沈 晗,周 珊,邵通廣

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在薄膜工藝制備中,膜層的厚度是關(guān)鍵參數(shù)之一,直接關(guān)乎薄膜的質(zhì)量和應(yīng)用效果。在很大程度上,透明膜的厚度決定了透明膜的力學(xué)性能、電磁性能及光電和光學(xué)性能。因此,測(cè)量透明膜層的厚度一直是人們普遍關(guān)注的重要問(wèn)題之一。

1 光譜測(cè)量技術(shù)綜述

光譜法是對(duì)物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生量子化的能級(jí)之間的躍遷,在基于物質(zhì)與輻射能作用時(shí),測(cè)量產(chǎn)生的發(fā)射、吸收、散射輻射的波長(zhǎng)和強(qiáng)度的方法。光譜法表現(xiàn)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(nèi)層電子能級(jí)變化產(chǎn)生的；分子光譜法是由分子中電子能級(jí)、震動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的變化產(chǎn)生的,主要有紫外-可見(jiàn)分光光度法、紅外光譜法、分子熒光光譜法等,表現(xiàn)形式為帶光譜。

通過(guò)測(cè)量透明膜的光譜特性可以計(jì)算出透明膜層的厚度和光學(xué)常數(shù)。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(jù)光的干涉理論,可以引起雙光束或多光束干涉效應(yīng)。在一個(gè)多層透明膜系統(tǒng)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(lái)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(dǎo)納Y可以表示為：

單層膜系的振幅反射系數(shù)為：

能量發(fā)射率為：

最后可以得到反射率R。

光譜法能夠同時(shí)測(cè)定透明膜的多個(gè)參數(shù),測(cè)量簡(jiǎn)單,能有效排除方程解的多值性,可以測(cè)試多種類(lèi)型的透明膜。但同時(shí)光譜法的透射和反射光譜是由分光計(jì)測(cè)量得到的,具有一定的局限性。對(duì)于透明膜表面條件來(lái)說(shuō),反射率和透射率的穩(wěn)定性較差,測(cè)量精度不能達(dá)到很高。

2 幾種常見(jiàn)光譜在透明膜層厚度測(cè)量中的應(yīng)用

2.1 光干涉法在透明膜層厚度測(cè)量中的應(yīng)用

光干涉法的是利用相干光干涉形成的厚干涉條紋來(lái)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(xué)性能采用ShimadzuUV3100型UV-VIS-NIE分光光度計(jì)測(cè)試。測(cè)定厚度時(shí),反射光譜入射角θ=5°,透過(guò)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(jì)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(zhǎng)分別為λ1、λ2,吸收峰、谷波長(zhǎng)之間峰或谷的個(gè)數(shù)為Δm。如圖1所示：

圖1 透明膜層樣品光譜

計(jì)算透明膜的厚度時(shí),為了獲得平均值,將不同的峰或谷的波長(zhǎng)分別代入（1）式中,并且在測(cè)試過(guò)程中m=1.508,采用反射光譜時(shí)θ=5°,采用透過(guò)光譜時(shí)θ=2°。用浸漬法的膜層質(zhì)量能夠滿足質(zhì)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(cè)量中的應(yīng)用

硅羥基脫水及硅氧硅鍵的形成。在水解后,有機(jī)硅氧烷系列涂料能夠形成大量的Si-OH基團(tuán),在固化的過(guò)程中,脫水交聯(lián)后,Si-OH間會(huì)形成Si-O-Si鍵。因此,對(duì)固化的過(guò)程,可以采用FTIR光譜進(jìn)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(shí)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(duì)應(yīng)溫度下相對(duì)不變的吸收峰作為參考內(nèi)標(biāo),可以對(duì)不同固化溫度之間進(jìn)行比較。

2.3 橢圓偏振法在透明膜層厚度測(cè)量中的應(yīng)用

目前,橢圓偏振法借助計(jì)算機(jī),具有可手動(dòng)改變?nèi)肷浣嵌?、?shí)時(shí)測(cè)量、快速數(shù)據(jù)獲取等優(yōu)點(diǎn)。橢圓偏振測(cè)量利用偏振光在界面反射或透射時(shí)發(fā)生偏振態(tài)改變,是研究光在兩媒介界面發(fā)生的現(xiàn)象及介質(zhì)特性的一種光學(xué)方法。

橢圓偏振法如圖3所示。在載物臺(tái)的中央放上氧化鋯,望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)到40°,并且在目鏡上,使反射光形成亮點(diǎn),采用四點(diǎn)來(lái)測(cè)量透明膜層的厚度,可以減少系統(tǒng)誤差。為了使目鏡內(nèi)的亮點(diǎn)最暗（檢流計(jì)值最?。?先將1/4的波片放置到+45°的快軸上,并對(duì)檢偏器A和起偏器P進(jìn)行仔細(xì)調(diào)節(jié),為了測(cè)得兩組消光位置數(shù)值,應(yīng)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(duì)應(yīng)P1和P2。接著可以找到兩組消光位置數(shù)值,或?qū)?/4波片快軸轉(zhuǎn)到-45°,A值分別記為A3和A4,P值對(duì)應(yīng)P3和P4。

圖3 橢圓偏振法原理圖

在橢偏儀中輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。樣品1號(hào)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(shí)際生產(chǎn)中測(cè)量驗(yàn)證

以印制電路板三防漆為例。

3.1 與接觸式測(cè)量?jī)x測(cè)量對(duì)比驗(yàn)證

取印制電路版上2點(diǎn)分別用渦流測(cè)厚儀和光譜測(cè)儀測(cè)量。由于渦流測(cè)厚儀測(cè)量讀數(shù)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(cè)厚儀結(jié)果應(yīng)比光耦測(cè)厚儀大3～5μm。實(shí)際測(cè)量結(jié)果如圖4所示,差值在3～5μm,滿足理論值。

圖4 渦流測(cè)厚儀與光譜測(cè)厚儀測(cè)量對(duì)比

3.2 與金相切片測(cè)量對(duì)比驗(yàn)證

取印制電路板上單點(diǎn)分別用金相切片分析和光譜測(cè)厚儀測(cè)量。測(cè)量結(jié)果如圖5、圖6所示,誤差不超過(guò)1μm,可見(jiàn)光譜測(cè)厚儀能精準(zhǔn)測(cè)量透明膜層。

圖5 金相切片分析結(jié)果

圖6 光譜測(cè)厚儀測(cè)量結(jié)果

4 透明膜層對(duì)不同基材透光性的影響

根據(jù)以上測(cè)量方法的運(yùn)用,我們可以看出,膜層對(duì)不同基材透光性具有非常大的影響。當(dāng)基底的折射率高于涂層折射率時(shí),涂層對(duì)基底有增透的作用,當(dāng)滿足時(shí),對(duì)于基底來(lái)說(shuō),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(zhǎng)。根據(jù)在不同的基材上有機(jī)硅耐磨透明層的透光情況來(lái)看,涂層對(duì)JD樹(shù)脂的透光性明顯增加,增透5%左右。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,光譜在透明膜層厚度測(cè)量中,不同測(cè)量方法各有特點(diǎn),并且都具有一定的互補(bǔ)作用。各方法存在測(cè)量精度、范圍和應(yīng)用范圍差異,因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí),我們應(yīng)根據(jù)待測(cè)樣品的特性和測(cè)試要求,選擇合適的光譜方法進(jìn)行測(cè)量。