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电池片薄膜厚度测量
1.薄膜测量
薄膜是沉积在另一种物质表面的非常薄的物质层，广泛应用于技术工艺行业，如钝化绝缘层、防扩散层、硬涂层等。集成电路就主要由薄膜的沉积和选择性的去除组成。
物理厚度作为薄膜最基本的参数之一，对整个器件的最终性能具有重要影响。因此，快速而精确地测量薄膜厚度具有重要的实际意义。
2.薄膜测量原理
由于光学测量方法准确，无破坏，只需很少或无需专门样品，光学测量法常常是薄膜测量的首选方法。传统的测量薄膜物理厚度的光学方法主要有光度法和椭偏法两种。椭偏仪测量具有灵敏度高的优点，但是受界面层等因素的影响，需要复杂的数学模型来求解厚度，上述方法已经成功而广泛地应用在各个领域。然而，近年来微光机电系统等微加工技术的发展，经常需要在高低起伏的基板上（patterned substrate）沉积薄膜，因此用测量表面轮廓的白光干涉仪来进行薄膜厚度测试的方法引起了人们的关注。
椭圆偏振仪的基本原理
光学测量是通过精确测量薄膜与光线的相互作用来获取薄膜特性的技术。这些特性包括薄膜的厚度、表面粗糙度以及光学常数等。通过光学测量，我们可以将这些光学常数与其他材料参数（如成分和带隙）相关联。光学常数（n和k）描述光如何通过薄膜传播。在某个时间光穿过一种物质的电磁场可以简单表示为
其中x：距离，λ：光波长，n和k：薄膜相应的折射率和消光系数。折射率是光在物质和真空中传播速度的比值。消光系数是测量光在物质中被吸收了多少。
3.光纤光谱仪实现薄膜厚度测量
当入射光穿透不同物质的界面时将会有部分的光被反射，由于光的波动性导致从多个界面的反射光彼此干涉，这两部分反射光可能干涉相长（强度相加）或干涉相消（强度相减），这取决于它们的相位关系。而相位关系取决于这两部分反射光的光程差，光程差又是由薄膜厚度、光学常数和光波长决定的。
薄膜厚度测量原理示意图
薄膜测量系统是基于白光干涉的原理来确定光学薄膜的厚度。白光干涉图样通过数学函数的计算得出薄膜厚度。对于单层膜来说，如果已知薄膜介质的n和k值就可以计算出它的物理厚度。
如下图为光镀有折射率为η膜层折射率为n1的基板光路示意图。使用光纤光谱仪测量薄膜的厚度主要是通过反射光谱，反射光谱曲线中干涉峰的出现是薄膜干涉的结果。
光镀有折射率为η膜层折射率为n1的基板光路示意图
4.薄膜测量
为了实现设计功能，薄膜必须有合适的厚度，成分，粗糙度，和特定应用的其他重要特性。这些特性往往需要在薄膜的制造过程之中或之后测量。光学和探针测量是薄膜测量的两种主要类型。
基于白光干涉理论，利用3044am永利集团光纤光谱仪可以实现薄膜的高精度测量。这种测量方法通过正角度入射的反射率来获取薄膜的厚度和折射率信息，并通过提取光入射薄膜前后的相位变化来进行计算。相比传统的光度法和偏法，这种测量方法具有更高的精度和更快的测量速度，同时结构简单、成本低廉，为光学薄膜厚度的测量提供了一种简便、快速且可靠的解决方案。
光纤光谱仪薄膜测量原理示意图
反射探头光路图
5.实验
5.1实验目的
测量400-1000nm电池片样品薄膜厚度。
测量两个样品的薄膜厚度，每个样品两层膜的厚度测量。样品膜系结构是硅基底上镀了一层厚的氧化硅，在上面是poly-si膜层。si|siox|poly-si，最外层poly-si。
图1 样品图片
5.2实验仪器列表
5.3实验内容
薄膜厚度设备测量示意图：
图2 光路实验示意图
图3 光路实验实物图
5.4实验结果
以下计算薄膜的算法使用的是光谱白光干涉，拟合使用L-M拟合。计算结果如下：
测试条件：模拟传送带状态下，每1分钟拟合厚度，拟合十次。
模拟厚度的相对标准差：1.158%，2.738%
测试条件：静止状态下，每5分钟保存一组反射率，测量10组。
测试结果：稳定性（相对标准偏差：0.76306%）
测试条件：模拟传送带状态下，每5分钟保存一组反射率，测量10组。
测试结果：稳定性（相对标准偏差：4.944%）
6.结论
通过数据得出测量Poly-si的厚度为120nm±2nm，SiO2的厚度为5nm±1nm。
