椭偏仪在OLED中的应用丨多层薄膜纳米结构的各膜层厚度高精度提取

在OLED显示器中的多层超薄膜叠加结构的椭偏测量应用中，需要同时提取多层超薄膜堆栈各层薄膜厚度值，而膜层与膜层间的厚度也会有强耦合性会导致测量的不确定性增加。某些膜层对总体测量数据的灵敏度也极低，导致部分膜层厚度测量结果偏离真实值。对此本文构建了一套针对超薄膜椭偏测量灵敏度和唯一性评估模型，应用于超薄膜待测参数高精度的提取，并结合在国内领先测量供应商费曼仪器提供的Flexfilm全光谱椭偏仪验证该方法可以用于测量OLED中多层超薄膜结构的膜厚。

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超薄膜待测参数提取评估模型

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薄膜待测参数提取的评估模型流程图

根据椭偏测量原理以及数据分析方法，引入了待测参数的结果唯一性分析理论，并基于灵敏度分析方法研究了椭偏测量纳米薄膜待测参数与测量光谱之间的误差传递关系，进一步推导出输入参数传递到输出参数的不确定度、相关系数的理论分析算法。以薄膜输出参数的不确定度、相关度以及唯一性分析为评价指标，建立超薄膜待测参数高精度提取的评估方法与模型。

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多层薄膜厚度仿真分析

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仿真椭偏光谱

椭偏测量的OLED多层膜系结构

OLED 中多层膜系结构的仿真光谱

在仿真 OLED 成品的椭偏模型时可将Ag 作为基底，建立的无 PDL 发光区样品（蓝光）的偏数据分析的结构模型，其中仿真的波长为380-1000nm，入射角设置为 65°，假定该测量配置下的测量随机噪声为σ = 0.005，各层薄膜初始值设置为工艺设计值，膜厚不均匀性为0.5%，光谱带宽为5nm，各层材料的折射率选取现有值。

多层薄膜厚度的不确定度仿真分析

为了确定各个层薄膜厚度提取的准确性，需要先固定各层薄膜材料的光学常数，将各层薄膜厚度的初始值全部放开进行拟合，根据椭偏测量原理以及薄膜待测参数的不确定计算模型关于各层薄膜拟合的不确定分析结果。

OLED 各层薄膜不确定度分析结果

不确定度分析结果

根据椭偏数据分析结果的不确定性评估标准，不确定度越高，表明该层薄膜厚度对椭偏光谱的灵敏度越低，相应膜厚测量精度也就越低。

在光谱范围 380-1000nm，光谱带宽 5nm，样品厚度不均匀性0.5%的仿真条件下，（1） Mg Ag 阴极层厚度满足高精度测量的要求；（2）第一层 SiN 、 IJP 、 第二层 SiN 、 CPL 、 ITO 层则为具备待定精度测量要求的测量值，测量精度由高到低 1st SiN > IJP > 2nd SiN > ITO > CPL ；（3）其他层 ETL 、 HBL 、 EMB 、 HTL 、 HIL 、 BF为测量精度最低的测量值。

多层薄膜厚度唯一性的仿真分析

为进一步验证上述仿真结果的可靠性，针对 OLED 中各层薄膜拟合结果，同时进行厚度唯一性分析。以各层厚度拟合值为中心，在厚度±0.5nm 范围内，以0.1 nm 为步长，拟合分析其 MSE 差异。分析层厚度引入的MSE 差异越大，表明该层厚度对椭偏光谱灵敏度越高，则越具备测量的可能性。

OLED 各层薄膜厚度唯一性分析结果

上述仿真结论说明了基于灵敏度分析方法的薄膜参数高精度的提取评价模型可以用于评估 OLED 样件的各膜层厚度的不同测量精度区域，且在提取 OLED 中各膜层厚度值时，可以根据实际测量精度要求，固定不确定度大的膜层厚度，抑或仅放开其中一到两层，优化了膜厚的提取策略。

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OLED多层薄膜厚度提取

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为了进一步验证该方法对关键膜层厚度的测量精度的提高，将对封装的 OLED 样件做进一步实验验证。在进行椭偏数据分析时，将先前得到的各膜层光学常数固定，仅针对各膜层厚度进行分析。使用的入射波长范围为 380-1000nm，入射角定为 65°，同时考虑实际样品的厚度不均匀性以及表面粗糙度。

处将膜层 HBL、EMG、G-Prime、HTL、HIL 厚度分别固定在其名义值，同时放开其他膜层厚度值。将测量光谱与模型建立的光谱数据进行匹配拟合，最终得到的椭偏光谱拟合结果。

OLED 样件的椭偏光谱拟合结果

固定膜层前后的各膜层厚度不确定度对比结果

综上实验结果可以得出，将不确定度大的膜层厚度先固定，进而提取其他膜层的厚度值的策略应用于实际测量 OLED 中多层薄膜结构的数据分析中是可行的，并且得到的各膜层厚度的不确定度均有不同程度的下降，测量精度有了明显的提高。

本论文提出的一种针对超薄膜待测参数的高精度提取评估方法与模型可以应用于评估多层纳米薄膜结构的各膜层厚度是否满足测量精度要求以及优化膜厚的高精度提取策略，进而提升关键膜层的测量精度。并通过椭偏仪对封装的OLED样件做进一步实验验证，进一步验证了评价模型是可以应用于多层薄膜纳米结构的各膜层厚度高精度提取，并提升了关键膜层的测量精度。

Flexfilm全光谱椭偏仪

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全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

• 先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。
• 粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量：先进的光能量增强技术，高信噪比的探测技术。
• 秒级的全光谱测量速度：全光谱测量典型5-10秒。
• 原子层量级的检测灵敏度：测量精度可达0.05nm。

费曼仪器具备全流程薄膜测量技术，Flexfilm全光谱椭偏仪以其秒级的全光谱测量速度和原子层量级的检测灵敏度，可以对OLED多层超薄膜中的各膜层厚度进行高精度提取。

原文参考：《基于灵敏度分析的超薄膜光谱椭偏测量参数提取应用研究》

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