在現(xiàn)代材料科學(xué)、光電子、半導(dǎo)體制造等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，薄膜材料扮演著至關(guān)重要的角色。從手機(jī)屏幕的鍍膜層到太陽能電池的功能層，薄膜技術(shù)幾乎滲透于各類高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。而對(duì)這些薄膜的性能評(píng)估與控制，往往離不開一種重要的光學(xué)檢測(cè)工具——光纖光譜儀。

光纖光譜儀以其結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快速、操作靈活等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于薄膜厚度、光學(xué)常數(shù)、均勻性等參數(shù)的測(cè)量中，是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)非接觸、非破壞性測(cè)量的重要手段之一。本文將圍繞光纖光譜儀在薄膜測(cè)量中的工作原理、應(yīng)用方式和實(shí)際價(jià)值進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

一、光纖光譜儀的基本原理

光纖光譜儀是一種基于光譜分光分析原理的設(shè)備。其核心功能是將來自樣品的光信號(hào)通過光纖引入光譜儀內(nèi)部，經(jīng)過光柵分光和探測(cè)器接收，最終獲得被測(cè)光的光譜分布信息。不同波長(zhǎng)的光反映了樣品對(duì)入射光的吸收、反射或透射特性，而這些信息中蘊(yùn)含著材料的厚度、折射率、吸收系數(shù)等物理參數(shù)。

在薄膜檢測(cè)中，光纖光譜儀多采用反射式或透射式測(cè)量方式，通過記錄在不同波長(zhǎng)下的干涉條紋或光譜反應(yīng)曲線，再結(jié)合數(shù)學(xué)模型進(jìn)行反演計(jì)算，得到被測(cè)薄膜的厚度或光學(xué)特性。

二、薄膜測(cè)量中的關(guān)鍵應(yīng)用

1. 薄膜厚度測(cè)量

最常見的應(yīng)用是單層或多層薄膜的厚度測(cè)量。當(dāng)光照射到薄膜表面時(shí)，在不同層界面之間會(huì)產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象，形成特定的干涉譜圖。光纖光譜儀能夠捕捉這種干涉圖樣并進(jìn)行分析，計(jì)算出膜層的實(shí)際厚度。

對(duì)于透明或半透明薄膜，例如光學(xué)鍍膜、半導(dǎo)體氧化層、有機(jī)功能薄膜等，干涉光譜尤其清晰，厚度測(cè)量精度可達(dá)到納米級(jí)。

2. 光學(xué)常數(shù)測(cè)定

薄膜的折射率和消光系數(shù)(k值)是反映其光學(xué)性能的重要參數(shù)，決定了其在特定波段下的反射率和透射率。通過光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行全波段掃描，可以通過擬合模型得到各波長(zhǎng)下的n值和k值，對(duì)材料性能進(jìn)行完整表征。

在科研和質(zhì)量控制中，這些數(shù)據(jù)有助于判斷膜層是否達(dá)到了預(yù)期性能，或是否存在制程偏差。

3. 均勻性與分布分析

對(duì)于大面積沉積的薄膜材料，均勻性是衡量其良品率的重要指標(biāo)。通過光纖光譜儀與掃描平臺(tái)聯(lián)動(dòng)，可以在樣品表面多個(gè)位置進(jìn)行快速光譜檢測(cè)，繪制出膜厚或光學(xué)特性在整個(gè)樣品表面的二維分布圖。這對(duì)于工藝優(yōu)化、設(shè)備調(diào)試和產(chǎn)線質(zhì)量管控極具價(jià)值。

4. 動(dòng)態(tài)工藝監(jiān)控

某些沉積工藝(如PECVD、ALD、濺射)過程中，薄膜厚度是在短時(shí)間內(nèi)不斷增長(zhǎng)的。將光纖光譜儀與工藝腔體聯(lián)接，可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲得實(shí)時(shí)的膜厚變化曲線，為制程控制提供依據(jù)。特別是在精密制造中，這類監(jiān)控手段有助于提高一致性和良率。

三、光纖光譜儀的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

相比于傳統(tǒng)接觸式或破壞式測(cè)量方法，光纖光譜儀在薄膜測(cè)量中具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

非接觸測(cè)量：避免樣品污染或損傷，尤其適用于潔凈環(huán)境。

高通量檢測(cè)：快速獲取全波段數(shù)據(jù)，適用于大批量在線檢測(cè)。

適應(yīng)性強(qiáng)：可搭配多種探頭、夾具與光源，滿足不同形狀和材質(zhì)樣品的檢測(cè)需求。

靈活部署：由于采用光纖傳導(dǎo)，可在空間有限或特殊環(huán)境中靈活布設(shè)檢測(cè)點(diǎn)。

四、應(yīng)用行業(yè)及典型場(chǎng)景

光纖光譜儀在薄膜檢測(cè)中的應(yīng)用涵蓋多個(gè)行業(yè)，如：

半導(dǎo)體制造中的氧化層、氮化層、光刻膠厚度檢測(cè);

顯示面板生產(chǎn)中ITO、OLED膜層測(cè)量;

光學(xué)鍍膜行業(yè)中的反射鏡、多層干涉膜分析;

新能源領(lǐng)域中的太陽能電池薄膜結(jié)構(gòu)研究;

材料科研中的新型薄膜材料特性探索。

無論是在研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，還是在高效率生產(chǎn)線上，光纖光譜儀都發(fā)揮著重要作用。

結(jié)語

隨著材料技術(shù)和光電應(yīng)用的不斷推進(jìn)，薄膜測(cè)量的精度與效率要求持續(xù)提高。光纖光譜儀因其靈活、高效、非接觸的特性，已成為現(xiàn)代薄膜分析不可替代的工具。未來，結(jié)合人工智能、自動(dòng)化算法與高分辨率光學(xué)組件，光纖光譜儀將在更多復(fù)雜薄膜系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量，為材料表征與質(zhì)量控制提供更強(qiáng)助力。

審核編輯 黃宇