| 發布日期：2024-12-19 |
隨著科技的不斷發展，薄膜材料在半導體、鍍膜、面板及功能薄膜等行業中的應用越來越廣泛。薄膜的厚度對其性能和應用效果具有重要影響，因此準確測量薄膜厚度成為這些行業中的一項關鍵技術。光譜儀作為一種非接觸式、高精度的測量工具，在膜厚測量方面具有獨特的優勢和應用原理，正逐漸成為膜厚測量的首選方案。
光譜儀測量膜厚的核心技術是利用光的干涉原理。當光照射到薄膜表面時，由于薄膜與基板的折射率（n）和消光系數（k）不同，，光在薄膜與基板之間會產生干涉現象。這種干涉現象會導致反射光存在相位差，從而在光譜上形成干涉條紋。通過分析測量這些干涉條紋，我們可以推算出薄膜的厚度。
具體來說，光譜儀通過寬光譜或單波長光源照射待測薄膜，收集反射光并進行分析。對于寬光譜薄膜檢測，由于不同波長的光在薄膜中的干涉情況不同，因此可以形成一系列干涉條紋。通過對這些干涉條紋的分析，我們可以得到薄膜的厚度信息。而對于單波長薄膜檢測，雖然只能在特定波長下準確測量薄膜厚度，但在光源波長倍數關系的厚度測量上具有較高的精度。
圖1 膜厚測量原理示意圖 （a）寬光譜檢測；（b）單波長檢測。
（1）高精度：光譜儀能夠利用光的干涉原理進行高精度測量，尤其是在多層膜和復雜膜系結構的測量中表現出色。
（2）無損檢測：光譜儀測量過程中無需對薄膜進行破壞或取樣，因此可以實現無損檢測。
（3）適用范圍廣：光譜儀適用于多種材質的薄膜測量，包括金屬、非金屬、有機物等。同時，它還可以應用于不同形狀和尺寸的樣品測量。
（4）實時在線監測：隨著光譜儀技術的不斷發展，現在已經可以實現實時在線監測薄膜的生長過程和質量變化。
表1 不同膜厚測量技術對比
?半導體行業：在半導體制造過程中，膜厚的精確控制對于器件的性能和穩定性至關重要。光譜儀能夠測量如硅片摻雜層、光刻膠層、介電材料層等的厚度，確保這些層的厚度符合設計要求。對于CVD（化學氣相沉積）和PVD（物理氣相沉積）等工藝，光譜儀可用于實時監測沉積膜的厚度，確保沉積過程的穩定性和一致性。
?鍍膜行業：在表面金屬鍍層、不銹鋼電鍍等領域，光譜儀可用于測量鍍層的厚度。這對于評估鍍層的覆蓋效果、耐腐蝕性和美觀度具有重要意義。光譜儀還能測量油漆涂層的厚度，確保涂層達到所需的防護效果和美觀度。
?面板行業：在顯示面板制造中，膜厚的精確測量對于保證顯示效果和性能至關重要。光譜儀可用于測量顯示面板上各種薄膜的厚度，如涂布膜、微流道等。此外，光譜儀還可用于測量包裝材料的厚度，確保包裝材料符合設計要求。
?功能薄膜行業：在功能薄膜領域，如TCO透明導電膜、OLED功能薄膜、太陽能電池薄膜等，光譜儀可用于測量這些薄膜的厚度。這對于評估薄膜的性能和應用效果具有重要意義。對于電致發光、光致發光薄膜以及PVC、PP等高分子材料薄膜，光譜儀同樣能提供精確的厚度測量。
?新能源和光伏行業：光譜儀可用于測量如鈣鈦礦、ITO等薄膜的厚度，確保這些薄膜的厚度符合設計要求，以提高光伏器件的光電轉換效率和穩定性。
?光學領域：光譜儀可用于測量光學鍍膜的厚度，如二氧化硅膜、氟化鈣膜等。這些薄膜的厚度直接影響光學元件的性能，如反射率、透射率和色散等。
?其他領域：材料科學: 研究薄膜的生長機制、結構和和結構，開發新型薄膜材料；生物醫學: 測量生物薄膜、細胞膜的等薄膜的厚度，研究其結構和功能；環境監測: 測量大氣污染物、水質污染物等薄膜的厚度，評估其濃度程度。
（一）測量系統組成
光源：使用寬光譜光源，提供連續的光譜范圍，確保測量結果的準確性。
光纖：使用1分2的反射光纖，用于傳輸光源信號及反射光信號。
光譜儀：根據需求光譜范圍、分辨率和靈敏度要求等選擇合適的光譜儀，采集反射光譜數據，并進行分析。
定制采樣附件：用于固定光纖探頭，滿足不同樣品的測量需求。
軟件算法：利用干涉條紋信息，計算出薄膜的厚度和光學屬性。
（二）系統搭建示意
光纖光譜儀膜厚測量系統是一個高精度的檢測平臺，它通過將穩定光源發出的光經過1分2的反射光纖傳輸至樣品，確保光能夠有效地照射到樣品表面并收集反射光，光信號再經過反射光纖傳輸到光譜儀中進行處理，軟件算法負責處理光譜儀收集到的光譜數據，將其轉換為膜厚信息。該系統可實現對薄膜厚度的快速、精確測量，適用于半導體、鍍膜、面板和功能薄膜等多個行業，為材料特性分析和質量控制提供了強有力的技術支持。
圖2 膜厚測量搭建示意圖
表2 推薦配置
此外，測量不同厚度的半導體薄膜可能需要選擇不同波段的光譜儀。這是因為薄膜的反射光譜特性會隨著薄膜的厚度和材料的不同而變化。對于較薄的膜層，可能需要使用較短波長的光源和相應靈敏的光譜儀來捕捉細微的光譜變化；而對于較厚的膜層，則可能需要使用較長波長的光源和光譜儀來確保足夠的穿透力和反射信號。因此，為了精確測量不同膜厚，需要根據薄膜的具體厚度和材料特性，選擇合適的波段光譜儀，以優化測量精度和效果。
表3 不同膜厚對應需要光譜儀范圍
Jiaxing Sun等人介紹了一種基于反射光譜擬合技術的新型半導體薄膜厚度測量和校正方法。該方法旨在解決現有技術在測量微米級工業薄膜厚度時存在的精度不足、穩定性差和測量速度慢等問題。該方法使用由如海光電提供的近紅外光譜儀測量了6中樣品的膜厚，表現出卓越的精度和穩定性。
在薄膜厚度測量領域，橢偏法和反射光譜法是兩種最常用的光學技術。橢偏法通過分析反射光從薄膜表面變化的極化狀態來計算薄膜的厚度，而反射光譜法則是通過分析樣品的反射光譜來確定薄膜的厚度。反射光譜法具有簡單、快速的優點，尤其適用于工業生產環境。然而，它主要適用于測量納米級薄膜，并且在測量微米級半導體薄膜時穩定性降低。此外，在使用反射光譜法進行厚度分析時，必須確保光源的入射光束與薄膜樣品完全垂直。但在實際工業生產環境中，由于樣品定位誤差和設備振動等因素，很難實現薄膜樣品與入射光束的完全垂直，這會影響測量精度。該研究致力于開發一種高效、精確且適應性強的系統，用于測量工業薄膜在微米級別的厚度。該系統利用薄膜樣品的反射光譜，并采用研究中提出的改進頻率擬合技術進行深入分析，以確定薄膜厚度。此外，該研究還介紹了一種基于空間載波干涉原理的快速厚度校正方法。
圖3 光路設計示意圖
在本實驗中，使用如海光電提供的近紅外光譜儀，根據波長范圍對整個范圍內不同厚度薄膜材料的所有反射光譜信號進行了采集，不同厚度的實際反射光譜信號如圖4所示。
圖4 六組樣品的實際反射光譜。（a） 81.78 微米;（b） 207.51 微米;（c） 376.48 微米;（d） 501.18 微米;（e） 613.34 微米;（f） 722.87 微米。
該研究成功開發了一種基于反射光譜擬合技術的半導體薄膜厚度測量和校正系統。該系統具有快速、高效和精確的特點，特別適用于測量百微米級工業半導體薄膜的厚度。此外，該方法還顯著提高了測量精度和穩定性，為半導體薄膜厚度的精確測量提供了新的解決方案。
