透明薄膜在光學(xué)器件、微電子封裝及光電子領(lǐng)域中具有關(guān)鍵作用，其厚度均勻性直接影響產(chǎn)品性能。然而，工業(yè)級微米級薄膜的快速測量面臨挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)干涉法設(shè)備龐大、成本高，分光光度法易受噪聲干擾且依賴校準(zhǔn)樣品。本文本文基于FlexFilm單點膜厚儀的光學(xué)干涉技術(shù)框架，提出一種基于共焦光譜成像與薄膜干涉原理的微型化測量系統(tǒng)，結(jié)合相位功率譜（PPS）算法，實現(xiàn)了無需校準(zhǔn)的高效厚度測量，為工業(yè)現(xiàn)場檢測提供了新方案。

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測量系統(tǒng)設(shè)計

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薄膜厚度測量原理示意圖本文設(shè)計的測量系統(tǒng)基于共聚焦光譜成像與薄膜干涉原理，其核心在于通過分析反射干涉光譜提取薄膜厚度信息。系統(tǒng)采用發(fā)光二極管（LED）、微型光譜儀以及自設(shè)計的共聚焦消色差探頭，實現(xiàn)測量系統(tǒng)的微型化。在該系統(tǒng)中，干涉信號的產(chǎn)生源于薄膜上下表面反射光的相干疊加，其光程差與薄膜厚度緊密相關(guān)。LED 光源發(fā)出的光經(jīng)探頭聚焦到薄膜表面，反射光再通過光譜儀進(jìn)行探測與分析。此設(shè)計不僅降低了系統(tǒng)成本，還提升了測量靈活性，使其更易集成于工業(yè)生產(chǎn)線上。

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薄膜厚度計算算法

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• 相位功率譜分析（PPS）

相位功率譜（PPS）算法流程圖

• EMD濾波：利用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解自適應(yīng)提取高頻干涉分量，消除LED光源非均勻性影響。
• 波數(shù)域轉(zhuǎn)換：將反射光譜從波長λλ轉(zhuǎn)換至波數(shù)σ，增強相位項敏感性。
• LSP分析：通過改進(jìn)的Lomb-Scargle周期圖計算相位功率譜密度，抑制局部噪聲。
• 厚度解算：定位功率譜峰值z????，結(jié)合折射率n?計算厚度 d=z????/2n?。

峰值提取和薄膜厚度計算

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薄膜干涉模型驗證

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9 μm 厚度薄膜干涉仿真圖（a）高斯光源下的反射光譜仿真圖；（b）反射光譜仿真與測量信號對比

薄膜厚度對計算誤差的影響

在高斯光源（中心波長660 nm，帶寬80 nm）下，對1–100 μm薄膜進(jìn)行仿真。結(jié)果顯示，1–75 μm范圍內(nèi)固有誤差≤±50 nm，超過75 μm后因光譜儀分辨率限制誤差增大。

干涉條紋對比度對計算厚度偏差的影響

信號對比度（K=0.1–1.0）變化對厚度計算偏差影響小于20 nm，證明算法對材料特性不敏感。局部高斯噪聲對計算厚度偏差的影響

引入局部高斯噪聲后，LSP算法誤差（16 nm）僅為CIFFT算法（114 nm）的14%，抗噪魯棒性顯著。

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薄膜厚度測量

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• 標(biāo)準(zhǔn)薄膜樣品測量

標(biāo)準(zhǔn)薄膜的 CIFFT 和 LSP 算法結(jié)果對比（a）單點重復(fù)性測量；（b）4×4 網(wǎng)格點測量

使用厚度范圍 2 – 50 μm 的聚氯乙烯（PVC）標(biāo)準(zhǔn)薄膜樣品進(jìn)行測量。單點重復(fù)性測量實驗表明，PPS 算法的標(biāo)準(zhǔn)差僅為 0.076 μm，遠(yuǎn)優(yōu)于立方樣條插值結(jié)合快速傅里葉變換（CIFFT）方法。區(qū)域測量穩(wěn)定性驗證中，最大絕對誤差控制在0.9202 μm 以內(nèi)，重復(fù)性不超過 2.5%，證明了系統(tǒng)在工業(yè)重復(fù)性要求下的可靠性。

• 鍺基 SiO?標(biāo)準(zhǔn)薄膜測量

（a）鍺基底上具有 1 μm 臺階的 SiO? 薄膜（b）白光干涉儀測量的臺階三維形貌

針對鍺基底上1 μm 厚度的 SiO? 薄膜臺階結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量，與白光干涉測量結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，PPS 方法的平均厚度測量值僅比白光干涉結(jié)果小約 50 nm，但測量速度更快，滿足快速測量需求。

• PCB 芯片薄膜厚度測量

對PCB 板上不同區(qū)域1 – 30 μm 厚度的透明薄膜進(jìn)行測量，結(jié)果顯示測量值與工廠提供的參考值高度吻合，絕對厚度誤差均在100 nm 以內(nèi)。這驗證了該測量系統(tǒng)在實際工業(yè)場景中對不同類型薄膜厚度測量的準(zhǔn)確性和適用性。本文構(gòu)建的微型化薄膜厚度測量系統(tǒng)實現(xiàn)了1–75 μm范圍、0.1 μm不確定度的高精度測量，單次測量僅需10 ms，且無需校準(zhǔn)樣品，顯著提升工業(yè)檢測效率。EMD與LSP的協(xié)同作用有效抑制光源波動、噪聲及非均勻采樣的影響，為微米級薄膜測量提供了高效方案。

FlexFilm單點膜厚儀

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FlexFilm單點膜厚儀是一款專為納米級薄膜測量設(shè)計的國產(chǎn)高精度設(shè)備，采用光學(xué)干涉技術(shù)實現(xiàn)無損檢測，測量精度達(dá)±0.1nm，1秒內(nèi)即可完成測試，顯著提升產(chǎn)線效率。

高精度測量：光學(xué)干涉技術(shù)，精度±0.1nm，1秒完成測量，提升產(chǎn)線效率。

智能靈活適配：波長覆蓋380-3000nm，內(nèi)置多算法，一鍵切換材料模型。

穩(wěn)定耐用：光強均勻穩(wěn)定（CV＜1%）年均維護(hù)成本降低60%。

便攜易用：整機＜3kg，軟件一鍵操作，無需專業(yè)培訓(xùn)。

本文研究技術(shù)已應(yīng)用于FlexFilm單點膜厚儀，未來通過高分辨率光譜儀（如0.1 nm級）可擴展至亞微米級測量，結(jié)合多波長融合算法動態(tài)補償折射率，進(jìn)一步提升FlexFilm單點膜厚儀等在半導(dǎo)體、光學(xué)鍍膜領(lǐng)域的在線檢測精度。原文出處:《A Miniaturized and Fast System for Thin Film Thickness Measurement》

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