在OLED顯示器中的多層超薄膜疊加結(jié)構(gòu)的橢偏測量應用中，需要同時提取多層超薄膜堆棧各層薄膜厚度值，而膜層與膜層間的厚度也會有強耦合性會導致測量的不確定性增加。某些膜層對總體測量數(shù)據(jù)的靈敏度也極低，導致部分膜層厚度測量結(jié)果偏離真實值。對此本文構(gòu)建了一套針對超薄膜橢偏測量靈敏度和唯一性評估模型，應用于超薄膜待測參數(shù)高精度的提取，并結(jié)合在國內(nèi)領先測量供應商費曼儀器提供的Flexfilm全光譜橢偏儀驗證該方法可以用于測量OLED中多層超薄膜結(jié)構(gòu)的膜厚。

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超薄膜待測參數(shù)提取評估模型

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薄膜待測參數(shù)提取的評估模型流程圖

根據(jù)橢偏測量原理以及數(shù)據(jù)分析方法，引入了待測參數(shù)的結(jié)果唯一性分析理論，并基于靈敏度分析方法研究了橢偏測量納米薄膜待測參數(shù)與測量光譜之間的誤差傳遞關系，進一步推導出輸入?yún)?shù)傳遞到輸出參數(shù)的不確定度、相關系數(shù)的理論分析算法。以薄膜輸出參數(shù)的不確定度、相關度以及唯一性分析為評價指標，建立超薄膜待測參數(shù)高精度提取的評估方法與模型。

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多層薄膜厚度仿真分析

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仿真橢偏光譜

橢偏測量的OLED多層膜系結(jié)構(gòu)

OLED 中多層膜系結(jié)構(gòu)的仿真光譜

在仿真 OLED 成品的橢偏模型時可將Ag 作為基底，建立的無 PDL 發(fā)光區(qū)樣品（藍光）的偏數(shù)據(jù)分析的結(jié)構(gòu)模型，其中仿真的波長為380-1000nm，入射角設置為 65°，假定該測量配置下的測量隨機噪聲為σ = 0.005，各層薄膜初始值設置為工藝設計值，膜厚不均勻性為0.5%，光譜帶寬為5nm，各層材料的折射率選取現(xiàn)有值。

多層薄膜厚度的不確定度仿真分析

為了確定各個層薄膜厚度提取的準確性，需要先固定各層薄膜材料的光學常數(shù)，將各層薄膜厚度的初始值全部放開進行擬合，根據(jù)橢偏測量原理以及薄膜待測參數(shù)的不確定計算模型關于各層薄膜擬合的不確定分析結(jié)果。

OLED 各層薄膜不確定度分析結(jié)果

不確定度分析結(jié)果

根據(jù)橢偏數(shù)據(jù)分析結(jié)果的不確定性評估標準，不確定度越高，表明該層薄膜厚度對橢偏光譜的靈敏度越低，相應膜厚測量精度也就越低。

在光譜范圍 380-1000nm，光譜帶寬 5nm，樣品厚度不均勻性0.5%的仿真條件下，（1） Mg Ag 陰極層厚度滿足高精度測量的要求；（2）第一層 SiN 、 IJP 、 第二層 SiN 、 CPL 、 ITO 層則為具備待定精度測量要求的測量值，測量精度由高到低 1st SiN > IJP > 2nd SiN > ITO > CPL ；（3）其他層 ETL 、 HBL 、 EMB 、 HTL 、 HIL 、 BF為測量精度最低的測量值。

多層薄膜厚度唯一性的仿真分析

為進一步驗證上述仿真結(jié)果的可靠性，針對 OLED 中各層薄膜擬合結(jié)果，同時進行厚度唯一性分析。以各層厚度擬合值為中心，在厚度±0.5nm 范圍內(nèi)，以0.1 nm 為步長，擬合分析其 MSE 差異。分析層厚度引入的MSE 差異越大，表明該層厚度對橢偏光譜靈敏度越高，則越具備測量的可能性。

OLED 各層薄膜厚度唯一性分析結(jié)果

上述仿真結(jié)論說明了基于靈敏度分析方法的薄膜參數(shù)高精度的提取評價模型可以用于評估 OLED 樣件的各膜層厚度的不同測量精度區(qū)域，且在提取 OLED 中各膜層厚度值時，可以根據(jù)實際測量精度要求，固定不確定度大的膜層厚度，抑或僅放開其中一到兩層，優(yōu)化了膜厚的提取策略。

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OLED多層薄膜厚度提取

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為了進一步驗證該方法對關鍵膜層厚度的測量精度的提高，將對封裝的 OLED 樣件做進一步實驗驗證。在進行橢偏數(shù)據(jù)分析時，將先前得到的各膜層光學常數(shù)固定，僅針對各膜層厚度進行分析。使用的入射波長范圍為 380-1000nm，入射角定為 65°，同時考慮實際樣品的厚度不均勻性以及表面粗糙度。

處將膜層 HBL、EMG、G-Prime、HTL、HIL 厚度分別固定在其名義值，同時放開其他膜層厚度值。將測量光譜與模型建立的光譜數(shù)據(jù)進行匹配擬合，最終得到的橢偏光譜擬合結(jié)果。

OLED 樣件的橢偏光譜擬合結(jié)果

固定膜層前后的各膜層厚度不確定度對比結(jié)果

綜上實驗結(jié)果可以得出，將不確定度大的膜層厚度先固定，進而提取其他膜層的厚度值的策略應用于實際測量 OLED 中多層薄膜結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)分析中是可行的，并且得到的各膜層厚度的不確定度均有不同程度的下降，測量精度有了明顯的提高。

本論文提出的一種針對超薄膜待測參數(shù)的高精度提取評估方法與模型可以應用于評估多層納米薄膜結(jié)構(gòu)的各膜層厚度是否滿足測量精度要求以及優(yōu)化膜厚的高精度提取策略，進而提升關鍵膜層的測量精度。并通過橢偏儀對封裝的OLED樣件做進一步實驗驗證，進一步驗證了評價模型是可以應用于多層薄膜納米結(jié)構(gòu)的各膜層厚度高精度提取，并提升了關鍵膜層的測量精度。

Flexfilm全光譜橢偏儀

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全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進的旋轉(zhuǎn)補償器測量技術：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進的光能量增強技術，高信噪比的探測技術。
• 秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。
• 原子層量級的檢測靈敏度：測量精度可達0.05nm。

費曼儀器具備全流程薄膜測量技術，Flexfilm全光譜橢偏儀以其秒級的全光譜測量速度和原子層量級的檢測靈敏度，可以對OLED多層超薄膜中的各膜層厚度進行高精度提取。

原文參考：《基于靈敏度分析的超薄膜光譜橢偏測量參數(shù)提取應用研究》

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