研發能量- 光學薄膜與檢測技術聯盟

自行開發的改良式Twyman-Green干涉儀，其光源為波長632.8 nm的氦氖雷射，光束經一倍率60X之顯微物鏡與pinhole所構成的空間濾波器，形成一點光源，再經由準直透鏡產生一均勻 ... 首頁 聯盟簡介 聯盟紀事 研發能量 聯盟服務 聯盟活動 資料下載 聯盟會員 聯繫我們 進入薄膜暨量測技術發展中心網頁 按一下這裡來編輯。

光學多層膜研製 ​​​光學薄膜檢測技術相關儀器開發 本聯盟近年來已陸續完成一些光學薄膜檢測儀器開發，說明如下：​一、可攜式薄膜應力量測儀​●可攜式薄膜應力量測儀利用Michelson干涉儀，透過數位CCD擷取欲量測的薄膜表面與參考平面之單張干涉圖，結合自行開發的軟體，以二維快速傅立葉轉換法(FFT)處理干涉條紋，透過相位展開技術還原薄膜3D表面輪廓，並利用高斯濾波器濾除低頻雜訊，將相位函數轉換為三維表面輪廓分佈，再經由數值擬合分析測定鍍膜前後基板的曲率半徑，以測定各種薄膜均向性與非均向性的殘留應力。

 ●基本規格：使用光源:半導體雷射或氦氖雷射標準平面鏡:平整度0.05波長試片尺寸:直徑25±0.4mm,厚度1.5±0.1mm玻璃基板:單面拋光，平整度1-2波長 曲率半徑範圍：50m~1000m量測膜厚範圍:1nm~1um(單層)應力量測誤差:1-5%(依精密光學元件等級而定)操作溫度範圍：室溫儀器尺寸:24cm(L)x20cm(W)x15cm(H)●儀器特色:可攜式設計、擷取單張干涉圖、全域非接觸測量、系統操作簡便。

●相關應用之產品:光學鍍膜元件、半導體薄膜、平面顯示器、觸控面板等。

圖1薄膜應力量測儀及專利證書 ​​二、干涉相移式薄膜應力量測儀相移式干涉法是以Twyman-Green干涉儀為主要架構，如圖2所示。

Twyman-Green干涉儀是從Michelson干涉儀演變而來的，基本原理是以雷射作為光源，並由一凸透鏡將光形成一個平面波，然後再經由一個分光鏡將波面依振幅分割。

雷射光束分別經由參考面以及待測面反射之後，兩反射光會再經分光鏡重新合併為單一光束，成像於屏幕上形成一同心圓的干涉條紋。

透過數位攝影機擷取待測樣本的干涉圖像，並利用五步相移的方式求出鍍膜前後的基板曲率半徑，進而求得薄膜應力值。

相移式干涉法的優點是精確度高、非接觸式全域量測，而缺點則是壓電平移台的成本較高，易受外力振動或擾動影響，且相移法需要至少三張的干涉圖像才能解析相位資訊。

​​ 圖2 干涉相移式薄膜應力量測儀及專利證書 ​​三、薄膜熱膨脹係數量測儀薄膜熱膨脹係數量測儀是將薄膜樣品置於改良式Twyman-Green干涉儀的測試光路中，經加熱平台增溫，干涉條紋由光學影像擷取系統獲得，再用基於二維快速傅立葉轉換(FFT)及數位影像處理軟體算出各軸向的曲率半徑，利用加熱後及室溫時得到的曲率半徑變化量求得薄膜的熱應力。

熱應力與溫度變化量成正比，在100℃溫度範圍內為線性變化，其斜率則由薄膜和基板的熱膨脹係數差來決定。

此所提出的技術可應用於其它薄膜元件的特性檢測，並設計一套操作簡易、量測準確、非接觸式量測、高解析度與全域性的光學量測系統，可同時測定薄膜之熱膨脹係數f和雙軸模量Ef/(1-uf)。

自行開發的改良式Twyman-Green干涉儀，其光源為波長632.8nm的氦氖雷射，光束經一倍率60X之顯微物鏡與pinhole所構成的空間濾波器，形成一點光源，再經由準直透鏡產生一均勻的平面波前。

藉分光鏡將波前振幅分割，反射光和透射光分別由參考鏡和玻璃基板反射。

玻璃基板置於雙軸平台上以產生空間載波頻率，並作為一個待測面。

在反射光和透射光從參考鏡和基板反射之後，由分光鏡重新合併為單一光束，並成像於由馬達驅動而旋轉的毛玻璃屏幕，形成一同心圓的干涉條紋，並利用CCD攝影機擷取干涉圖像，最後將干涉條紋圖顯示於電腦螢幕，如圖3所示。

此架構結合雙基板法及快速傅立葉轉換法測定薄膜樣本的熱膨脹係數和雙軸彈性模數。

圖3薄膜熱膨脹係數量測儀及專利證書 四、顯微干涉儀 對稱型Linnik顯微架構，如圖4所示。

當光束經由分光鏡分為兩道強度相等的平行光，其一投射至參考光路，其二經由測試光路，當平行光束分別透過顯微物鏡時，需同時微調兩個物鏡的工作距離，使光束會聚投射至物鏡前焦平面位置上的參考鏡面與測試的薄膜表面上，經參考鏡面與測試表面分別反射回物鏡的測試光與參考光，此兩道反射光的波前曲率需擴束為相同的發散角，其次經分光鏡重合於成像平面上形成等厚的直條干涉條紋，再適當調整參考光路傾量平臺的傾斜角度，以施加所需的空間載波頻率大小，最後再以架設於成像平面上的CCD，用以擷取干涉條紋影像，以影像擷取卡將類比訊號轉為數位訊號儲存至電腦中，再以快速傅立葉轉換法粗糙度量測程式作為分析。

在Linnik顯微架構中藉由測試端物鏡所觀察的影像，可測得薄膜表面結構的細微變化，例如：薄膜表面所吸附的塵埃微粒，然而在Michelson顯微架構中卻無法藉此作有效觀測，因此在Linnik顯微架構的測量過程中，可有效避開汙染表面的位置作為量測，且此對稱的架構也可避免其他誤差所造成的影響。

在此架構中為採用一組放大倍率50且NA值為0.55的顯微物鏡，其分別安裝於參考端與測試端中，以一個可單獨控制的一維平移臺上作為量測，如圖4所示，此配置結構需注意參考鏡面與測試表面皆需位於物鏡的前焦平面上，且經參考鏡面與測試表面所反射的反射光，經反射回到顯微物鏡後，此兩道反射光的發散角皆需保持一致，在此條件下可形成近乎直線的干涉條紋，且參考端與測試端反射光的波前曲率也會相互一致。

​ 圖4對稱型Linnik顯微干涉儀及專利證書 ​五、簡式橢偏振儀自製的PSA架構可調角度簡式橢圓偏振儀及其分析軟體，如圖5所示。

採取雙入射角法，雷射光經由起偏片入射角分別30゜和60゜打入樣品，反射後再通過檢偏片，打入光強度偵測晶片上，依據不同的起偏片和檢偏片角度量測樣品光強度變化。

得到光強度變化值後，使用MATLAB分析程式，經由三點測量法，得到橢圓偏光常數(ψ、Δ)，並利用數值疊代演算法，可得到薄膜光學常數:折射率(n)、消光係數(k)及膜厚(d)。

圖5簡式橢偏振儀 ​六、 四點探針薄膜電阻儀在眾多量測電阻值的方法中，其中四點探針的量測原理是較被廣泛應用，如圖6所示，四點探針的主要架構即為四根排列成一直線，且探針和探針間的間距一致，並且每根探針都裝設彈簧，用來作為探針的支撐力來源。

量測薄膜片電阻的過程中，兩邊最外側的兩根探針會通入一微小且固定的電流，同時探針內側的兩根探針連接著伏特計，當迴路導通時，可即時檢測出待測物的回授電壓值，最後由檢測到的電壓值和預設的電流值，可以量測分析出該待測物的電阻值。

自行開發的四點探針薄膜電阻儀，該實驗架構如圖6所示。

主要架構分為三個部分，在電流輸出部分為使用GWInstek公司所生產的數位直流電源供應器型號GPC-3030D，其輸出精確度為±(0.2%+3mA)；電壓檢測為採用HILA公司所生產的多功能數位電錶，其型號為DM2610，量測精確度±(0.5%+3mV)，最小解析度為100uV；最後，探針是使用以鈹銅鍍金為材料的彈簧針，其探針直徑為0.77mm，行程全壓彈力約為150g(±20%)。

圖6 四點探針電阻儀示意圖(a)及實體照片(b) ​七、鏡片像差檢測系統使用自行架設之光學檢測系統，該實驗架構如圖7所示。

系統搭配波前感測器(Shack-HartmannWavefrontSensor)，測量驗光試鏡架在相同的等效屈光度數下，搭配不同驗光試鏡片的組合時，評估驗光試鏡片的光學特性，經由Shack-Hartmann波前感測器擷取資料，藉此分析驗光試鏡片屈光度與Zernike多項式Z5的離焦(Defocus)的線性關係，以及驗光試鏡片屈光度與Zernike多項式Z13三階球面像差(3rdOrderSphericalAberration)的線性關係；將資料輸出至電腦進行Zernike多項式擬合係數，再由MATLAB數值計算軟體運算，最後重建驗光試鏡片2D及3D的波前形貌。

圖7 鏡片像差檢測系統 八、偏光應力檢測儀此偏光應力檢測儀，如圖8所示，所使用的鈉氣燈sodiumlamp釋放出來的黃色光，為波長589nm的單一波長的光，用來作為偏光應力檢測的偏極光，實驗時以兩片光學偏光片，依前後放置在一鈉氣燈光源前，當鈉光通過第一片偏光片(起偏片)時已成一單方向光波，若旋轉第二片偏光片(檢偏片)觀察時，將會發現當兩片偏光片成平行時，可見到鈉光通過；但若兩片成垂直時，則呈黑暗無光線通過。

圖8偏光應力檢測儀實體照片 ​九、薄膜熱傳導量測儀薄膜熱傳導量測儀架構，如圖9所示，包含第一部分是銅材料所製的加熱探針，第三部分是待測的金屬氧化膜，第四部份是銅基板，第五是散熱器，以及精準控制的升降台，其主要功能是讓加熱探針與待測的金屬氧化膜，做細微的接觸，然而除了上述的架構外，還包括光學顯微鏡並以電腦操控(電腦內安裝有影像擷取卡及影像處理分析軟體)，以方便樣品觀察、影像擷取及數據分析。

圖9薄膜熱傳導量測儀  ​​十、光纖側磨拋光機自製光纖側磨拋光機，此光纖拋光機可將單模或多模光纖進行側面研磨拋光，以製作各種厚度D形光纖，並利用光纖即時監控觀測光纖穿透光功率來觀測拋光中的光纖損耗程度為何，達到光纖樣品所適合光纖厚度，以提升光纖感測元件之靈敏度，自製的光纖拋光機及其控制面板，如圖10所示。

圖10光纖拋光機實體照片及其控制面板 ​逢甲大學電機工程學系微光電應用實驗室​地址：40724台中市西屯區文華路100號聯絡人：逢甲大學電機系田春林教授E-mail：[email protected]電話：04-24517250轉3809/3839 提供者 使用自訂式範本建立您的專屬獨特網站。

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