靜電噴涂沉積（ESD）作為一種經(jīng)濟(jì)高效的薄膜制備技術(shù)，因其可精確調(diào)控薄膜形貌與化學(xué)計(jì)量比而受到廣泛關(guān)注。然而，薄膜的厚度均勻性是影響其最終性能與應(yīng)用可靠性的關(guān)鍵因素，其優(yōu)劣直接受到電壓、流速、針基距等多種工藝參數(shù)的復(fù)雜影響。傳統(tǒng)均勻性評(píng)估方法往往效率較低或具有破壞性，難以滿(mǎn)足快速工藝優(yōu)化的需求。Flexfilm探針式臺(tái)階儀可以實(shí)現(xiàn)表面微觀特征的精準(zhǔn)表征與關(guān)鍵參數(shù)的定量測(cè)量，精確測(cè)定樣品的表面臺(tái)階高度與膜厚，為材料質(zhì)量把控和生產(chǎn)效率提升提供數(shù)據(jù)支撐。

本研究提出并建立了一種基于光學(xué)圖像分析的快速、非破壞性均勻性定量評(píng)估方法。該方法將半透明薄膜置于均勻光源上，通過(guò)數(shù)碼相機(jī)獲取透射光圖像，并依據(jù)朗伯-比爾定律將灰度信息轉(zhuǎn)換為厚度分布。通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的圖像處理算法，從宏觀（基于厚度方差的區(qū)塊分析）和微觀（基于厚度梯度的分布統(tǒng)計(jì)）兩個(gè)尺度對(duì)均勻性進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜質(zhì)量的高通量、全場(chǎng)表征，為工藝參數(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化提供了直接、有效的分析工具。

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實(shí)驗(yàn)方法

flexfilm

用于制備薄膜的靜電噴涂沉積裝置示意圖

薄膜制備

以CuCl?·2H?O、InCl?和硫脲為前驅(qū)體，配制水-醇基溶液，在SnO?:F導(dǎo)電玻璃基板上進(jìn)行ESD沉積。

系統(tǒng)研究了溶液濃度（0.21–0.49 M）、電壓（10–20 kV）、流速（25–200 μL/min）、針?基距（4–5 cm）及基板溫度（380–450°C）對(duì)薄膜形貌的影響。

均勻性評(píng)估流程

宏觀均勻性測(cè)試流程圖

圖像采集：將半透明薄膜置于均勻光源上，通過(guò)數(shù)碼相機(jī)獲取透射光圖像。

厚度轉(zhuǎn)換：將圖像轉(zhuǎn)換為灰度矩陣，并依據(jù)朗伯?比爾定律，假設(shè)固定吸收系數(shù)（10?? cm?1），將灰度值換算為相對(duì)厚度分布。

兩段式分析：

左：人工生成圖像（用于驗(yàn)證MUT）；右：MUT對(duì)人工圖像的分析結(jié)果

宏觀均勻性測(cè)試（MUT）：將厚度矩陣劃分為不同尺寸的區(qū)塊，計(jì)算各區(qū)塊平均厚度的方差。隨著區(qū)塊尺寸減小，方差的變化趨勢(shì)反映了薄膜在大尺度上的厚度波動(dòng)。設(shè)定方差閾值（μ(t) ≤ 10?12 @ 200像素區(qū)塊）可用于快速篩選均勻性合格的樣品。

微觀均勻性測(cè)試（μUT）：對(duì)通過(guò)MUT的樣品，計(jì)算厚度矩陣在行、列方向上的梯度分布，并統(tǒng)計(jì)其半高寬（FWHM）。FWHM越小，表明薄膜局部厚度變化越平緩，微觀均勻性越好。

樣品的噴涂沉積條件

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實(shí)驗(yàn)結(jié)果

flexfilm

左：不同條件下樣品的數(shù)字圖像；中：宏觀均勻性測(cè)試（MUT）結(jié)果；右上：微觀均勻性測(cè)試（μUT）結(jié)果；右下：計(jì)算粗糙度與臺(tái)階儀測(cè)量粗糙度對(duì)比圖

通過(guò)對(duì)多組工藝條件下制備的薄膜進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

較高的電壓（16–20 kV）與適中的流速（100–200 μL/min）有利于獲得宏觀均勻的薄膜。

微觀均勻性最佳的樣品（如2號(hào)樣品）表現(xiàn)出最窄的厚度梯度分布（FWHM ≈ 3.95 nm）。

該方法計(jì)算的厚度分布粗糙度與臺(tái)階儀的測(cè)量結(jié)果趨勢(shì)一致，驗(yàn)證了其可靠性。相較于輪廓儀的單點(diǎn)測(cè)量，圖像分析法能提供全視野的平均信息，對(duì)不均勻樣品更具表征優(yōu)勢(shì)。

靜電噴涂沉積（ESD）是一種可在低溫下制備可控薄膜的靈活技術(shù)。高電場(chǎng)的使用減少了材料損失，有利于優(yōu)化薄膜性能。通過(guò)調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)可改善沉積薄膜形貌。本文開(kāi)發(fā)的測(cè)試方法簡(jiǎn)單有效，可用于評(píng)估薄膜厚度均勻性。對(duì)于成分均勻的薄膜，該方法通過(guò)分析圖像亮度變化反映厚度均勻性；也可用于監(jiān)測(cè)成分變化引起的局部光學(xué)密度差異。該方法無(wú)損、高效，基于圖像處理與分析實(shí)現(xiàn)均勻性量化。盡管本研究針對(duì)ESD薄膜，但同樣適用于其他沉積技術(shù)制備的半透明薄膜。

Flexfilm探針式臺(tái)階儀

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技術(shù)支持：180-1566-6117在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺(tái)階高度、膜厚的準(zhǔn)確測(cè)量具有十分重要的價(jià)值，尤其是臺(tái)階高度是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)各種薄膜臺(tái)階參數(shù)的精確、快速測(cè)定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機(jī)
• 亞埃級(jí)分辨率，臺(tái)階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺(tái)結(jié)合Z軸升降平臺(tái)
• 超微力恒力傳感器保證無(wú)接觸損傷精準(zhǔn)測(cè)量

費(fèi)曼儀器作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測(cè)量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm探針式臺(tái)階儀可以對(duì)薄膜表面臺(tái)階高度、膜厚進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

原文參考：《A method to quantify the degree of uniformity of thickness of thin films》

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蘇州費(fèi)曼測(cè)量?jī)x器有限公司（Flexfilm）——薄膜材料智檢先鋒，致力于為全球工業(yè)智造提供精準(zhǔn)測(cè)量解決方案。薄膜結(jié)構(gòu)精密測(cè)量設(shè)備：臺(tái)階儀、全光譜橢偏儀、單點(diǎn)膜厚儀、自動(dòng)膜厚儀、在線(xiàn)厚度測(cè)量系統(tǒng)，為客戶(hù)提供接觸式、非接觸式、自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)三種薄膜厚度測(cè)試技術(shù)。

材料電學(xué)性能表征設(shè)備： 離線(xiàn)/在線(xiàn)四探針測(cè)試儀、半導(dǎo)體晶圓在線(xiàn)方阻測(cè)試儀、平板顯示在線(xiàn)方阻測(cè)試儀、TLM接觸電阻測(cè)試儀、霍爾測(cè)試儀、擴(kuò)展電阻SRP測(cè)試儀。Flexfilm 致力于成為客戶(hù)在材料研發(fā)、工藝控制和質(zhì)量保證環(huán)節(jié)最值得信賴(lài)的合作伙伴，以創(chuàng)新的測(cè)量技術(shù)驅(qū)動(dòng)全球工業(yè)智造的進(jìn)步。