椭偏仪在渐变纳米膜中的应用：厚度梯度测量

随着5G通信技术的发展，手机后盖逐渐采用玻璃、陶瓷等非金属材料。渐变色外观成为提升产品美感的重要手段，其核心原理是在溅射镀膜过程中控制玻璃基片不同区域的薄膜厚度，形成递增或递减的梯度变化，利用光的反射、折射和干涉效应，使不同厚度区域呈现不同颜色。Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域，在材料光学特性分析领域具有重要地位。

目前行业内普遍采用两种方法制备渐变色：一是增设镀膜挡板，阻挡部分溅射离子云，仅允许特定区域沉积；二是改变镀膜角度，通过在衬底一端垫高来调整沉积速率。然而，这些方法存在明显局限：只能实现上中下或左中右等线性单一方向的颜色渐变，无法形成环形、水波纹等复杂图案；而且挡板调试需要破真空反复修正尺寸，效率很低。

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本技术的创新点

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本研究提出在磁控溅射镀膜过程中，于镀膜基板背面放置永磁铁。背面磁场穿透基片进入溅射空间，俘获二次电子形成局部高密度电子云，从而增加外加磁场附近溅射粒子的碰撞电离几率，提高局部电离率。这一效应使得镀膜玻璃不同位置的薄膜厚度呈现非均一分布，实现了通过磁场控制纳米薄膜厚度分布梯度。通过调整磁铁的位置、数量和排布方式，可获得水滴状、水波纹等多种复杂渐变图案，为渐变色产品的多样化设计提供了新的技术路径。

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实验方法

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材料与设备： 衬底为康宁玻璃；靶材选用Nb、Si、Ti等（纯度99.99%）；气体为高纯氧气和氩气；永磁铁置于基板背面，距离玻璃衬底0~2 mm；设备为磁控溅射镀膜机，本底压强≤5×10⁻⁴ Pa。

溅射工艺： 真空抽至小于5×10⁻³ Pa后，通入Ar气（100~200 sccm）维持溅射压力0.2~0.5 Pa，O₂气（50~150 sccm）作为反应气体。中频电源频率40 kHz，功率5~15 kW，基板移动速度0.5~1.5 m/min。依照膜系设计逐层镀制氧化物（如SiO₂、Nb₂O₅），通过光的干涉呈现颜色。

油墨涂层： 将油墨、固化剂、偶联剂、稀释剂按10.03:1.5~1.8混合，喷涂于镀膜玻璃反面，150°C烘烤5~10 min固化。

蓝色工艺片光谱曲线图和单磁铁影响下渐变色效果图

实施例1（蓝色渐变，单磁铁）： 膜系为Nb₂O₅（36 nm）/ SiO₂（256 nm）/ Nb₂O₅（32 nm）。溅射参数：Nb靶，O₂ 100 sccm，Ar 100 sccm，功率10 kW，速度1 m/min；Si靶，O₂ 120 sccm，Ar 150 sccm，功率10 kW，速度1 m/min。基板背面放置1个圆柱形磁铁，使膜厚呈递变分布，中心向四周环状渐变。喷涂蓝色油墨后获得水波纹蓝色渐变效果。

粉色工艺片光谱曲线图和双磁铁影响下渐变色效果图

实施例2（粉红色渐变，双磁铁）： 膜系为SiO₂（98 nm）/ Nb₂O₅（83 nm）/ SiO₂（62 nm）/ Nb₂O₅（112 nm）。溅射参数：Si靶，O₂ 120 sccm，Ar 150 sccm，功率8 kW，速度0.6 m/min；Nb靶，O₂ 80 sccm，Ar 150 sccm，功率10 kW，速度0.6 m/min。基板背面同向放置2个圆柱形磁铁，间距40 mm，膜厚呈双中心相交递变。喷涂粉色油墨后获得相交水波纹粉色渐变效果。

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原理与模型

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没有外加磁铁时溅射原理图

磁控溅射基本原理： 在电场作用下，氩气电离产生Ar⁺离子和电子。Ar⁺轰击阴极靶材，使靶材原子溅射沉积到基体上。阴极靶后的永磁体在靶面形成环形磁场，电子在正交电磁场中做螺旋运动，路径延长，碰撞电离几率提高。

引入外加磁铁俘获更多电子云

外加磁场的作用： 当基板背面引入外加永磁体时，其磁场穿透基片进入溅射空间，俘获二次电子沿磁力线回旋，在局部累积形成高密度电子云。该电子云大幅增加了电子与溅射粒子的碰撞频率，使局部电离率提升。阴极磁场与外加磁场协同作用，最终使基板不同位置的沉积速率产生差异，形成可控的厚度梯度。

单磁铁磁场强度分布曲线图

磁场强度分布模型（单磁铁，轴向）：

其中B(z)为距磁铁表面z处的磁感应强度，Br为剩磁，R为半径，T为厚度。该分布决定了二次电子俘获区域，是膜厚梯度的物理基础。

膜厚分布模型：

单磁铁放置效果图、影响膜厚分布曲线图、影响膜厚渐变分布平面图

双磁铁放置效果图、双磁铁影响膜厚分布曲线图、双磁铁影响膜厚渐变分布平面图

单磁铁：

双磁铁：

式中a为背景膜厚（无磁场影响区域的沉积厚度），b为磁铁引起的最大膜厚增量，c为衰减速度系数，r为到磁铁中心的距离。通过模型可预测特定位置的膜厚，再经CIE Lab色彩空间转换得到视觉渐变色。

双磁铁不同间距膜厚分布图（20 mm / 40 mm / 60 mm / 80 mm）

工艺稳定性：外加磁铁距靶面90~110 mm，远离高温区；连续镀膜中基片架每圈间隔30~60 min，磁铁可充分冷却，避免退磁，保证膜厚分布重复性。

本技术首次将磁铁放置在镀膜基板背面，利用外加磁场俘获二次电子构建局部高密度电子云，增强了局部电离率，实现了磁场对纳米薄膜厚度分布梯度的控制，使镀膜玻璃不同位置呈现非均一膜厚，从而获得丰富多元的渐变色效果。通过调整磁铁位置、数量和排布，可实现水滴状、水波纹等复杂渐变图案，突破了传统线性渐变和挡板调试效率低的局限。不同形状磁铁（长方体、球形等）及多磁铁组合对渐变效果的影响将是下一步的研究方向。

Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪

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Flexfilm费曼仪器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。

Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率,结合费曼仪器全流程薄膜测量技术，助力半导体薄膜材料领域的高质量发展。

原文参考：《基于磁场控制纳米薄膜厚度制作渐变色技术》

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