【摘 要】
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薄膜广泛地应用于液晶屏、摄影镜头、反射镜等工业产品和生活用品中。薄膜的厚度是影响薄膜性能的最重要的指标之一,国内现有的膜厚测量仪（例如椭偏仪、反射测厚仪等）局限于单点测量,无法满足生产车间对薄膜产品大面积扫描检测的需求。线成像测量能够同时获得一条测量线上数百个空间维通道的数据,因此在进行大面积扫描检测时,线成像测量的效率高于单点测量。本文对基于线成像光谱分析的膜厚轮廓测量进行了研究,将膜厚测量方法
【基金项目】
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国家自然科学基金重点项目“面向柔性量子点显示稳定化的原子层沉积跨尺度制造方法研究”的相关子课题“薄膜厚度及光学常数的测量”；
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薄膜广泛地应用于液晶屏、摄影镜头、反射镜等工业产品和生活用品中。薄膜的厚度是影响薄膜性能的最重要的指标之一,国内现有的膜厚测量仪（例如椭偏仪、反射测厚仪等）局限于单点测量,无法满足生产车间对薄膜产品大面积扫描检测的需求。线成像测量能够同时获得一条测量线上数百个空间维通道的数据,因此在进行大面积扫描检测时,线成像测量的效率高于单点测量。本文对基于线成像光谱分析的膜厚轮廓测量进行了研究,将膜厚测量方法之一的反射光谱法从单点膜厚测量拓展到线成像膜厚轮廓测量。主要内容包括:（1）设计了一套光谱范围400nm-700nm的成像光谱系统,利用Zemax软件进行仿真,并搭建样机。利用特征光谱法进行了光谱标定,然后对488nm激光器进行半峰全宽（FWHM）测量,测得FWHM=0.66nm,满足1nm光谱分辨率的设计指标。将摄影照片畸变校正的多项式坐标变换和双线性灰度插值法,应用在成像光谱仪畸变校正上,并提出了一种使用明暗相间的狭缝,来构建光谱图像标准坐标系的方法,解决了成像光谱仪多项式坐标变换畸变校正中没有标准坐标图的问题。校正后的空间维畸变<15μm,光谱维畸变<10μm。本文成像光谱系统的分辨率、光谱畸变等指标已达到部分商用成像光谱仪水平,并且成本更为低廉,装配更加方便。（2）设计了一套基于柯勒照明和光谱分析的线成像膜厚轮廓测量系统。测量了495.4nm厚的Si O2薄膜（Si基底）样品的线成像反射光谱,使用LM算法（已知折射率）进行拟合求解。在一次线成像测量中提取了120个空间维通道（每个通道占4个像素）的膜厚数据,平均膜厚496.56nm,平均测量误差1.16nm（0.234%）,膜厚轮廓在496.56nm±2nm（0.4%）范围内起伏。30次重复性测量最大误差0.55nm（0.11%）,说明本文线成像膜厚轮廓测量系统能够准确、稳定的测量出薄膜的线轮廓厚度。单次膜厚线轮廓测量（120个空间维通道）平均用时1.05秒,平均每个通道测量用时0.00877秒,是单点测量平均用时0.1354-0.1714秒的6.5%,说明本文线成像膜厚轮廓测量系统的测量效率是普通单点膜厚测量系统的15倍。本文设计了一套透镜式成像光谱系统,提出了一种基于多项式坐标变换和双线性灰度插值的成像光谱仪空间维和光谱维畸变同时校正算法,经过畸变校正后的成像光谱仪已能达到部分商用成像光谱仪水平。依托设计的成像光谱仪,本文设计了一套基于柯勒照明和光谱分析的线成像膜厚测量系统,能够准确、稳定地测量膜厚轮廓,其平均每个通道测量时间是普通单点测量用时的6.5%,提高了薄膜厚度轮廓测量的速率,为提高薄膜卷对卷生产所需的大面积厚度轮廓扫描测量的效率提供了指导思路。
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