5-2 實驗方法
傳統上，鍍製全介電質Fabry-Perot 窄帶濾光片都是以監控中心波長的極值法，
因為極值法能對中心波長做補償，使穿透帶的峰值位置維持在設計的中心波長。但 是在極值附近的靈敏度極小，切點不易判斷，造成誤差的產生。
本文提出的新型監控方式，選擇較中心波長為短的監控波長，在切點時具有高 靈敏度，而在鍍膜過程中產生的些微誤差（折射率或膜厚），則透過第四章數學公 式的運算對中心波長做出適當的補償，來達到中心波長不飄移、膜厚更準確的目的。
本研究的實驗方式為：分別以傳統極值法與新型監控法鍍製19 層之 Fabry-Perot 全介電質窄帶濾光片，藉由成品光譜穿透帶之峰值位置探討新監控法對中心波長膜 厚的之補償效果，以及穿透帶之半高寬檢視切點之準確度。
新監控法的部分又分為單一監控波長與多波長的方式。單一監控波長顧名思義 就是鍍膜過程中只使用一個監控波長，因此會有某些層的靈敏度較高，某些層的靈 敏度較低的情況；多波長則是在每一層皆可自由變換監控波長，因此可透過選擇不 同監控波長保持每一層膜切點的高靈敏度。
5-2-1 膜層設計
19 層之全介電質 Fabry-Perot 窄帶濾光片膜層結構為 Glass/(HL）10 (LH）10/Air，
H 材料為 Ta2O5，L 材料為 SiO2。
中心波長的選擇主要是考慮鍍膜機配置的監控器波長範圍，其可用範圍為 330~950nm，但是再考慮到使用鹵素燈泡作為光源，整體光訊號在 600~800nm 有較 高的強度可以降低噪訊比，如圖 5-2、 5-3 所示。由於新型監控法的 runsheet 圖上 每層膜都要有一個轉折點（也只能有一個，中間層除外），因此監控波長的選擇需 小於中心波長，考慮以上的因素後決定中心波長為800nm，而監控波長在 600~800nm 之間作選擇。
圖5-2 光訊號強度分佈圖
圖5-3 穿透率與雜訊強度分佈圖
5-2-2 監控波長的選擇
5-2-2-1 極值法的監控波長
極值法以中心波長800nm 做為監控波長，下圖 5-4 為極值法的 RunSheet 模擬圖。
圖5-4 監控波長為 800nm 的 RunSheet 模擬圖
5-2-2-2 單一波長新型監控法的監控波長
由於新型監控法的 runsheet 圖上每層膜都要有一個轉折點（也只能有一個，中 間層除外），監控波長如果太長，則切點不夠靈敏，太短則會出現兩個回頭點，因 此能選擇的波長不多，以 Macleod 軟體模擬不同波長的 Runsheet 圖後，以 670nm 作為監控波長最符合以上條件，圖 5-5 為 670nm 監控的 Runsheet 模擬圖。
圖5-5 監控波長為 670nm 的 RunSheet 模擬圖
5-2-2-3 多波長新型監控法的監控波長
多波長新型監控法的條件與單波長一樣，runsheet 圖上每層膜都要有一個轉折 點（也只能有一個，中間層除外），但是每層膜的監控波長可以自由選擇使切點都 維持在最高的靈敏度，因此在比較過各個監控波長的靈敏度後選出下表所列的監控 波長，並使用 Macleod 軟體畫出圖 5-6 的 Runsheet 圖。
層數 監控波長 (nm) 1 670 2 670 3 670 4 700 5 680 6 700 7 690 8 720 9 700 10 710 11 660 12 670 13 660 14 680 15 680 16 680 17 630 18 680
19 640 表5-1 多波長監控每層的監控波長
圖5-6 多波長監控 Runsheet 圖
5-3 實驗結果
5-3-1 單一波長新型監控法與極值法之比較
以波長670nm 監控薄膜成長，記錄穿透率隨時間之變化，畫出以下的 Runsheet 圖，圖形與模擬圖5-5 相似。
670nm Runsheet
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
時間(sec) 穿透率(%)
Ta2O5 SiO2
圖5-7 監控波長 670nm 的鍍膜 Runsheet 圖
表 5-2 為單一波長新型監控法鍍膜過程中，各層之起始、轉折光強度，以及利 用光學學理計算得到各層折射率、膜厚、補償膜厚。
Layer Initial Point(T%)
Turning Point(T%)
Cutting point(T%)
Refractive index
Optical thickness
Compensate thickness 1 91.8 70.93 72.52189 2.171073 0.249709 0.25 2 72.5 93.31 88.40793 1.472616 0.250738 0.250131 3 88.32 47.96 56.42162 2.161808 0.250074 0.249642 4 56.52 80.7 67.03386 1.461851 0.250231 0.249725 5 66.93 36.51 52.23673 2.152452 0.249888 0.249665 6 52.31 73.56 54.11119 1.466432 0.249624 0.24985 7 54.15 34.67 59.83338 2.15002 0.250074 0.250153 8 59.8 76.15 53.44612 1.453747 0.249863 0.250053 9 53.47 41.32 78.2313 2.168275 0.250148 0.250128 10 78.24 87.32 87.31543 1.420047 0.506618 0.499987 11 87.2 36.91 38.58534 2.127042 0.239246 0.240069 12 38.51 63.93 55.2753 1.465109 0.251852 0.251196 13 55.14 22.55 30.20525 2.139055 0.249215 0.24904 14 30.24 49.31 35.0775 1.463009 0.248737 0.249744 15 35.23 18.56 33.01594 2.116986 0.251247 0.251471 16 32.95 48.01 29.7065 1.468274 0.240727 0.25033 17 30.73 19.3 49.06128 2.231926 0.265244 0.265377 18 49 58.45 36.30457 1.423432 0.250687 0.250244 19 36.28 30 81.85348 2.900275 0.242595
表5-2 新型監控法各層光強度與膜厚
利用單波長新型監控法連續鍍製 4 次窄帶濾光片，使用 HITACHI U-4100 光 譜儀量測的光譜圖如下圖5-8，整理後得到表 5-3 之數據。
由表5-3 中 run5 及 run8 的 ΔλTmax（中心波長偏移量）可以看出單波長新型監 控法對中心波長有不錯的補償效果，但是由 run6 及 run7 其中心波長飄移量皆遠大 於於極值法所鍍製的，顯示對中心波長補償的機制不夠穩定。而在半高寬的部分，
4 組數據皆小於極值法的，與設計值更加接近。
單波長新型監控法只用單一波長運算來對中心波長做出補償，因此若製程條件 不穩定產生誤差時，每層膜的誤差會是同向的，就容易出現如 run6 及 run7 整體膜 厚飄移的情形，也因為誤差是同向的，每層膜之間的比例關係大致可以維持，所以 顯示出半高寬值較小，更接近設計值。
單波長新型監控法
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
790 792 794 796 798 800 802 804 806 808 810 波長(nm)
穿 透 率
(
% )
極值法 run5 run6 run7 run8
圖5-8 使用極值法及新型監控法鍍膜之窄帶濾光片光譜圖
設計值 極值法 run5 run6 run7 run8
Tmax (%) 92.05 90.98 90.79 90.53 89.94 90.46
λTmax (nm) 800 799.4 799.75 795.75 798.55 800.15
ΔλTmax (nm) -0.6 -0.25 -4.25 -1.45 0.15
λTmax/2 (nm) 796.22 796.6 792.72 795.43 797.11
λTmax/2 (nm) 802.63 802.86 798.87 801.68 803.28
半高寬 (nm) 5.85 6.41 6.26 6.15 6.25 6.17 表5-3 窄帶濾光片穿透帶峰值與半高寬
5-3-2 多波長新型監控法與極值法之比較
利用多波長新型監控法連續鍍製 4 次窄帶濾光片，光譜圖如下圖 5-9，整理後 得到表5-4 之數據。
由表5-4 中 ΔλTmax（中心波長偏移量）可以看出多波長新型監控法對中心波長 有很好的補償機制，在4 次的鍍膜結果中，中心波長飄移量皆小於極值法所鍍製的，
更接近設計值。而在半高寬的部分，雖然run10 及 11 比極值法來的小一些，但是在 run12 卻是比極值法的大，因此整體平均下來，2 種方法所鍍製的半高寬相近。
多波長新型監控法使用多個波長運算來對中心波長做出補償，因此就算製程條 件不穩定產生誤差時，每層膜的誤差不會是同向的，因此對中心波長而言，誤差可 以互相補償抵銷，也就如實驗結果所示不容易發生飄移；也因為誤差不同向，膜厚 比例關係無法維持，使得半高寬值變大。
多波長新型監控法
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
790 792 794 796 798 800 802 804 806 808 810 波長(nm)
穿 透 率
(
% )
極值法 run9 run10 run11 run12
圖5-9 以多波長新型監控法鍍製的光譜
設計值 極值法 run9 run10 run11 run12
Tmax (%) 92.05 90.98 91.83 93.85 90.9 91.87
λTmax (nm) 800 799.4 800.55 800 800.4 800.25
ΔλTmax (nm) -0.6 0.55 0 0.4 0.25
λTmax/2 (nm) 796.22 797.41 796.89 797.33 796.72
λTmax/2 (nm) 802.63 803.81 803.24 803.57 803.44
半高寬 (nm) 5.85 6.41 6.4 6.35 6.24 6.72 表5-4 窄帶濾光片穿透帶峰值與半高寬
第六章 結論
根據以上實驗結果，我們驗證了新型光學監控法有以下優點：
1. 新型監控法更有效的補償中心波長，使用高靈敏度監控波長在判斷切點 時更精確。
2. 單波長新型監控法對於膜厚比例關係控制得較精確，可維持光譜形狀；
多波長新型監控法對中心波長有較好的補償機制。
3. 在現有的光學監控設備中都能輕易的升級新型光學監控法，不須添加額 外設備，甚至程式架構也不必更改，只要添加我們所開發出來的程式即 可。
綜合以上結果，我們研發出新型監控法，利用光學監控圖形所提供的資訊，結 合在特殊點（轉折點和初始點）上膜堆的光學特性，推導出各層膜之折射率、厚度 及其對應的補償厚度，並選用較靈敏之監控波長鍍製窄帶濾光片，得到中心波長不 偏移、穿透帶半高寬更符合設計值之窄帶濾光片，幫助鍍膜工作者更準確的掌握製 程狀況，以製鍍出符合設計之成品。
除此之外，在現今日常生活中接觸到的光學產品，其薄膜設計大多是非四分之 一膜堆，因此，在下一階段更重要的課題，就是如何將新型監控法導入四分之一膜 堆的設計，如此可使新型監控法的應用更廣泛。
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