揭秘光学膜厚仪：探索微观世界的厚度奥秘

在专业检测领域，基于光干涉与光谱分析原理的膜厚测定仪，以其高精度特性，在诸多领域展现出重要价值。国仪光子的膜厚测定仪 FILMTHICK - C10 便是该类型设备中的佼佼者。此款仪器借助光干涉原理，其机械结构集成了进口卤钨灯光源，光源使用寿命超 10000 小时，能够对样品实施非接触式、无损且高精度的测量，可测量反射率、颜色、膜厚等参数。

仪器组成与规格参数

光源：可选用卤素、氙灯、LED 或超级连续谱光源（光谱范围为 190–2500 nm）。

入射模块：涵盖透镜、光纤以及偏振器（SE 型）。

样品台：为多角度旋转平台或者自动映射台。

探测系统：由光谱仪与阵列探测器（Si, InGaAs）组合而成。

参考标准：包含 SiO₂/Si 膜厚标样以及反射率标镜。

软件模块：具备光学模型库、算法拟合、色散模型、多层结构管理等功能。其 OPTICAFILMTEST 光学膜厚测量软件运用 FFT 傅里叶法、极值法、拟合法等多种高精度算法，拥有类型丰富的材料折射率数据库，并且该数据库为开放式，能有效助力用户开展测试分析，在测量过程中可实时显示干涉、FFT 波谱和膜厚等趋势。

典型规格参数

厚度范围在椭偏（SE）中为0.5 nm–50 µm，光谱反射/透射（SR/ST）中为5 nm–20 µm，白光干涉（WLI）中为50 nm–300 µm；精度在椭偏（SE）中≤0.1 nm，光谱反射/透射（SR/ST）中0.2–1 %，白光干涉（WLI）中1–3 nm；光谱范围在椭偏（SE）中190–1700 nm，光谱反射/透射（SR/ST）中380–1000 nm（可扩展至 1700 nm），白光干涉（WLI）中400–800 nm；入射角在椭偏（SE）中45–85°，光谱反射/透射（SR/ST）中垂直或小角，白光干涉（WLI）中垂直。

技术原理

干涉基本原理

当光线照射到薄膜结构时，会产生两种情况。一部分光在膜表面反射，另一部分则透射进入薄膜，在界面反射后返回，这两部分光叠加会形成干涉现象。干涉条纹的周期与薄膜的光学厚度 n (λ )⋅d 紧密相关，谱线的振荡周期能够体现膜厚，而振荡幅度则与折射率梯度有关。

主要技术路线

光谱椭偏（Spectroscopic Ellipsometry, SE）：通过测量偏振光反射后的幅比和相位差来获取薄膜的折射率（n）、消光系数（k）以及厚度（d）。具体是测量反射后光的偏振状态变化，其中 Ψ 代表反射后 p、s 偏振振幅比，Δ 表示相位差，联合拟合层系模型即可同时求得膜厚、折射率和消光系数。常用的色散模型有 Cauchy、Sellmeier、Tauc - Lorentz、Drude、Forouhi–Bloomer 等。

光谱反射 / 透射（Spectral Reflectometry / Transmittance, SR/ST）：基于多层薄膜干涉原理，对样品的反射或透射光谱随波长变化的振荡模式进行分析。每一薄膜层的光学行为由其复折射率 N = n− ik 与厚度 d 决定。入射光经多层介质后，总反射率 R(λ) 可通过 Fresnel 系列反射模型计算，对于多层系统，则采用传输矩阵法（TMM）计算整体反射率 / 透射率。

数据特征：透明膜（低吸收）的谱线有清晰振荡，周期 Δ(1/λ) 与膜厚成反比；吸收膜 / 金属膜的振荡会衰减或消失，需要引入复折射率模型进行拟合；多层膜会出现叠加振荡或拍频结构，可通过全谱拟合区分各层厚度。

光谱分析算法：
FFT快速频谱法：对反射谱进行傅里叶变换，主峰频率对应膜厚。该方法速度快且为非拟合法，但仅适用于单层、平滑膜。
谱模拟拟合法：采用 TMM 模型计算理论谱，与实测谱进行非线性最小二乘拟合，适用于多层结构、梯度膜、部分吸收膜。典型算法有 Levenberg–Marquardt、遗传算法（GA）、粒子群（PSO）等。

光谱包络法（Envelope Method）：对透明膜求反射峰 / 谷包络曲线差异，利用干涉相位关系推导厚度。此方法简单快速，但对多层和强吸收膜不适用。

技术特性与优缺点：适用样品方面，光谱反射适用于反射膜、金属、半透明层，光谱透射适用于透明基底（如玻璃、塑料）；厚度范围方面，光谱反射为5 nm – 20 µm，光谱透射为20 nm – 100 µm；光路配置方面，光谱反射为单光束或双光束，光谱透射为双光束透射结构；优点方面，光谱反射结构简单、速度快、成本低，光谱透射无需反射率校准，抗表面形貌影响强；局限方面，光谱反射对吸收膜 / 多层膜需复杂建模，光谱透射基底需透明且光散射低。

实际应用实例：在 AR / HR 镀膜中可用于多层膜厚控制与设计验证；玻璃镀膜 / ITO / SiO₂ 可通过透射谱分析快速进行质量控制（QC）；聚合物膜可用于厚度均匀性与固化监控；薄膜太阳能领域可测量钙钛矿或 a - Si 光吸收膜厚；在线监测方面，反射型膜厚传感（分光式）可用于工艺反馈。光谱反射 / 透射法是生产线检测与研发快速筛选最常用的光学膜厚测量手段，对于复杂膜系或需同时获取 n,k 的样品，则推荐与椭偏法结合使用。

白光干涉 / 共焦色散（WLI / Confocal Dispersive）：通过光程差干涉实现厚度或台阶测量。

样品准备、测量流程与数据分析

样品准备与装夹

测量前，需对样品进行相应准备。要清理样品表面的油污、颗粒与氧化物；对于透明基底，需贴黑膜以防背反；对于均匀膜，可进行多点测量以生成厚度 Mapping；对于多孔 / 粗糙表面，在模型中引入 EMA（Effective Medium Approximation）；同时要维持恒温恒湿，避免有机膜厚度漂移。

测量流程（SOP 建议）

设定波段、积分时间、角度。

建立层系模型（空气/粗糙层/膜层/基底）。

实测反射或透射谱。

用色散模型（如 Cauchy, Sellmeier 等）进行拟合。

检查残差（MSE），优化参数。

多点测量生成厚度均匀性图。

数据分析与计算

干涉周期法：Δ(1/λ) 可反映光学厚度变化。

色散模型拟合法：通过全谱最小二乘反演薄膜的折射率（n）、消光系数（k）和厚度（d）。

EMA 粗糙层：采用 50/50 空气–膜混合模型。

多层膜求解：运用 TMM（Transfer Matrix Method）。

报告内容与精度控制报告内容

测量报告应涵盖以下内容：样品与工艺说明、测量参数（光源、角度、波段）、光学模型与色散方程、膜厚与折射率结果（含 σ、置信度）、光谱拟合曲线与残差以及均匀性分布图。

精度与重复性

薄膜重复性 ≤0.3 nm，系统误差主要源于光路漂移、模型误差、背反射等。建议采用周期性标样校准 + 多角度/多波段联合测量的方法来提高精度。

常见误差与规避

背面反射：可通过贴黑膜或使用楔形基底来解决。

粗糙 / 吸收膜：引入 EMA 或复折射率模型。

曲面样品：采用显微或共焦型系统。

多层耦合：固定部分参数或联合椭偏测量。

应用场景

国仪光子的膜厚测定仪 FILMTHICK - C10 可在多个领域的薄膜层厚度测量中发挥作用，具体如下：

半导体 / 显示：可测量 SiO₂、SiNₓ、ITO、光刻胶、OLED 层等。

光学镀膜：用于 AR/HR、多腔滤光片、红外反射膜等。

新能源：如测量钙钛矿、CIGS、透明导电膜等。

机械 / 刀具：可测量 TiN、DLC、CrN 等硬质涂层。

聚合物 / 包装膜：用于防护涂层、阻隔层厚度监控。此外，还可应用于生物医学等薄膜层的厚度测量。

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