在微電子制造與光伏產(chǎn)業(yè)中，大面積薄膜的均勻性與質(zhì)量直接影響產(chǎn)品性能。傳統(tǒng)薄膜表征方法（如濺射深度剖析、橫截面顯微鏡觀察）雖能提供高精度數(shù)據(jù)，但測量范圍有限且效率較低，難以滿足工業(yè)級大面積表面的快速檢測需求。本文聚焦光學(xué)表征技術(shù)的革新，重點(diǎn)闡述橢偏儀等光學(xué)方法在大面積薄膜映射與成像中的突破性應(yīng)用。其中，Flexfilm全光譜橢偏儀以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，在大面積薄膜表征中展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用潛力。

1

薄膜表征方法

flexfilm

根據(jù)測量原理與適用場景，薄膜表征方法可分為：深度剖析技術(shù)

• 濺射深度剖面分析（如二次離子質(zhì)譜[SIMS]、X射線光電子能譜[XPS]）：需通過物理濺射逐層剝離樣品，雖精度高但破壞性強(qiáng)，且無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。
• 非破壞性技術(shù)（如光譜橢偏儀[SE]、盧瑟福背散射譜[RBS]）：通過光學(xué)或粒子束與物質(zhì)相互作用獲取信息，單點(diǎn)測量耗時(shí)較長，但部分光學(xué)配置可將單點(diǎn)測量時(shí)間縮短至秒級。
• 橫截面微納尺度映射（如掃描透射電子顯微鏡[TEM]）：依賴精細(xì)樣品制備，分辨率可達(dá)納米級，但僅適用于微觀區(qū)域分析，難以擴(kuò)展至宏觀尺度。

涂層厚度測定方法

• 傳統(tǒng)方法（庫侖法、X射線熒光[XRF]）：需離線操作，適用于實(shí)驗(yàn)室級精密分析。
• 離線方法（原子力顯微鏡[AFM]）：可提供納米級形貌信息，但測量速度較慢。
• 在線方法（反射率測量、干涉測量法、橢偏儀）：反射率測量與干涉測量法適用于簡單結(jié)構(gòu)，而橢偏儀因其非破壞性、高速潛力及對復(fù)雜層狀結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，成為在線檢測的首選。

2

光學(xué)映射技術(shù)

flexfilm

• 橢圓偏振光譜法（SE）

橢偏儀通過測量光在薄膜表面的反射特性（振幅比與相位差），實(shí)現(xiàn)薄膜厚度、折射率等參數(shù)的快速測定。其在大面積映射中的優(yōu)勢如下：逐點(diǎn)掃描：通過移動(dòng)光源與檢測器單元，覆蓋米級面積。例如，在太陽能電池板檢測中，單點(diǎn)光譜測量僅需數(shù)秒，但數(shù)千點(diǎn)測量仍需數(shù)小時(shí)。卷對卷（RtR）配置：利用襯底移動(dòng)實(shí)現(xiàn)光斑掃描，適用于柔性襯底的在線檢測。例如，在光伏多層結(jié)構(gòu)（如CdS/CdSe/CdTe）的均勻性優(yōu)化中，可實(shí)時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)。

室溫沉積CdSe薄膜的65mm×65mm區(qū)域制圖

• 反射、透射光譜與散射測量

高光譜成像（HSIM）：提供表面區(qū)域的空間與光譜信息，用于二維材料（如石墨烯、MoS?）的厚度和激子行為分析，在生命科學(xué)和鈣鈦礦材料中亦有應(yīng)用。共聚焦顯微鏡：適用于數(shù)百微米厚度的透明雙層膜檢測，空間分辨率達(dá)納米級，可在線監(jiān)測柔性襯底上的多層涂層。散射測量：通過衍射圖案重建復(fù)雜光柵結(jié)構(gòu)，暗場配置可成像亞波長等離子體納米顆粒。

單顆粒制圖光譜儀示意圖

• 其他方法

毛細(xì)管橋法量化超低接觸角（精度達(dá)0.1°），汞探針肖特基電容-電壓法（MCV）用于硅外延層載流子密度的大面積剖面分析。

3

成像技術(shù)

flexfilm

• 橢圓偏振成像

發(fā)散光源橢圓偏振術(shù)裝置示意圖

發(fā)散光源配置：利用球面鏡和針孔相機(jī)，實(shí)現(xiàn)大面積表面的多角度、多波長橢圓偏振參數(shù)成像，單次測量可覆蓋 1000 mm×500 mm 區(qū)域，速度比傳統(tǒng)逐點(diǎn)掃描快 10 倍以上。光譜分析：結(jié)合光柵色散，可在一維方向?qū)崿F(xiàn)連續(xù)光譜測量，適用于卷對卷工藝中的實(shí)時(shí)監(jiān)控。例如，在柔性電子制造中，發(fā)散光源橢偏儀可實(shí)時(shí)監(jiān)測透明導(dǎo)電氧化物（TCO）層的厚度均勻性。

卷對卷壓印納米結(jié)構(gòu)尺寸分析在線散射儀

• 反射與散射成像

實(shí)時(shí)散射成像：用于納米壓印結(jié)構(gòu)的在線計(jì)量，結(jié)合光譜散射法實(shí)現(xiàn)納米級結(jié)構(gòu)深度測量，誤差僅數(shù)納米。斑點(diǎn)干涉法：通過激光反射產(chǎn)生的顆粒圖案變化，監(jiān)測生物組織（如大鼠血管）中的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

4

應(yīng)用案例

flexfilm

• 300mm晶圓厚度測量

機(jī)械臂移動(dòng)過程中測量的a-NiSi厚度圖與商業(yè)橢偏儀參考測量結(jié)果

配置：機(jī)械臂搭載橢偏儀，在晶圓移動(dòng)過程中完成厚度映射。結(jié)果：與商業(yè)儀器對比，誤差小于1nm，滿足半導(dǎo)體制造需求。

• 擴(kuò)展光束橢偏儀的性能驗(yàn)證

由九個(gè)不同氧化處理的4英寸硅片組成的大面積映射結(jié)果

數(shù)據(jù)：發(fā)散光束橢偏儀在2分鐘內(nèi)完成300mm晶圓厚度映射，分辨率達(dá)10nm。對比：傳統(tǒng)點(diǎn)掃描需15分鐘以上，效率提升顯著。本文系統(tǒng)總結(jié)了大表面薄膜的光學(xué)映射與成像技術(shù)，重點(diǎn)分析了橢圓偏振法的進(jìn)展與優(yōu)勢。為工業(yè)級大面積薄膜檢測提供了高效解決方案，推動(dòng)大表面薄膜技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。推動(dòng)了光伏、半導(dǎo)體等領(lǐng)域的質(zhì)量控制革新。

Flexfilm全光譜橢偏儀

flexfilm

全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領(lǐng)域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器測量技術(shù)：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進(jìn)的光能量增強(qiáng)技術(shù)，高信噪比的探測技術(shù)。
• 秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。
• 原子層量級的檢測靈敏度：測量精度可達(dá)0.05nm。

Flexfilm全光譜橢偏儀憑借其高靈敏度探測單元和秒級全光譜測量速度，進(jìn)一步推動(dòng)了大規(guī)模薄膜技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。原文出處:《Mapping and Imaging of Thin Films on Large Surfaces》

*特別聲明：本公眾號(hào)所發(fā)布的原創(chuàng)及轉(zhuǎn)載文章，僅用于學(xué)術(shù)分享和傳遞行業(yè)相關(guān)信息。未經(jīng)授權(quán)，不得抄襲、篡改、引用、轉(zhuǎn)載等侵犯本公眾號(hào)相關(guān)權(quán)益的行為。內(nèi)容僅供參考，如涉及版權(quán)問題，敬請聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間核實(shí)并處理。