電池片薄膜測(cè)量

1.薄膜測(cè)量

薄膜是沉積在另一種物質(zhì)表面的非常薄的物質(zhì)層，廣泛應(yīng)用于技術(shù)工藝行業(yè)，如鈍化絕緣層、防擴(kuò)散層、硬涂層等。集成電路就主要由薄膜的沉積和選擇性的去除組成。

物理厚度作為薄膜最基本的參數(shù)之一，對(duì)整個(gè)器件的最終性能具有重要影響。因此，快速而精確地測(cè)量薄膜厚度具有重要的實(shí)際意義。

2.薄膜測(cè)量原理

由于光學(xué)測(cè)量方法準(zhǔn)確，無(wú)破壞，只需很少或無(wú)需專(zhuān)門(mén)樣品，光學(xué)測(cè)量法常常是薄膜測(cè)量的首選方法。傳統(tǒng)的測(cè)量薄膜物理厚度的光學(xué)方法主要有光度法和橢偏法兩種。橢偏儀測(cè)量具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，但是受界面層等因素的影響，需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型來(lái)求解厚度，上述方法已經(jīng)成功而廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。然而，近年來(lái)微光機(jī)電系統(tǒng)等微加工技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)常需要在高低起伏的基板上（patterned substrate）沉積薄膜，因此用測(cè)量表面輪廓的白光干涉儀來(lái)進(jìn)行薄膜厚度測(cè)試的方法引起了人們的關(guān)注。

橢圓偏振儀的基本原理

光學(xué)測(cè)量是通過(guò)精確測(cè)量薄膜與光線(xiàn)的相互作用來(lái)獲取薄膜特性的技術(shù)。這些特性包括薄膜的厚度、表面粗糙度以及光學(xué)常數(shù)等。通過(guò)光學(xué)測(cè)量，我們可以將這些光學(xué)常數(shù)與其他材料參數(shù)（如成分和帶隙）相關(guān)聯(lián)。光學(xué)常數(shù)（n和k）描述光如何通過(guò)薄膜傳播。在某個(gè)時(shí)間光穿過(guò)一種物質(zhì)的電磁場(chǎng)可以簡(jiǎn)單表示為

其中x：距離，λ：光波長(zhǎng)，n和k：薄膜相應(yīng)的折射率和消光系數(shù)。折射率是光在物質(zhì)和真空中傳播速度的比值。消光系數(shù)是測(cè)量光在物質(zhì)中被吸收了多少。

3.光纖光譜儀實(shí)現(xiàn)薄膜厚度測(cè)量

當(dāng)入射光穿透不同物質(zhì)的界面時(shí)將會(huì)有部分的光被反射，由于光的波動(dòng)性導(dǎo)致從多個(gè)界面的反射光彼此干涉，這兩部分反射光可能干涉相長(zhǎng)（強(qiáng)度相加）或干涉相消（強(qiáng)度相減），這取決于它們的相位關(guān)系。而相位關(guān)系取決于這兩部分反射光的光程差，光程差又是由薄膜厚度、光學(xué)常數(shù)和光波長(zhǎng)決定的。

薄膜厚度測(cè)量原理示意圖

薄膜測(cè)量系統(tǒng)是基于白光干涉的原理來(lái)確定光學(xué)薄膜的厚度。白光干涉圖樣通過(guò)數(shù)學(xué)函數(shù)的計(jì)算得出薄膜厚度。對(duì)于單層膜來(lái)說(shuō)，如果已知薄膜介質(zhì)的n和k值就可以計(jì)算出它的物理厚度。

如下圖為光鍍有折射率為η膜層折射率為n₁的基板光路示意圖。使用光纖光譜儀測(cè)量薄膜的厚度主要是通過(guò)反射光譜，反射光譜曲線(xiàn)中干涉峰的出現(xiàn)是薄膜干涉的結(jié)果。

光鍍有折射率為η膜層折射率為n1的基板光路示意圖

4.薄膜測(cè)量

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，薄膜必須有合適的厚度，成分，粗糙度，和特定應(yīng)用的其他重要特性。這些特性往往需要在薄膜的制造過(guò)程之中或之后測(cè)量。光學(xué)和探針測(cè)量是薄膜測(cè)量的兩種主要類(lèi)型。

基于白光干涉理論，利用萊森光學(xué)光纖光譜儀可以實(shí)現(xiàn)薄膜的高精度測(cè)量。這種測(cè)量方法通過(guò)正角度入射的反射率來(lái)獲取薄膜的厚度和折射率信息，并通過(guò)提取光入射薄膜前后的相位變化來(lái)進(jìn)行計(jì)算。相比傳統(tǒng)的光度法和偏法，這種測(cè)量方法具有更高的精度和更快的測(cè)量速度，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，為光學(xué)薄膜厚度的測(cè)量提供了一種簡(jiǎn)便、快速且可靠的解決方案。

光纖光譜儀薄膜測(cè)量原理示意圖

反射探頭光路圖

5.實(shí)驗(yàn)

5.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>

• 測(cè)量400-1000nm電池片樣品薄膜厚度。

• 測(cè)量?jī)蓚€(gè)樣品的薄膜厚度，每個(gè)樣品兩層膜的厚度測(cè)量。樣品膜系結(jié)構(gòu)是硅基底上鍍了一層厚的氧化硅，在上面是poly-si膜層。si|siox|poly-si，最外層poly-si。

圖1 樣品圖片

5.2實(shí)驗(yàn)儀器列表

5.3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

薄膜厚度設(shè)備測(cè)量示意圖：

圖2 光路實(shí)驗(yàn)示意圖

圖3 光路實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

5.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以下計(jì)算薄膜的算法使用的是光譜白光干涉，擬合使用L-M擬合。計(jì)算結(jié)果如下：

• 測(cè)試條件：模擬傳送帶狀態(tài)下，每1分鐘擬合厚度，擬合十次。

• 模擬厚度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差：1.158%，2.738%

• 測(cè)試條件：靜止?fàn)顟B(tài)下，每5分鐘保存一組反射率，測(cè)量10組。

• 測(cè)試結(jié)果：穩(wěn)定性（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差：0.76306%）

• 測(cè)試條件：模擬傳送帶狀態(tài)下，每5分鐘保存一組反射率，測(cè)量10組。

• 測(cè)試結(jié)果：穩(wěn)定性（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差：4.944%）

6.結(jié)論

通過(guò)數(shù)據(jù)得出測(cè)量Poly-si的厚度為120nm±2nm，SiO₂的厚度為5nm±1nm。