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)均勻性評估方法往往效率較低或具有破壞性，難以滿足快速工藝優(yōu)化的需求。Flexfilm探針式臺階儀可以實現(xiàn)表面微觀特征的精準(zhǔn)表征與關(guān)鍵參數(shù)的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，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估方法。該方法將半透明薄膜置于均勻光源上，通過數(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。通過自主開發(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）兩個尺度對均勻性進(jìn)行量化評價，從而實現(xiàn)對薄膜質(zhì)量的高通量、全場表征，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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實驗方法

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）對薄膜形貌的影響。

均勻性評估流程

宏觀均勻性測試流程圖

圖像采集：將半透明薄膜置于均勻光源上，通過數(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厚度分布。

兩段式分析：

左：人工生成圖像（用于驗證MUT）；右：MUT對人工圖像的分析結(jié)果

宏觀均勻性測試（MUT）：將厚度矩陣劃分為不同尺寸的區(qū)塊，計算各區(qū)塊平均厚度的方差。隨著區(qū)塊尺寸減小，方差的變化趨勢反映了薄膜在大尺度上的厚度波動。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。

微觀均勻性測試（μUT）：對通過MUT的樣品，計算厚度矩陣在行、列方向上的梯度分布，并統(tǒng)計其半高寬（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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實驗結(jié)果

flexfilm

左：不同條件下樣品的數(shù)字圖像；中：宏觀均勻性測試（MUT）結(jié)果；右上：微觀均勻性測試（μUT）結(jié)果；右下：計算粗糙度與臺階儀測量粗糙度對比圖

通過對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號樣品）表現(xiàn)出最窄的厚度梯度分布（FWHM ≈ 3.95 nm）。

該方法計算的厚度分布粗糙度與臺階儀的測量結(jié)果趨勢一致，驗證了其可靠性。相較于輪廓儀的單點測量，圖像分析法能提供全視野的平均信息，對不均勻樣品更具表征優(yōu)勢。

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)。高電場的使用減少了材料損失，有利于優(yōu)化薄膜性能。通過調(diào)整實驗參數(shù)可改善沉積薄膜形貌。本文開發(fā)的測試方法簡單有效，可用于評估薄膜厚度均勻性。對于成分均勻的薄膜，該方法通過分析圖像亮度變化反映厚度均勻性；也可用于監(jiān)測成分變化引起的局部光學(xué)密度差異。該方法無損、高效，基于圖像處理與分析實現(xiàn)均勻性量化。盡管本研究針對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探針式臺階儀

flexfilm

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，表面臺階高度、膜厚的準(zhǔn)確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數(shù)，對各種薄膜臺階參數(shù)的精確、快速測定和控制，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)
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺結(jié)合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準(zhǔn)測量

費(fèi)曼儀器作為國內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進(jìn)行準(zhǔn)確測量，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)曼測量儀器有限公司（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)測量解決方案。薄膜結(jié)構(gòu)精密測量設(shè)備：臺階儀、全光譜橢偏儀、單點膜厚儀、自動膜厚儀、在線厚度測量系統(tǒng)，為客戶提供接觸式、非接觸式、自動化測量系統(tǒng)三種薄膜厚度測試技術(shù)。

材料電學(xué)性能表征設(shè)備： 離線/在線四探針測試儀、半導(dǎo)體晶圓在線方阻測試儀、平板顯示在線方阻測試儀、TLM接觸電阻測試儀、霍爾測試儀、擴(kuò)展電阻SRP測試儀。Flexfilm 致力于成為客戶在材料研發(fā)、工藝控制和質(zhì)量保證環(huán)節(jié)最值得信賴的合作伙伴，以創(chuàng)新的測量技術(shù)驅(qū)動全球工業(yè)智造的進(jìn)步。