靜電噴涂沉積（ESD）作為一種經濟高效的薄膜制備技術，因其可精確調控薄膜形貌與化學計量比而受到廣泛關注。然而，薄膜的厚度均勻性是影響其最終性能與應用可靠性的關鍵因素，其優劣直接受到電壓、流速、針基距等多種工藝參數的復雜影響。傳統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化的需求。Flexfilm探針式臺階儀可以實現表面微觀特征的精準表征與關鍵參數的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，為材料質量把控和生產效率提升提供數據支撐。

本研究提出并建立了一種基于光學圖像分析的快速、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，通過數碼相機獲取透射光圖像，并依據朗伯-比爾定律將灰度信息轉換為厚度分布。通過自主開發的圖像處理算法，從宏觀（基于厚度方差的區塊分析）和微觀（基于厚度梯度的分布統計）兩個尺度對均勻性進行量化評價，從而實現對薄膜質量的高通量、全場表征，為工藝參數的系統優化提供了直接、有效的分析工具。

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實驗方法

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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?和硫脲為前驅體，配制水-醇基溶液，在SnO?:F導電玻璃基板上進行ESD沉積。

系統研究了溶液濃度（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，通過數碼相機獲取透射光圖像。

厚度轉換：將圖像轉換為灰度矩陣，并依據朗伯?比爾定律，假設固定吸收系數（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果

宏觀均勻性測試（MUT）：將厚度矩陣劃分為不同尺寸的區塊，計算各區塊平均厚度的方差。隨著區塊尺寸減小，方差的變化趨勢反映了薄膜在大尺度上的厚度波動。設定方差閾值（μ(t) ≤ 10?12 @ 200像素區塊）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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實驗結果

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左：不同條件下樣品的數字圖像；中：宏觀均勻性測試（MUT）結果；右上：微觀均勻性測試（μUT）結果；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行分析，結果表明：

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。高電場的使用減少了材料損失，有利于優化薄膜性能。通過調整實驗參數可改善沉積薄膜形貌。本文開發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；也可用于監測成分變化引起的局部光學密度差異。該方法無損、高效，基于圖像處理與分析實現均勻性量化。盡管本研究針對ESD薄膜，但同樣適用于其他沉積技術制備的半透明薄膜。

Flexfilm探針式臺階儀

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技術支持：180-1566-6117在半導體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領域，表面臺階高度、膜厚的準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，對各種薄膜臺階參數的精確、快速測定和控制，是保證材料質量、提高生產效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復性1nm
• 360°旋轉θ平臺結合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準測量

費曼儀器作為國內領先的薄膜厚度測量技術解決方案提供商，Flexfilm探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進行準確測量，保證材料質量、提高生產效率。

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

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材料電學性能表征設備： 離線/在線四探針測試儀、半導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、擴展電阻SRP測試儀。Flexfilm 致力于成為客戶在材料研發、工藝控制和質量保證環節最值得信賴的合作伙伴，以創新的測量技術驅動全球工業智造的進步。