石英晶体监控法镀制高精度光学薄膜

　　随着光通信技术和激光技术的飞速发展,尤其是近代信息光学、光电子技术及光子技术的发展,光学薄膜在纯光学器件、光通信器件和光电器件中得到了广泛的应用。由于对光学薄膜的光学性能要求越来越高,因此其镀制技术已占据了相当重要的地位。

　　光学薄膜的几何厚度直接决定和影响着薄膜的光谱特性,因而准确控制膜厚,就成为制备光学薄膜的关键^[1]。目前,广泛采用的膜厚监控方法是光学监控法,即光电极值法。但这种方法镀制的薄膜,所能得到的固有精度很差,且重复性较差,因此迫切需要采用具有实时精密监控性能的监控技术^[2,3]。石英晶体监控法作为一种优秀的监控技术,可以实现光学薄膜的高精度镀制,满足当前对光学薄膜的各种光学性能要求,而且尤其适合那些无法为光学监控法提供通光光路的镀膜设备。

　　Inficon公司的IC/5镀膜自动控制仪是以石英晶体监控法作为监控技术。通过对现有的ZZSX-800型镀膜机进行改造,加装上述设备,我们在普乐(合肥)光技术有限公司,采用离子辅助沉积(IAD)^[4,5,6]热蒸发镀膜技术,在厚度为6 mm,长、宽为50×50 mm的正方形K9玻璃基片上,成功镀制出标准具中所用的高性能高反膜。所镀膜层在要求的工作区间内反射率极高,湿度和温度所引起的波长漂移小,光学性能良好。

　　1　石英晶体监控法的原理

　　石英晶体机械振动的正常模式有很高的品质因数(Q)值,通过石英的压电效应,机械振动可转换为电信号,反之亦然。石英晶体振荡法的原理就是利用石英晶体厚度剪切模振荡的谐振基频与厚度有关这一特性。将石英晶体谐振片置于膜料蒸汽中,由于晶体表面被镀上膜层,其总质量发生变化,从而谐振频率降低;测量出频率变化量便可知质量的增量。此类设备国内仅少数科研单位使用,可以用于热蒸发、溅射或是离子束镀膜过程,监控金属薄膜、半导体薄膜或绝缘介质薄膜的厚度,所监控的膜系可以是非规整膜或复合膜等复杂膜系,监控精度可达一个原子层厚度。

　　无限大的石英晶体,在振荡时的谐振基频F_^q为

　　其中,t^_q为石英晶体的厚度,Nat为常数(对于AT切割的晶体,N^_at=1661 kHz·mm)。依据上式可推导出沉积膜层的厚度t^_f与谐振基频F^_q的微分关系式

　　其中,ρ^_f为沉积膜层的密度,ρ^_q为石英晶体的密度。

　　在所沉积的膜层厚度不大时,石英晶体的谐振频率变化不大,故上式近似地给出了膜层厚度和谐振基频的线性关系。但这种方法假设石英晶体的振荡模式不受薄膜沉积的影响,而实际上石英晶体的振荡模式会发生变化,由单一材料的振荡模式,变为两种材料的混合振荡模式。考虑到这一点,可采用Lu和Lewis^[7]推导的声阻抗法测厚的公式