光谱在透明膜层厚度测量中的应用

沈 晗,周 珊,邵通广

（1.常州博瑞电力自动化设备有限公司,江苏 常州 213025；2.南京南瑞继保电气有限公司,江苏 南京 211102）

在薄膜工艺制备中,膜层的厚度是关键参数之一,直接关乎薄膜的质量和应用效果。在很大程度上,透明膜的厚度决定了透明膜的力学性能、电磁性能及光电和光学性能。因此,测量透明膜层的厚度一直是人们普遍关注的重要问题之一。

1 光谱测量技术综述

光谱法是对物质内部发生量子化的能级之间的跃迁,在基于物质与辐射能作用时,测量产生的发射、吸收、散射辐射的波长和强度的方法。光谱法表现形式为线光谱,分为原子光谱法和分子光谱法。其中原子光谱法是由原子外层或内层电子能级变化产生的；分子光谱法是由分子中电子能级、震动和转动能级的变化产生的,主要有紫外-可见分光光度法、红外光谱法、分子荧光光谱法等,表现形式为带光谱。

通过测量透明膜的光谱特性可以计算出透明膜层的厚度和光学常数。从透明膜与基底,再到透明膜界面上的光束透射或反射,根据光的干涉理论,可以引起双光束或多光束干涉效应。在一个多层透明膜系统中,透明膜的特性决定着大量光束干涉特性,光束干涉受透明膜的界面影响很大,可以用其特征矩阵来表征

在光束垂直入射薄膜表面的情况下：

由此,单层膜系的导纳Y可以表示为：

单层膜系的振幅反射系数为：

能量发射率为：

最后可以得到反射率R。

光谱法能够同时测定透明膜的多个参数,测量简单,能有效排除方程解的多值性,可以测试多种类型的透明膜。但同时光谱法的透射和反射光谱是由分光计测量得到的,具有一定的局限性。对于透明膜表面条件来说,反射率和透射率的稳定性较差,测量精度不能达到很高。

2 几种常见光谱在透明膜层厚度测量中的应用

2.1 光干涉法在透明膜层厚度测量中的应用

光干涉法的是利用相干光干涉形成的厚干涉条纹来确定透明膜层厚度和折射率的一种方法。涂层厚度和涂层的光学性能采用ShimadzuUV3100型UV-VIS-NIE分光光度计测试。测定厚度时,反射光谱入射角θ=5°,透过光谱射光线和基材垂直,可用任何一种透射、吸收、反射光谱。膜层厚度的计算公式如下：

其中,膜层折射率为n,膜层厚度为d,光线入射角为θ,吸收峰或谷的波长分别为λ1、λ2,吸收峰、谷波长之间峰或谷的个数为Δm。如图1所示：

图1 透明膜层样品光谱

计算透明膜的厚度时,为了获得平均值,将不同的峰或谷的波长分别代入（1）式中,并且在测试过程中m=1.508,采用反射光谱时θ=5°,采用透过光谱时θ=2°。用浸渍法的膜层质量能够满足质量要求,一般可以获得大约1-5um的涂层厚度。

2.2 红外光谱法在透明膜层厚度测量中的应用

硅羟基脱水及硅氧硅键的形成。在水解后,有机硅氧烷系列涂料能够形成大量的Si-OH基团,在固化的过程中,脱水交联后,Si-OH间会形成Si-O-Si键。因此,对固化的过程,可以采用FTIR光谱进行跟踪分析。如图2所示。

图2 涂层红外光谱在105℃下随固化时间的变化

其中,Si-OH中羟基吸收峰为3400cm-1,Si-O-Si吸收峰为794.6cm-1。选择对应温度下相对不变的吸收峰作为参考内标,可以对不同固化温度之间进行比较。

2.3 椭圆偏振法在透明膜层厚度测量中的应用

目前,椭圆偏振法借助计算机,具有可手动改变入射角度、实时测量、快速数据获取等优点。椭圆偏振测量利用偏振光在界面反射或透射时发生偏振态改变,是研究光在两媒介界面发生的现象及介质特性的一种光学方法。

椭圆偏振法如图3所示。在载物台的中央放上氧化锆,望远镜转到40°,并且在目镜上,使反射光形成亮点,采用四点来测量透明膜层的厚度,可以减少系统误差。为了使目镜内的亮点最暗（检流计值最小）,先将1/4的波片放置到+45°的快轴上,并对检偏器A和起偏器P进行仔细调节,为了测得两组消光位置数值,应记下A值和P值。其中前者分别大于90°（A1）和小于90°（A2）,P值对应P1和P2。接着可以找到两组消光位置数值,或将1/4波片快轴转到-45°,A值分别记为A3和A4,P值对应P3和P4。

图3 椭圆偏振法原理图

在椭偏仪中输入数据进行处理,得到相应的数据。样品1号的A值分别为,P值分别为,n/nm为19.15,d为1.9857,误差为2,667%；样品2的A值分别为P值分别为。n/nm为543.1,d为1.7148,误差为0.547%。

3 光干涉法在实际生产中测量验证

以印制电路板三防漆为例。

3.1 与接触式测量仪测量对比验证

取印制电路版上2点分别用涡流测厚仪和光谱测仪测量。由于涡流测厚仪测量读数为基板-探头的距离,包含了绿油和三防漆,而绿油厚度为3～5μm,故涡流测厚仪结果应比光耦测厚仪大3～5μm。实际测量结果如图4所示,差值在3～5μm,满足理论值。

图4 涡流测厚仪与光谱测厚仪测量对比

3.2 与金相切片测量对比验证

取印制电路板上单点分别用金相切片分析和光谱测厚仪测量。测量结果如图5、图6所示,误差不超过1μm,可见光谱测厚仪能精准测量透明膜层。

图5 金相切片分析结果

图6 光谱测厚仪测量结果

4 透明膜层对不同基材透光性的影响

根据以上测量方法的运用,我们可以看出,膜层对不同基材透光性具有非常大的影响。当基底的折射率高于涂层折射率时,涂层对基底有增透的作用,当满足时,对于基底来说,涂层具有最大的增透作用。其中d为涂层的厚度,n1位基底折射率,λ为主增透波长。根据在不同的基材上有机硅耐磨透明层的透光情况来看,涂层对JD树脂的透光性明显增加,增透5%左右。

5 结束语

综上所述,光谱在透明膜层厚度测量中,不同测量方法各有特点,并且都具有一定的互补作用。各方法存在测量精度、范围和应用范围差异,因此在实际应用时,我们应根据待测样品的特性和测试要求,选择合适的光谱方法进行测量。