第22卷第3期 光学仪器 Vol 22.Na 3 2000年6月 OPT ICAL NSTRUM EN TS June 2000 旋转基板的激光测温 陆思渊马秀芳沈元华 (复旦大学物理系,上海200433) 摘要:激光测温是一种先进的温度测量方法。它具有测量准确、反应速度快、 非接触等特点,尤其适用于测量真空镀膜中基板的温度。但目前的测温对象只能 是固定的基板,因而还不完全实用。我们新发展了一种自动测温系统,可以对旋 转基板的干涉条纹移动进行计数,从而实现了旋转基板的测温,使激光测温技术 更具实用性。介绍了该系统的原理、设计并给出了一次实际测温的结果 关键词激光测温,真空镀膜。 M easur ng a ro ta ting substra te tem pera ture by la ser LU SHan MA X if ang SH EN Yuanhua Department of Physics, Fudan U niversity, Shanghai 200433) Abstract Temperature m easurem ent by laser is an advanced method for m easuring tem perature It has the advan tage of accuracy, rap id ity, non-touch ing and is suitab le for measuring the tem perature of sub strate in vacuum coating p lants But so far the object of measuring is Im ited to stat nary p late Recently we have developed an au tom at ic m easuring sy stem w hich is ab le to m easure the tem perature of a ro tating substrate by counting the ovem ent of interference fringes fo m ed by the substrate the developm ent m akes the method more useful in pract ical coating p rocess The princ p le and design as well as a result of the sy stem are p resen ted Key words m easuring tem perature by laser, vacuum coating 1引言 在各类真空镀膜中,基板温度是影响薄膜质量的要素之一,也是镀膜过程中最难测准和控 制的因素之一。多年来,国内外生产的各类镀膜机大都采用热电偶来测量基板温度,而由于真 空中热电偶的温度和基板的温度并不相同,这种方法的系统误差很大。激光测温克服了上述缺 点,有很多优越性。这个方法的基本思想是让一束激光照射到待测基板上,使基板前后表面 的两束反射光干涉,这种干涉条纹与基板光学厚度有关,当基板温度变化时,其光学厚度随之 改变,从而引起干涉条纹的相应移动。测出条纹的移动数,即可求出基板的实际温度。由于这 个方法中的测温元件就是待测基板本身,因而其测量结果是正确可靠的。自1968年这个方法 由哈克曼提出以来,激光测温中的条纹移动数都是由人工计数来实现的。1998年费越、马秀 S1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights resered
旋转基板的激光测温 陆思渊 马秀芳 沈元华 (复旦大学物理系, 上海 200433) 摘要: 激光测温是一种先进的温度测量方法。它具有测量准确、反应速度快、 非接触等特点, 尤其适用于测量真空镀膜中基板的温度。但目前的测温对象只能 是固定的基板, 因而还不完全实用。我们新发展了一种自动测温系统, 可以对旋 转基板的干涉条纹移动进行计数, 从而实现了旋转基板的测温, 使激光测温技术 更具实用性。介绍了该系统的原理、设计并给出了一次实际测温的结果。 关键词: 激光测温, 真空镀膜。 M ea sur ing a rota ting substra te tem pera ture by la ser L U S iy uan M A X iuf ang S H EN Y uanhua (D epartm ent of Physics, Fudan U niversity, Shanghai 200433) Abstract: T em peratu re m easu rem en t by laser is an advanced m ethod fo r m easu ring tem peratu re. It has the advan tage of accu racy, rap idity, non2touch ing and is su itab le fo r m easu ring the tem peratu re of sub strate in vacuum coating p lan ts. Bu t so far the ob ject of m easu ring is lim ited to stationary p late. R ecen tly w e have developed an au tom atic m easu ring system w h ich is ab le to m easu re the tem peratu re of a ro tating sub strate by coun ting the m ovem en t of in terference fringes fo rm ed by the sub strate. T he developm en t m akes the m ethod m o re u sefu l in p ractical coating p rocess. T he p rincip le and design as w ell as a resu lt of the system are p resen ted. Key words: m easu ring tem peratu re by laser, vacuum coating. 1 引 言 在各类真空镀膜中, 基板温度是影响薄膜质量的要素之一, 也是镀膜过程中最难测准和控 制的因素之一。多年来, 国内外生产的各类镀膜机大都采用热电偶来测量基板温度, 而由于真 空中热电偶的温度和基板的温度并不相同, 这种方法的系统误差很大。激光测温克服了上述缺 点, 有很多优越性[ 1 ]。这个方法的基本思想是让一束激光照射到待测基板上, 使基板前后表面 的两束反射光干涉, 这种干涉条纹与基板光学厚度有关, 当基板温度变化时, 其光学厚度随之 改变, 从而引起干涉条纹的相应移动。测出条纹的移动数, 即可求出基板的实际温度。由于这 个方法中的测温元件就是待测基板本身, 因而其测量结果是正确可靠的。自 1968 年这个方法 由哈克曼提出以来, 激光测温中的条纹移动数都是由人工计数来实现的。1998 年费越、马秀 第 22 卷 第 3 期 2000 年 6 月 光 学 仪 器 O PT ICAL IN STRUM EN T S V o l. 22,N o. 3 June, 2000 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
光学仪器 第22卷 芳、沈元华等研制了一种CCD一计算机系统1,它可以跟踪光斑中心并测出通过中心点的干 涉条纹数,实现了固定基板激光测温的自动化 实际镀膜工艺中大都采用旋转基板的方法来保持加热与镀膜的均匀。为与之适应,激光测 温必须能够测量转动基板的温度才能得到实际应用。然而这种要求给激光测温的核心内容条 纹计数带来了极大的困难。随着基板的转动,激光在基板上的照射点也不断改变,这造成了光 斑位置和条纹方向的变化。人工计数与上述自动测温方法都无法对这样的条纹移动进行计数。 为了解决这个困难,最近我们发展了一种能够测量旋转基板温度的自动激光测温方法。 2激光测温原理 当一束激光以接近正入射的角度射到一块均匀的各向同性的平行平面基板上时,从基板 前后表面反射的两束光会产生干涉条纹,如图1所示。 激光 光斑 透明基板 图1激光干涉及其条纹 如果基板的折射率和厚度分别为n和t,则两反射光束的光程差为△=2n,当基板温度r 改变时,光程差Δ随之改变,引起干涉条纹移动。Δ随温度的变化率为 B+2 其中β为基板的线膨胀系数,∝和y的值可以通过手册查到或通过定标得到。因此在一个 特定的加温过程中,如果移过光斑中心的干涉条纹数为k,则基板升高的温度矿r为 21) 如初始温度为T,则基板的温度T是 n 例如:一块厚度为sm的K9玻璃,用HeNe激光测量,温度范围在300350K,可求得 h5.5K。如果初始温度To=300K,则测得的温度T=(300+5.5k)K 3旋转基板的测温方法 随着基板的转动,激光在基板上照射点的位置发生变化,因而厚度也会发生变化,这显然 2 o1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
芳、沈元华等研制了一种 CCD—计算机系统[ 2 ] , 它可以跟踪光斑中心并测出通过中心点的干 涉条纹数, 实现了固定基板激光测温的自动化。 实际镀膜工艺中大都采用旋转基板的方法来保持加热与镀膜的均匀。为与之适应, 激光测 温必须能够测量转动基板的温度才能得到实际应用。然而这种要求给激光测温的核心内容条 纹计数带来了极大的困难。随着基板的转动, 激光在基板上的照射点也不断改变, 这造成了光 斑位置和条纹方向的变化。人工计数与上述自动测温方法都无法对这样的条纹移动进行计数。 为了解决这个困难, 最近我们发展了一种能够测量旋转基板温度的自动激光测温方法。 2 激光测温原理 当一束激光以接近正入射的角度射到一块均匀的各向同性的平行平面基板上时, 从基板 前后表面反射的两束光会产生干涉条纹, 如图 1 所示。 图 1 激光干涉及其条纹 如果基板的折射率和厚度分别为 n 和 t, 则两反射光束的光程差为 ∃= 2n t, 当基板温度 T 改变时, 光程差 ∃ 随之改变, 引起干涉条纹移动。∃ 随温度的变化率为 5∃ 5T = 2n dt dT + 2t dn dT = 2n tΒ+ 2T Α= 2tΧ 其中 Β为基板的线膨胀系数, Α和 Χ的值可以通过手册查到或通过定标得到。因此在一个 特定的加温过程中, 如果移过光斑中心的干涉条纹数为 k , 则基板升高的温度 ∆T 为 ∆T = kΚ 2tΧ = Γk 如初始温度为 T 0, 则基板的温度 T 是 T = T 0 + Γk 例如: 一块厚度为 5mm 的 K9 玻璃, 用H e2N e 激光测量, 温度范围在 300～ 350K, 可求得 Γ= 515K。如果初始温度 T 0= 300K, 则测得的温度 T = (300+ 515k ) K 3 旋转基板的测温方法 随着基板的转动, 激光在基板上照射点的位置发生变化, 因而厚度也会发生变化, 这显然 ·4· 光 学 仪 器 第 22 卷 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
第3期 陆思渊等:旋转基板的激光测温 5 会引起条纹的移动。可以发现每当基板转到同一位置时,光斑位置和条纹方向基本不变,条纹 移动只是由温度变化所引起的。因此只要计算基板转到同一位置时条纹的移动即可解决上述 问题。我们用如图2所示的实验装置来使测量时激光照射在基板的同一位置上 l=cNc激光 观察屏 计算机 视频卡亚动程序叫主程序 娘动开关S AD卡 驱动程序 Himont. exe 转盘 基板 固定在支架上的突尖P 显示 动态图象 固定在转盘上的 温度记录 动开关S 转盘边缘 转盘转动方向 图2旋转基板测温装置概图 当装在转盘上的突尖P通过开关S时,开关闭合,AD卡上得到高电平,计算机不断监测 AD卡上的电压值以得知何时P通过S,并以此时基板位置为基准。实验过程中我们只考察位 于基准位置时条纹的变化情况。 4实验步骤 4.1初始化 确定基板位于基准位置时条纹的方向、间距、宽度与亮度。此时若发生异常情况,应手动删 除,并重新初始化,以保证初始化数据的正确性。这些初始化数据将作为标准在以后用于判断 条纹是否异常 4.2测温 首先确定光斑中心。考虑到计算机速度的要求,不能对图象的每个像素采样。由于在基板 每旋转一圈时(基板位于基准位置),条纹中心的位置变化不大,因而只要对上一次光斑中心的 周围采样,就可得到亮度分布1(x,y)。用最大平方差法得阈值1o滤去杂光得 0(1<l0) 1-10(1≥lo) 再求出1的加权重心,即得新的光斑中心位置如下 xm+1=xa+∑∑ xn千n·1 (其中R应估计得比光斑半径大一些) 接着计算条纹移动。以与条纹垂直方向上各点到中心的位移r为横坐标,为纵坐标,作 亮度分布曲线,光滑化后求出每个极大峰的位置。这些峰的位置即对应于条纹中心,连续地测 C1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. Al rights reserved
会引起条纹的移动。可以发现每当基板转到同一位置时, 光斑位置和条纹方向基本不变, 条纹 移动只是由温度变化所引起的。因此只要计算基板转到同一位置时条纹的移动即可解决上述 问题。我们用如图 2 所示的实验装置来使测量时激光照射在基板的同一位置上。 图 2 旋转基板测温装置概图 当装在转盘上的突尖 P 通过开关 S 时, 开关闭合,AD 卡上得到高电平, 计算机不断监测 AD 卡上的电压值以得知何时 P 通过 S, 并以此时基板位置为基准。实验过程中我们只考察位 于基准位置时条纹的变化情况。 4 实验步骤 411 初始化 确定基板位于基准位置时条纹的方向、间距、宽度与亮度。此时若发生异常情况, 应手动删 除, 并重新初始化, 以保证初始化数据的正确性。这些初始化数据将作为标准在以后用于判断 条纹是否异常。 412 测温 首先确定光斑中心。考虑到计算机速度的要求, 不能对图象的每个像素采样。由于在基板 每旋转一圈时(基板位于基准位置) , 条纹中心的位置变化不大, 因而只要对上一次光斑中心的 周围 采 样, 就 可 得 到 亮 度 分 布 I ( x , y )。 用 最 大 平 方 差 法 得 阈 值 I 0。 滤 去 杂 光 得 I′= 0 (I< I 0) I- I 0 (I≥I 0) 再求出 I′的加权重心, 即得新的光斑中心位置如下: x n+ 1= x n+ ∑ R i= - R ∑ R j= - R I′(x n+ i, y n+ j) ·i I′(x n+ i, y n+ j) y n+ 1= y n+ ∑ R i= - R ∑ R j= - R I′(x n+ i, y n+ j) ·j I′(x n+ i, y n+ j) (其中R 应估计得比光斑半径大一些) 接着计算条纹移动。以与条纹垂直方向上各点到中心的位移 r 为横坐标, I′为纵坐标, 作 亮度分布曲线, 光滑化后求出每个极大峰的位置。这些峰的位置即对应于条纹中心, 连续地测 第 3 期 陆思渊等: 旋转基板的激光测温 ·5· © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
光学仪器 第22卷 出最接近中心的峰的位置r,可计算通过中心的条纹数(图3),从而得到温度与时间的关系 图3条纹移动计数法 初始化中所得的数据在这时被用作判断每一帧条纹是否异常。异常情况有两种:(1)因为 基板偶然地剧烈抖动使条纹糊作一团,这种情况发生的频率由转动装置的机械性能决定。这类 异常只能删除,(2)因为噪声太大而不能被平滑化,使亮度分布线上除了条纹中心位置外还有 其他小峰,这时可遵循一定的规则,根据标准峰的宽度与亮度来删除无意义的小峰。 5实验结果 实验在G31B高真空镀膜机中进行,为减少基板抖动,采取了一些特殊方法来固定基 板。其他设备为 MNTRON MTV-150lCB摄像头、 Meteor视频卡、P166微机、HeNe激光 器和“中泰PC-6310AD卡。程序界面如图4所示。测量样品为4.55m的K9玻璃,在102 Pa真空中加热,加热电流1.5A,温升曲线如图5所示。 T=3224K 6 图4程序界面 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. rights resered
出最接近中心的峰的位置 r0, 可计算通过中心的条纹数(图 3) , 从而得到温度与时间的关系。 图 3 条纹移动计数法 初始化中所得的数据在这时被用作判断每一帧条纹是否异常。异常情况有两种: (1) 因为 基板偶然地剧烈抖动使条纹糊作一团, 这种情况发生的频率由转动装置的机械性能决定。这类 异常只能删除; (2) 因为噪声太大而不能被平滑化, 使亮度分布线上除了条纹中心位置外还有 其他小峰, 这时可遵循一定的规则, 根据标准峰的宽度与亮度来删除无意义的小峰。 5 实验结果 实验在 GZD 310B 高真空镀膜机中进行, 为减少基板抖动, 采取了一些特殊方法来固定基 板。其他设备为M IN TRON M TV —1501CB 摄像头、M eteo r 视频卡、P166 微机、H e2N e 激光 器和“中泰 PC—6310”AD 卡。程序界面如图 4 所示。测量样品为 4155mm 的 K9 玻璃, 在 10- 2 Pa 真空中加热, 加热电流 115A , 温升曲线如图 5 所示。 图 4 程序界面 ·6· 光 学 仪 器 第 22 卷 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
第3期 陆思渊等:旋转基板的激光测温 415 期m期路3p0m 300 0020003004000500060007000809000100011000 时间(s) 图5温度变化曲线 结束语 实验证明,旋转基板的激光测温是可行的。与原有的激光测温方法相比,它第一次测量了 实际镀膜工艺所要求的旋转基板的温度,使激光测温技术更具实用性。实际镀膜过程中设法区 分膜厚变化引起的条纹移动和温度变化引起的条纹移动,从而测量镀膜过程中样品的升温情 况的工作正在进行中 7参考文献 1沈元华.利用激光干涉测定多层镀膜过程中的基板温度,光学工艺,1979(4):225 2 FEI Yue, XI Yangang, CHEN Yuanjie, MA Xifang, SHEN Yuanhua A utom aton of temperature m easurem ent by laser PrOc SP IE,1998,3558:87 2 01995-2005 Tsinghua Tong/ang Optical Disc Co., Ltd. rights resered
图 5 温度变化曲线 6 结束语 实验证明, 旋转基板的激光测温是可行的。与原有的激光测温方法相比, 它第一次测量了 实际镀膜工艺所要求的旋转基板的温度, 使激光测温技术更具实用性。实际镀膜过程中设法区 分膜厚变化引起的条纹移动和温度变化引起的条纹移动, 从而测量镀膜过程中样品的升温情 况的工作正在进行中。 7 参考文献 1 沈元华 1 利用激光干涉测定多层镀膜过程中的基板温度 1 光学工艺, 1979 (4): 21～ 251 2 FE I Yue, X I Yangang, CH EN Yuanjie,M A X iufang, SH EN Yuanhua. A utom ation of temperature m easurem ent by laser. P roc. SP IE, 1998, 3558: 87. 第 3 期 陆思渊等: 旋转基板的激光测温 ·7· © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
