光譜在透明膜層厚度測量中的應用

沈 晗,周 珊,邵通廣

（1.常州博瑞電力自動化設備有限公司,江蘇 常州 213025；2.南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 211102）

在薄膜工藝制備中,膜層的厚度是關鍵參數之一,直接關乎薄膜的質量和應用效果。在很大程度上,透明膜的厚度決定了透明膜的力學性能、電磁性能及光電和光學性能。因此,測量透明膜層的厚度一直是人們普遍關注的重要問題之一。

1 光譜測量技術綜述

光譜法是對物質內部發生量子化的能級之間的躍遷,在基于物質與輻射能作用時,測量產生的發射、吸收、散射輻射的波長和強度的方法。光譜法表現形式為線光譜,分為原子光譜法和分子光譜法。其中原子光譜法是由原子外層或內層電子能級變化產生的；分子光譜法是由分子中電子能級、震動和轉動能級的變化產生的,主要有紫外-可見分光光度法、紅外光譜法、分子熒光光譜法等,表現形式為帶光譜。

通過測量透明膜的光譜特性可以計算出透明膜層的厚度和光學常數。從透明膜與基底,再到透明膜界面上的光束透射或反射,根據光的干涉理論,可以引起雙光束或多光束干涉效應。在一個多層透明膜系統中,透明膜的特性決定著大量光束干涉特性,光束干涉受透明膜的界面影響很大,可以用其特征矩陣來表征

在光束垂直入射薄膜表面的情況下：

由此,單層膜系的導納Y可以表示為：

單層膜系的振幅反射系數為：

能量發射率為：

最后可以得到反射率R。

光譜法能夠同時測定透明膜的多個參數,測量簡單,能有效排除方程解的多值性,可以測試多種類型的透明膜。但同時光譜法的透射和反射光譜是由分光計測量得到的,具有一定的局限性。對于透明膜表面條件來說,反射率和透射率的穩定性較差,測量精度不能達到很高。

2 幾種常見光譜在透明膜層厚度測量中的應用

2.1 光干涉法在透明膜層厚度測量中的應用

光干涉法的是利用相干光干涉形成的厚干涉條紋來確定透明膜層厚度和折射率的一種方法。涂層厚度和涂層的光學性能采用ShimadzuUV3100型UV-VIS-NIE分光光度計測試。測定厚度時,反射光譜入射角θ=5°,透過光譜射光線和基材垂直,可用任何一種透射、吸收、反射光譜。膜層厚度的計算公式如下：

其中,膜層折射率為n,膜層厚度為d,光線入射角為θ,吸收峰或谷的波長分別為λ1、λ2,吸收峰、谷波長之間峰或谷的個數為Δm。如圖1所示：

圖1 透明膜層樣品光譜

計算透明膜的厚度時,為了獲得平均值,將不同的峰或谷的波長分別代入（1）式中,并且在測試過程中m=1.508,采用反射光譜時θ=5°,采用透過光譜時θ=2°。用浸漬法的膜層質量能夠滿足質量要求,一般可以獲得大約1-5um的涂層厚度。

2.2 紅外光譜法在透明膜層厚度測量中的應用

硅羥基脫水及硅氧硅鍵的形成。在水解后,有機硅氧烷系列涂料能夠形成大量的Si-OH基團,在固化的過程中,脫水交聯后,Si-OH間會形成Si-O-Si鍵。因此,對固化的過程,可以采用FTIR光譜進行跟蹤分析。如圖2所示。

圖2 涂層紅外光譜在105℃下隨固化時間的變化

其中,Si-OH中羥基吸收峰為3400cm-1,Si-O-Si吸收峰為794.6cm-1。選擇對應溫度下相對不變的吸收峰作為參考內標,可以對不同固化溫度之間進行比較。

2.3 橢圓偏振法在透明膜層厚度測量中的應用

目前,橢圓偏振法借助計算機,具有可手動改變入射角度、實時測量、快速數據獲取等優點。橢圓偏振測量利用偏振光在界面反射或透射時發生偏振態改變,是研究光在兩媒介界面發生的現象及介質特性的一種光學方法。

橢圓偏振法如圖3所示。在載物臺的中央放上氧化鋯,望遠鏡轉到40°,并且在目鏡上,使反射光形成亮點,采用四點來測量透明膜層的厚度,可以減少系統誤差。為了使目鏡內的亮點最暗（檢流計值最小）,先將1/4的波片放置到+45°的快軸上,并對檢偏器A和起偏器P進行仔細調節,為了測得兩組消光位置數值,應記下A值和P值。其中前者分別大于90°（A1）和小于90°（A2）,P值對應P1和P2。接著可以找到兩組消光位置數值,或將1/4波片快軸轉到-45°,A值分別記為A3和A4,P值對應P3和P4。

圖3 橢圓偏振法原理圖

在橢偏儀中輸入數據進行處理,得到相應的數據。樣品1號的A值分別為,P值分別為,n/nm為19.15,d為1.9857,誤差為2,667%；樣品2的A值分別為P值分別為。n/nm為543.1,d為1.7148,誤差為0.547%。

3 光干涉法在實際生產中測量驗證

以印制電路板三防漆為例。

3.1 與接觸式測量儀測量對比驗證

取印制電路版上2點分別用渦流測厚儀和光譜測儀測量。由于渦流測厚儀測量讀數為基板-探頭的距離,包含了綠油和三防漆,而綠油厚度為3～5μm,故渦流測厚儀結果應比光耦測厚儀大3～5μm。實際測量結果如圖4所示,差值在3～5μm,滿足理論值。

圖4 渦流測厚儀與光譜測厚儀測量對比

3.2 與金相切片測量對比驗證

取印制電路板上單點分別用金相切片分析和光譜測厚儀測量。測量結果如圖5、圖6所示,誤差不超過1μm,可見光譜測厚儀能精準測量透明膜層。

圖5 金相切片分析結果

圖6 光譜測厚儀測量結果

4 透明膜層對不同基材透光性的影響

根據以上測量方法的運用,我們可以看出,膜層對不同基材透光性具有非常大的影響。當基底的折射率高于涂層折射率時,涂層對基底有增透的作用,當滿足時,對于基底來說,涂層具有最大的增透作用。其中d為涂層的厚度,n1位基底折射率,λ為主增透波長。根據在不同的基材上有機硅耐磨透明層的透光情況來看,涂層對JD樹脂的透光性明顯增加,增透5%左右。

5 結束語

綜上所述,光譜在透明膜層厚度測量中,不同測量方法各有特點,并且都具有一定的互補作用。各方法存在測量精度、范圍和應用范圍差異,因此在實際應用時,我們應根據待測樣品的特性和測試要求,選擇合適的光譜方法進行測量。