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大塚電子SM-100系列智能薄膜厚度計工作原理

2026-3-23　　閱讀(283)

摘要

SM-100系列智能薄膜厚度計是由日本大塚電子（Otsuka Electronics）開發的一款手持式非接觸膜厚測量設備。該系列產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的手持機身內，可在1秒內完成0.1 μm至100 μm范圍的單層及多層膜厚測量。本文從光學干涉理論出發，系統闡述SM-100的測量原理、光學系統架構、信號處理流程及關鍵技術特性，旨在為薄膜測量技術人員提供對該設備工作原理的深入理解。

關鍵詞：反射分光干涉；膜厚測量；手持式；非接觸測量；白光干涉

1 引言

在光學鍍膜、半導體制造、食品包裝及醫療器械等產業中，薄膜厚度的精確控制直接關系到產品性能與良率。傳統的接觸式測量方法（如千分尺）存在損傷樣品表面的風險，而臺式橢偏儀雖精度高，卻難以滿足產線巡檢對便攜性和快速響應的需求。

SM-100系列智能薄膜厚度計正是為解決這一矛盾而設計。該系列將傳統實驗室級的光學干涉測量技術微型化、手持化，實現了“即拿、即測、即判"的現場測量能力。理解其工作原理，對于正確使用設備、優化測量參數、解讀測量結果具有重要意義。

2 測量原理

2.1 反射分光干涉基本理論

SM-100系列的核心測量原理建立在光學干涉理論基礎之上。當一束寬譜光入射至薄膜樣品表面時，光線在薄膜的上表面和下表面分別發生反射。這兩束反射光之間存在光程差（Optical Path Difference, OPD），其數值由薄膜厚度 $d$ 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：

$Δ = 2 n d$

式中 $n$ 為薄膜材料的折射率， $d$ 為薄膜的幾何厚度。

兩束反射光發生干涉，形成隨波長變化的光譜干涉信號。干涉光強可表達為：

$I (λ) = I_{1} + I_{2} + 2 \sqrt{I_{1} I_{2}} \cos ? (\frac{4 π n d}{λ})$

其中 $I_{1}$ 和 $I_{2}$ 分別為上表面和下表面反射光的強度， $λ$ 為波長。

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系。對于給定厚度的薄膜，干涉條紋在波長域呈現周期性振蕩，振蕩頻率與厚度呈線性關系。通過解析干涉條紋的頻率，可以直接計算膜厚，無需標準樣品進行校準。

這一特性使SM-100區別于傳統的渦流法或電磁法測厚儀——后者需要針對不同基材建立檢量線，而光學干涉法從根本上消除了這一限制。

2.3 多層膜干涉原理

對于包含多層結構的薄膜樣品，SM-100系列同樣具備解析能力（專業版支持最多3層）。在多層結構中，光線在每個界面上均發生反射和折射，形成多個反射光分量。各反射光之間的干涉疊加產生復雜的光譜干涉圖樣，通過適當的算法可分離各層貢獻，分別計算每層的厚度。

多層膜的光學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折射率表征，整個膜系的光學響應可通過各層特征矩陣的乘積獲得。SM-100的內置算法正是基于這一理論框架，實現了多層膜厚的同時解析。

3 系統架構與光學設計

3.1 整體架構

SM-100系列將傳統分光干涉測量系統微型化為手持式結構，整機重量僅約1.1 kg，內置鋰電池支持連續工作4小時以上。系統主要由以下模塊組成：

模塊	組成部件	功能描述
光源模塊	白光LED	提供寬譜照明光
分光模塊	光纖耦合器/分光片	分離照明光與反射光
光譜探測模塊	微型光譜儀	采集干涉光譜信號
信號處理模塊	嵌入式處理器	執行FFT與厚度計算
人機交互模塊	觸摸屏/按鍵	顯示結果與接收指令

3.2 光學探頭設計

SM-100系列提供兩種探頭配置以滿足不同測量場景需求：

標準探頭：測量光斑直徑≤Φ1 mm，適用于常規平面薄膜測量；
筆型探頭：端部直徑Φ6 mm，可深入鏡片邊緣、手機中框臺階、包裝封口等狹窄區域進行測量。

兩種探頭均采用同軸光路設計，照明光纖與接收光纖集成于同一探頭內，確保對準即觸發測量的便捷性。

3.3 光源與光譜儀

系統采用白光LED作為照明光源，覆蓋可見光至近紅外波段。與激光光源相比，白光LED具有以下優勢：

無相干噪聲，干涉光譜平滑；
寬譜輸出可產生高空間分辨率的干涉信號；
功耗低，適合手持設備應用。

微型光譜儀負責采集反射干涉光譜，其分辨率決定了可測量的厚度范圍。SM-100系列通過優化光譜儀參數，實現了0.1 μm至100 μm的寬量程覆蓋。

4 信號處理與厚度計算

4.1 干涉光譜預處理

SM-100的信號處理流程始于干涉光譜的采集與預處理。原始干涉信號經模數轉換后，依次進行以下處理：

暗電流校正：消除探測器暗噪聲；
波長標定：將探測器像素映射至實際波長；
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

完成預處理后，系統采用頻率域分析方法計算膜厚。具體流程如下：

波數域轉換：將波長域干涉光譜轉換為波數域，使干涉頻率與厚度呈嚴格線性關系；
傅里葉變換：對波數域信號進行快速傅里葉變換（FFT），得到光程差分布譜；
峰值提取：識別光程差譜中的峰值位置，該位置對應光程差 $2 n d$ ；
厚度換算：根據已知的折射率 $n$ ，計算薄膜幾何厚度 $d$ 。

4.3 多層膜解析算法

對于多層膜結構，光程差譜中將出現多個峰值，分別對應各層界面的光程差。SM-100專業版采用以下策略實現多層厚度解析：

峰值分離：根據預期厚度范圍識別各層對應的峰值；
折射率數據庫：內置常用薄膜材料的折射率數據，支持材料選擇；
逐層剝離：從頂層開始逐層計算，消除上層對下層光譜的影響。

4.4 測量時間與精度

SM-100系列的核心性能指標如下：

參數	SM-100S（標準版）	SM-100P（專業版）
測量范圍	1 ~ 50 μm（單層）	0.1 ~ 100 μm（單層），1 ~ 100 μm（多層）
多層支持	1層	最多3層
重復精度	2σ ≤ 0.01 μm（SiO? 1 μm）	2σ ≤ 0.01 μm（SiO? 1 μm）
測量時間	≤1秒	≤1秒
光斑直徑	≤Φ1 mm	≤Φ1 mm

5 關鍵技術特性

5.1 無需標樣校準

SM-100采用膜厚測量方式，無需針對不同基材建立檢量線。這一特性源于光學干涉法的基本原理——厚度信息直接編碼于干涉光譜的頻率中，與材料電導率、磁導率等性質無關。對于頻繁更換測量對象的產線巡檢場景，這一優勢尤為突出。

5.2 非接觸無損測量

光學測量方式使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險。這一特性對于以下應用場景尤為重要：

光學鍍膜（AR膜、HR膜等）；
半導體晶圓（氧化膜、光刻膠）；
濕膜狀態測量（未固化涂層）。

5.3 形狀自適應能力

筆型探頭的窄縫可達性使SM-100能夠測量傳統臺式設備難以觸及的區域：

鏡片邊緣中心；
手機中框臺階；
包裝封口內側；
曲面與異形表面。

此外，可選配的非接觸載臺支持濕膜或半導體晶圓的無接觸掃描測量，防止二次污染。

5.4 基材普適性

SM-100可測量的基材范圍廣泛，包括玻璃、塑料、金屬、半導體等多種材料。只要基材對測量波長范圍內的光具有足夠反射率，即可實現穩定測量。這一特性使其能夠覆蓋光學薄膜、涂層薄膜、半導體氧化膜、食品包裝膜等多元化應用領域。

6 應用實例

6.1 手機AR鍍膜檢測

在手機蓋板AR膜生產現場，SM-100可在1秒內完成單點厚度測量（設計值106 nm，實測105.7 nm），與臺式橢偏儀偏差僅0.3 nm。單班可完成600片巡檢，顯著提升質檢效率。

6.2 食品包裝濕膜監控

在PVDC涂層擠出過程中，SM-100可在濕膜狀態即時測量（12.4 μm），干燥后對比（11.9 μm），確認溶劑揮發率3.9%，為工藝參數調整提供實時反饋。

6.3 光學鏡片中心測量

筆型探頭可深入Φ8 mm鏡片中心測量抗反射膜厚度，整盤80片完成測量僅需90秒，重復性與再現性（R&R）優于5%。

7 結論

SM-100系列智能薄膜厚度計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，通過頻率域分析方法實現薄膜厚度的絕對測量。其核心技術創新在于將傳統實驗室級光學干涉系統微型化為1.1 kg手持設備，同時保持0.01 μm級的重復精度和1秒級的測量速度。

無需標樣校準、非接觸無損測量、形狀自適應能力強、基材普適性廣等技術特性，使SM-100系列能夠滿足光學薄膜、半導體制造、食品包裝、醫療器械等多元領域的現場厚度檢測需求。該設備的問世，標志著膜厚測量技術從實驗室走向產線巡檢的重要跨越。

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