使用蔡司光谱仪执行厚度测量

厚度测量

基础知识

涂层厚度测量的基础知识

在镀膜工艺中需要控制保护层或设计层的质量,以便实现涂层的功能性,进而满足客户需求。以随机采样或在线测量的形式,可以对正在运行的生产工艺流程中的样品进行测量。

  • 测量理论

    使用白光照明样品,以几何涂层厚度和材料折射率的函数来创建干涉光谱。当白光入射到光学透明层上时发生干涉,特定波长的光程差就正好是光层厚度的乘积。最大可测厚度取决于光谱分辨能力,最小厚度则取决于所覆盖的光谱范围。即使是较薄涂层的测量,也需要已知绝对强度值。波长的高绝对精度使得测量结果非常可靠。

    根据涂层条件,可以使用两种方法来计算厚度:

    峰值法:
    从干涉光谱的最大值和最小值中推导出涂层厚度。这种方法非常可靠且快速,但易受噪声影响。它适合于 < 5 µm 的单涂层。

    快速傅里叶变换(FFT)法:
    运用干涉频谱的周期性来计算涂层厚度。这种方法几乎不受噪声影响且适合于厚涂层,但需要大量计算且精度低。它适合于 1-200 µm 的单层或多层系统。

    优势
    • 不接触且几乎无损伤
    • 测量结果精准度高
    • 适合于短期和长期可重复性
    • 快速重置镀膜参数,在质量和材料消耗方面成本低
    使用示例

    为汽车,塑料,油漆,化工,包装和微电子等应用领域的光刻胶,薄膜和电介质层提供有价值的厚度信息,用于研发和质量控制。

  • 产生干涉

    产生干涉

    下面以基于平行平面层理论上简单的情况为例,平面层折射率为 n,几何厚度为 d。从光源 P0 处开始,光线 S0 在 A 点处发生部分反射(光线 S1,角度 α),部分折射进入涂层(角度 β)。在涂层的下边界处,光线在 B 点处再次发生反射,在 C 点处发生折射。最后,光线 S2 平行于 S1 离开涂层上边界进入空气。涂层中的后续反射会将光线 S0 无限地折射下去,并将其分成强度减弱的平行光线。因为所有反射和折射光线均来自光源 S0,所以它们具有光相干性并相互干涉。根据光程差 Γ 的不同,两条主反射光线 S1 和 S2 之间可能发生干涉。

    计算这一光程差:

    垂直光入射时,公式可简化为:

    在该条件下发生最大干涉:

    变量 i 代表干涉级,且由素数组成(i = 0, 1, 2,...)。

  • 涂层计算

    涂层厚度计算

    根据待测涂层的厚度,可以使用两种方法来进行计算。

    峰值法

    在峰值法中,从干涉光谱的最大值和最小值中推导出涂层厚度(I = 原子序数)。下面是一个示例:

    优点 非常可靠且快速
    缺点 易受噪声影响
    应用 适用于 < 5 µm 的单涂层

    快速傅里叶变换(FFT)

    在 FFT 方法中,通过干涉光谱的周期性计算出涂层厚度。

    优点 不易受噪声干扰,适用于厚涂层
    缺点 计算量大,精度一般
    应用 适用于 1-200 µm 的单涂层和多涂层系统
  • 反射计算

    反射计算

    反射子光线的强度取决于所用元件的折射率。在光垂直入射时,当从折射率为 n1 的介质进入折射率为 n2 的介质时,反射率 R 计算公式:

    如果您观察由 macrolon(n = 1.59)制成且涂镀有丙烯酸玻璃(n = 1.49)的某一表面,空气(n = 1)与丙烯酸玻璃边界表面的折射率为:

    丙烯酸玻璃与 macrolon 边界表面的折射率为:


    强度值是指主光线的强度(100%)。最大反射强度值按公式(R1 + R2) = 4 % 计算,最小反射强度值则依照公式(R1 - R2) = 3.8 %。如果无法抑制约 4% 样品背面的反射分量,则两个数值都应加上这一量。所示关系仅适用于非常接近的极端情况(厚涂层),因为在这种情况下折射系数的波长相关性不起作用。