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。