白光和激光光控的信号，通过对不同的光控走值信号采用不同的光控进行控制，能够获得精度更高的膜层。精度更高的膜层。精度更高的膜层。


技术研发人员：李昱 苏炎 陈居凯
受保护的技术使用者：苏州众为光电有限公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/9/5