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石英晶體微天平(QCM)法
原理:石英晶體微天平是一種基于石英晶體的壓電效應來測量膜層厚度的方法,當在石英晶體表面沉積薄膜時,晶體的振動頻率會發(fā)生變化。根據(jù) Sauerbrey 方程,頻率的變化與沉積薄膜的質(zhì)量(從而可以換算為厚度)成正比。例如,在蒸發(fā)光學鍍膜過程中,隨著鍍膜材料不斷沉積在石英晶體表面,晶體的振動頻率就會相應,通過準確測量頻率的變化,就能計算出膜層的厚度。
優(yōu)點:這種方法具有很高的靈敏度,可以實時、準確地測量膜層厚度,能夠到薄的膜層,厚度分辨率可以達到級別。它的測量速度也比較快,能夠很好地適應連續(xù)鍍膜過程中的動態(tài)監(jiān)測。
缺點:QCM 的測量結(jié)果會受到鍍膜材料的密度和聲學特性的影響。如果鍍膜材料的性質(zhì)與用于校準的材料不同,可能會導致測量誤差。而且,石英晶體在使用一段時間后可能會出現(xiàn)老化、污染等情況,影響測量的準確性。
控制方法:在鍍膜設(shè)備中,通過將 QCM 測量得到的厚度數(shù)據(jù)反饋給鍍膜控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)可以根據(jù)預設(shè)的厚度目標值來調(diào)整鍍膜工藝參數(shù)。例如,如果測量到的膜層厚度增長速度過快,控制系統(tǒng)可以蒸發(fā)源的功率或者減少反應氣體的流量,從而減緩膜層的生長速度,以達到準確控制厚度的目的。
光學干涉法
原理:光學干涉法是利用光的干涉現(xiàn)象來測量膜層厚度。當一束光照射到有薄膜覆蓋的基底表面時,由于薄膜上下表面反射光的光程差會產(chǎn)生干涉條紋。通過分析干涉條紋的特征(如條紋間距、條紋移動量等),可以計算出膜層的厚度。例如,在薄膜厚度變化時,干涉條紋會發(fā)生移動,根據(jù)條紋移動的數(shù)量和光的波長等參數(shù),就可以確定膜層的厚度變化量。
優(yōu)點:它是一種非接觸式的測量方法,不會對正在生長的膜層造成干擾。可以在較寬的膜層厚度范圍內(nèi)進行測量,并且能夠提供膜層厚度的空間分布信息,適用于大面積鍍膜的監(jiān)測。
缺點:光學干涉法對測量環(huán)境的穩(wěn)定性要求較高,例如,外界的振動、溫度變化等因素可能會導致干涉條紋的不穩(wěn)定,從而影響測量精度。而且,對于薄或者厚的膜層,測量的準確性可能會受到一定限制。
控制方法:與 QCM 類似,將光學干涉法測量的厚度數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)。在多層膜鍍膜過程中,根據(jù)干涉測量得到的每層膜的厚度,及時調(diào)整鍍膜參數(shù),確保每層膜都能達到設(shè)計要求的厚度。例如,在制備具有準確厚度要求的窄帶濾光片時,通過光學干涉法實時監(jiān)測每一層膜的厚度,保證濾光片的光學性能符合設(shè)計標準。
光譜法
原理:光譜法是基于薄膜對光的吸收、反射或透射等光譜特性隨膜層厚度的變化來測量厚度。不同厚度的薄膜會對特定波長的光產(chǎn)生不同的吸收或反射強度。通過測量鍍膜前后光譜的變化,利用已知的材料光學常數(shù)和光譜模型,可以計算出膜層的厚度。例如,在紫外 - 可見 - 近紅外光譜范圍內(nèi),對于一些具有吸收特性的鍍膜材料,隨著膜層厚度的增加,特定波長處的光吸收會增強,根據(jù)吸收峰的強度變化來確定膜層厚度。
優(yōu)點:可以同時獲得膜層的厚度和光學常數(shù)等信息,對于研究膜層的光學性質(zhì)和成分有用。它適用于多種鍍膜材料和膜層結(jié)構(gòu),并且可以在鍍膜完成后對膜層進行非破壞性的厚度測量。
缺點:光譜法的測量精度依賴于準確的材料光學常數(shù)和光譜模型,對于復雜的膜層結(jié)構(gòu)和未知材料,可能需要進行復雜的校準和模型擬合工作。而且,光譜測量設(shè)備相對復雜,成本較高。
控制方法:在鍍膜過程中,通過定期進行光譜測量,將測量結(jié)果與預先建立的厚度 - 光譜數(shù)據(jù)庫進行對比,調(diào)整鍍膜參數(shù)。例如,在化學氣相沉積鍍膜中,根據(jù)光譜測量的膜層厚度信息,調(diào)整反應氣體的濃度和反應時間,以控制膜層的生長。
時間控制法
原理:時間控制法是一種比較簡單直接的方法。它是基于在穩(wěn)定的鍍膜工藝條件下,膜層的生長速度與鍍膜時間成正比的原理。通過預先確定鍍膜材料在特定工藝條件下(如蒸發(fā)速率、反應速率等)的生長速度,然后根據(jù)需要的膜層厚度計算出所需的鍍膜時間,按照這個時間進行鍍膜。例如,在已知蒸發(fā)鍍膜材料的蒸發(fā)速率為一定值的情況下,要鍍一定厚度的膜,就可以通過計算蒸發(fā)時間來控制膜層厚度。
優(yōu)點:這種方法簡單易行,不需要復雜的測量設(shè)備。對于一些對膜層厚度精度要求不是特別高的應用場景或者在鍍膜工藝已經(jīng)成熟穩(wěn)定的情況下,是一種經(jīng)濟有效的控制方法。
缺點:它的精度相對較低,因為鍍膜過程中可能會受到各種因素(如蒸發(fā)源的穩(wěn)定性、氣體流量的微小波動等)的影響,導致膜層生長速度發(fā)生變化。而且,這種方法很難實時監(jiān)測和調(diào)整膜層厚度。