大塚電子SM-100系列智能薄膜厚度計(jì)工作原理

摘要

SM-100系列智能薄膜厚度計(jì)是由日本大塚電子（Otsuka Electronics）開(kāi)發(fā)的一款手持式非接觸膜厚測(cè)量設(shè)備。該系列產(chǎn)品基于反射分光干涉原理，將白光光源與微型光譜儀集成于1.1 kg的手持機(jī)身內(nèi)，可在1秒內(nèi)完成0.1 μm至100 μm范圍的單層及多層膜厚測(cè)量。本文從光學(xué)干涉理論出發(fā)，系統(tǒng)闡述SM-100的測(cè)量原理、光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)、信號(hào)處理流程及關(guān)鍵技術(shù)特性，旨在為薄膜測(cè)量技術(shù)人員提供對(duì)該設(shè)備工作原理的深入理解。

關(guān)鍵詞：反射分光干涉；膜厚測(cè)量；手持式；非接觸測(cè)量；白光干涉

1 引言

在光學(xué)鍍膜、半導(dǎo)體制造、食品包裝及醫(yī)療器械等產(chǎn)業(yè)中，薄膜厚度的精確控制直接關(guān)系到產(chǎn)品性能與良率。傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法（如千分尺）存在損傷樣品表面的風(fēng)險(xiǎn)，而臺(tái)式橢偏儀雖精度高，卻難以滿足產(chǎn)線巡檢對(duì)便攜性和快速響應(yīng)的需求。

SM-100系列智能薄膜厚度計(jì)正是為解決這一矛盾而設(shè)計(jì)。該系列將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室級(jí)的光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)微型化、手持化，實(shí)現(xiàn)了“即拿、即測(cè)、即判”的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量能力。理解其工作原理，對(duì)于正確使用設(shè)備、優(yōu)化測(cè)量參數(shù)、解讀測(cè)量結(jié)果具有重要意義。

2 測(cè)量原理

2.1 反射分光干涉基本理論

SM-100系列的核心測(cè)量原理建立在光學(xué)干涉理論基礎(chǔ)之上。當(dāng)一束寬譜光入射至薄膜樣品表面時(shí)，光線在薄膜的上表面和下表面分別發(fā)生反射。這兩束反射光之間存在光程差（Optical Path Difference, OPD），其數(shù)值由薄膜厚度 $d$ 和材料折射率 $n$ 共同決定。

在垂直入射條件下，兩束反射光的光程差可表示為：

$$\mathrm{\Delta }=2nd$$

式中 $n$ 為薄膜材料的折射率，$d$ 為薄膜的幾何厚度。

兩束反射光發(fā)生干涉，形成隨波長(zhǎng)變化的光譜干涉信號(hào)。干涉光強(qiáng)可表達(dá)為：

$$I(\lambda )=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos ?\left(\frac{4\pi nd}{\lambda }\right)$$

其中 $I_1$ 和 $I_2$ 分別為上表面和下表面反射光的強(qiáng)度，$\lambda$ 為波長(zhǎng)。

2.2 干涉光譜特征

由上述公式可知，干涉光譜中相鄰波峰或波谷的間距與薄膜厚度成反比關(guān)系。對(duì)于給定厚度的薄膜，干涉條紋在波長(zhǎng)域呈現(xiàn)周期性振蕩，振蕩頻率與厚度呈線性關(guān)系。通過(guò)解析干涉條紋的頻率，可以直接計(jì)算膜厚，無(wú)需標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行校準(zhǔn)。

這一特性使SM-100區(qū)別于傳統(tǒng)的渦流法或電磁法測(cè)厚儀——后者需要針對(duì)不同基材建立檢量線，而光學(xué)干涉法從根本上消除了這一限制。

2.3 多層膜干涉原理

對(duì)于包含多層結(jié)構(gòu)的薄膜樣品，SM-100系列同樣具備解析能力（專業(yè)版支持最多3層）。在多層結(jié)構(gòu)中，光線在每個(gè)界面上均發(fā)生反射和折射，形成多個(gè)反射光分量。各反射光之間的干涉疊加產(chǎn)生復(fù)雜的光譜干涉圖樣，通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴煞蛛x各層貢獻(xiàn)，分別計(jì)算每層的厚度。

多層膜的光學(xué)特性可由傳輸矩陣法（Transfer Matrix Method, TMM）描述。每層薄膜由其厚度和復(fù)折射率表征，整個(gè)膜系的光學(xué)響應(yīng)可通過(guò)各層特征矩陣的乘積獲得。SM-100的內(nèi)置算法正是基于這一理論框架，實(shí)現(xiàn)了多層膜厚的同時(shí)解析。

3 系統(tǒng)架構(gòu)與光學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 整體架構(gòu)

SM-100系列將傳統(tǒng)分光干涉測(cè)量系統(tǒng)微型化為手持式結(jié)構(gòu)，整機(jī)重量?jī)H約1.1 kg，內(nèi)置鋰電池支持連續(xù)工作4小時(shí)以上。系統(tǒng)主要由以下模塊組成：

3.2 光學(xué)探頭設(shè)計(jì)

SM-100系列提供兩種探頭配置以滿足不同測(cè)量場(chǎng)景需求：

1. 標(biāo)準(zhǔn)探頭：測(cè)量光斑直徑≤Φ1 mm，適用于常規(guī)平面薄膜測(cè)量；

2. 筆型探頭：端部直徑Φ6 mm，可深入鏡片邊緣、手機(jī)中框臺(tái)階、包裝封口等狹窄區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。

兩種探頭均采用同軸光路設(shè)計(jì)，照明光纖與接收光纖集成于同一探頭內(nèi)，確保對(duì)準(zhǔn)即觸發(fā)測(cè)量的便捷性。

3.3 光源與光譜儀

系統(tǒng)采用白光LED作為照明光源，覆蓋可見(jiàn)光至近紅外波段。與激光光源相比，白光LED具有以下優(yōu)勢(shì)：

• 無(wú)相干噪聲，干涉光譜平滑；

• 寬譜輸出可產(chǎn)生高空間分辨率的干涉信號(hào)；

• 功耗低，適合手持設(shè)備應(yīng)用。

微型光譜儀負(fù)責(zé)采集反射干涉光譜，其分辨率決定了可測(cè)量的厚度范圍。SM-100系列通過(guò)優(yōu)化光譜儀參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了0.1 μm至100 μm的寬量程覆蓋。

4 信號(hào)處理與厚度計(jì)算

4.1 干涉光譜預(yù)處理

SM-100的信號(hào)處理流程始于干涉光譜的采集與預(yù)處理。原始干涉信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，依次進(jìn)行以下處理：

• 暗電流校正：消除探測(cè)器暗噪聲；

• 波長(zhǎng)標(biāo)定：將探測(cè)器像素映射至實(shí)際波長(zhǎng)；

• 參考光譜歸一化：消除光源光譜分布的影響。

4.2 頻率域分析

完成預(yù)處理后，系統(tǒng)采用頻率域分析方法計(jì)算膜厚。具體流程如下：

1. 波數(shù)域轉(zhuǎn)換：將波長(zhǎng)域干涉光譜轉(zhuǎn)換為波數(shù)域，使干涉頻率與厚度呈嚴(yán)格線性關(guān)系；

2. 傅里葉變換：對(duì)波數(shù)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），得到光程差分布譜；

3. 峰值提取：識(shí)別光程差譜中的峰值位置，該位置對(duì)應(yīng)光程差 $2nd$；

4. 厚度換算：根據(jù)已知的折射率 $n$，計(jì)算薄膜幾何厚度 $d$。

4.3 多層膜解析算法

對(duì)于多層膜結(jié)構(gòu)，光程差譜中將出現(xiàn)多個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)各層界面的光程差。SM-100專業(yè)版采用以下策略實(shí)現(xiàn)多層厚度解析：

• 峰值分離：根據(jù)預(yù)期厚度范圍識(shí)別各層對(duì)應(yīng)的峰值；

• 折射率數(shù)據(jù)庫(kù)：內(nèi)置常用薄膜材料的折射率數(shù)據(jù)，支持材料選擇；

• 逐層剝離：從頂層開(kāi)始逐層計(jì)算，消除上層對(duì)下層光譜的影響。

4.4 測(cè)量時(shí)間與精度

SM-100系列的核心性能指標(biāo)如下：

5 關(guān)鍵技術(shù)特性

5.1 無(wú)需標(biāo)樣校準(zhǔn)

SM-100采用膜厚測(cè)量方式，無(wú)需針對(duì)不同基材建立檢量線。這一特性源于光學(xué)干涉法的基本原理——厚度信息直接編碼于干涉光譜的頻率中，與材料電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等性質(zhì)無(wú)關(guān)。對(duì)于頻繁更換測(cè)量對(duì)象的產(chǎn)線巡檢場(chǎng)景，這一優(yōu)勢(shì)尤為突出。

5.2 非接觸無(wú)損測(cè)量

光學(xué)測(cè)量方式使SM-100避免了與樣品表面的物理接觸，從根本上消除了劃傷風(fēng)險(xiǎn)。這一特性對(duì)于以下應(yīng)用場(chǎng)景尤為重要：

• 光學(xué)鍍膜（AR膜、HR膜等）；

• 半導(dǎo)體晶圓（氧化膜、光刻膠）；

• 濕膜狀態(tài)測(cè)量（未固化涂層）。

5.3 形狀自適應(yīng)能力

筆型探頭的窄縫可達(dá)性使SM-100能夠測(cè)量傳統(tǒng)臺(tái)式設(shè)備難以觸及的區(qū)域：

• 鏡片邊緣中心；

• 手機(jī)中框臺(tái)階；

• 包裝封口內(nèi)側(cè)；

• 曲面與異形表面。

此外，可選配的非接觸載臺(tái)支持濕膜或半導(dǎo)體晶圓的無(wú)接觸掃描測(cè)量，防止二次污染。

5.4 基材普適性

SM-100可測(cè)量的基材范圍廣泛，包括玻璃、塑料、金屬、半導(dǎo)體等多種材料。只要基材對(duì)測(cè)量波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光具有足夠反射率，即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定測(cè)量。這一特性使其能夠覆蓋光學(xué)薄膜、涂層薄膜、半導(dǎo)體氧化膜、食品包裝膜等多元化應(yīng)用領(lǐng)域。

6 應(yīng)用實(shí)例

6.1 手機(jī)AR鍍膜檢測(cè)

在手機(jī)蓋板AR膜生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，SM-100可在1秒內(nèi)完成單點(diǎn)厚度測(cè)量（設(shè)計(jì)值106 nm，實(shí)測(cè)105.7 nm），與臺(tái)式橢偏儀偏差僅0.3 nm。單班可完成600片巡檢，顯著提升質(zhì)檢效率。

6.2 食品包裝濕膜監(jiān)控

在PVDC涂層擠出過(guò)程中，SM-100可在濕膜狀態(tài)即時(shí)測(cè)量（12.4 μm），干燥后對(duì)比（11.9 μm），確認(rèn)溶劑揮發(fā)率3.9%，為工藝參數(shù)調(diào)整提供實(shí)時(shí)反饋。

6.3 光學(xué)鏡片中心測(cè)量

筆型探頭可深入Φ8 mm鏡片中心測(cè)量抗反射膜厚度，整盤80片完成測(cè)量?jī)H需90秒，重復(fù)性與再現(xiàn)性（R&R）優(yōu)于5%。

7 結(jié)論

SM-100系列智能薄膜厚度計(jì)基于反射分光干涉原理，采用白光LED光源與微型光譜儀架構(gòu)，通過(guò)頻率域分析方法實(shí)現(xiàn)薄膜厚度的絕對(duì)測(cè)量。其核心技術(shù)創(chuàng)新在于將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室級(jí)光學(xué)干涉系統(tǒng)微型化為1.1 kg手持設(shè)備，同時(shí)保持0.01 μm級(jí)的重復(fù)精度和1秒級(jí)的測(cè)量速度。

無(wú)需標(biāo)樣校準(zhǔn)、非接觸無(wú)損測(cè)量、形狀自適應(yīng)能力強(qiáng)、基材普適性廣等技術(shù)特性，使SM-100系列能夠滿足光學(xué)薄膜、半導(dǎo)體制造、食品包裝、醫(yī)療器械等多元領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)厚度檢測(cè)需求。該設(shè)備的問(wèn)世，標(biāo)志著膜厚測(cè)量技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)線巡檢的重要跨越。