涂層表面的質(zhì)量控制在醫(yī)療電子設(shè)備中的應(yīng)用

有越來(lái)越多的醫(yī)療設(shè)備使用表面涂層。醫(yī)療設(shè)備通常具有很復(fù)雜的形狀，這對(duì)這類涂層的質(zhì)量控制而言是一個(gè)挑戰(zhàn)。目前還沒(méi)有能被普遍接受的對(duì)形狀復(fù)雜的醫(yī)療設(shè)備的涂層進(jìn)行準(zhǔn)確、無(wú)損且適合在線生產(chǎn)測(cè)量的方法。

支架放大圖片：一個(gè)光束輪廓反射測(cè)量激光光點(diǎn)已經(jīng)被對(duì)準(zhǔn)，隨時(shí)可進(jìn)行涂層厚度和折射率測(cè)量。

因?yàn)楹芏噌t(yī)療設(shè)備的涂層都是透明的，光學(xué)測(cè)量方法在涂層測(cè)量中占主導(dǎo)地位。有兩個(gè)用于測(cè)量涂層厚度的光學(xué)測(cè)量方式被廣泛應(yīng)用。

圖1：白色光干涉儀的原理圖。

第一種方式，白光干涉和共焦顯微這類技術(shù)可以獨(dú)立地對(duì)涂層的頂部表面和掩埋層界面成像，通過(guò)光從一個(gè)面到另一個(gè)面的Z軸轉(zhuǎn)換來(lái)推斷涂層厚度。圖1所示為一個(gè)典型的白光干涉儀：從涂層表面或者掩埋交界面反射回來(lái)的光束和來(lái)自相同入射光束的光產(chǎn)生干涉，后者反射來(lái)自一個(gè)半鍍銀分束器和一個(gè)放置在主物鏡下面的小鏡片。小鏡片下面的分束器形成一個(gè)參考面。若樣品表面和參考面之間的距離發(fā)生改變，由于干涉效應(yīng)，返回到檢測(cè)器的光的光譜成分也會(huì)隨之發(fā)生變化。

圖2：共焦顯微鏡的原理圖。

圖2所示為一個(gè)共焦顯微鏡的結(jié)構(gòu)。其原理是，當(dāng)照射到樣品表面或掩埋層界面的光線準(zhǔn)確對(duì)焦，那么反射光也會(huì)在探測(cè)器下面針孔聚焦，進(jìn)而能夠通過(guò)針孔并被探測(cè)器接收。若光線沒(méi)有在表面聚焦，那么反射光也不會(huì)在針孔處聚焦，因此不能通過(guò)針孔，探測(cè)器的接收信號(hào)會(huì)極大地減弱。通過(guò)表面的聚焦掃描并將其通過(guò)涂層對(duì)下面的掩埋層進(jìn)行掃描，可以建立涂料表面和界面基板的三維圖。

技術(shù)局限

這些技術(shù)都是表面成像方法，而不是真正的涂層厚度測(cè)量技術(shù)。他們受到至少三個(gè)方面的嚴(yán)重的局限：

1。測(cè)量速度非常緩慢，因?yàn)橐淮螠y(cè)量涉及到很多次的樣品移動(dòng)

2。他們只能用于厚度超過(guò)物鏡焦深的涂層，否則，涂層和基材的界面不能被分開

3。必須知道材料的折射率才能通過(guò)計(jì)算Z軸方向的光程差來(lái)得到涂層的實(shí)際厚度。

這些技術(shù)并不能提供任何有關(guān)折射率的信息，因此必須通過(guò)其它技術(shù)的測(cè)量值進(jìn)行假定，通常采用體樣品的測(cè)量結(jié)果。

圖3：光入射到涂層表面的一般行為。

一個(gè)替代的方法是有意地將來(lái)自這兩個(gè)界面的反射光進(jìn)行混合,并觀察反射光的干涉效應(yīng)。如圖3所示，總的表面反射由入射光的波長(zhǎng)、涂層厚度和光相對(duì)表面的入射角度決定。它同時(shí)也受涂層和基底材料的折射率以及光偏振的影響。對(duì)反射光進(jìn)行分析時(shí)，通常是保持以上大多數(shù)因素不變，而以一定的方式控制一個(gè)或最多兩個(gè)因素進(jìn)行改變。在分光光度法和橢圓偏光度法中，對(duì)表面用白光以一恒定角度入射，反射系數(shù)通過(guò)波長(zhǎng)的函數(shù)進(jìn)行測(cè)量。在前一種情況下（圖4），采用正常入射，分析反射光的強(qiáng)度。后一種情況（圖5），采用大角度入射的方式，對(duì)光強(qiáng)度和光相位進(jìn)行分析。即便如此，對(duì)于醫(yī)療設(shè)備的涂層而言，這些技術(shù)面臨著兩個(gè)重大問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題是：因?yàn)橐蕾嚭愣ń嵌热肷涞募僭O(shè)，對(duì)于復(fù)雜表面形狀的樣品調(diào)整是非常困難的，因?yàn)閺?fù)雜表面的表面方向是變化的，因此入射角也是變化的。這是誤差的主要來(lái)源。　

圖4：正入射分光光度法測(cè)量反射系數(shù)，這里反射系數(shù)是波長(zhǎng)的函數(shù)。

第二個(gè)問(wèn)題是，雖然這些技術(shù)具有測(cè)量涂層折射率的能力，但受到光色散現(xiàn)象的限制，即折射率隨波長(zhǎng)變化而變化的現(xiàn)象。因此，他們不能只測(cè)量一個(gè)值，而是要測(cè)量不同波長(zhǎng)下的折射率。。這使得它不可能做出確定性的測(cè)量結(jié)果，因?yàn)樾枰膮?shù)測(cè)量個(gè)數(shù)經(jīng)常超過(guò)可以得到的獨(dú)立數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量。

與后面這些技術(shù)相同，光束剖面反射儀（BPR）通過(guò)分析從涂層表面折射回來(lái)的光進(jìn)行工作。然而，不同的是，它采用不同的方法，保持波長(zhǎng)固定（使用激光），把反射系數(shù)作為角度的函數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

光束剖面反射儀

Therma-Wave Inc于1992年首次推出BPR技術(shù)用于測(cè)量硅芯片上的薄膜。在推出BPR之前，將反射系數(shù)作為角度的函數(shù)來(lái)測(cè)量，會(huì)要涉及復(fù)雜且昂貴的硬件組合，這樣每選定一個(gè)新的測(cè)量角度就需要移動(dòng)光源和檢測(cè)器。

圖5：在入射角固定的情況下，使用光譜橢圓光度法將反射系數(shù)作為波長(zhǎng)和偏振的函數(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

如圖6所示，BPR使用高倍率鏡頭形成一個(gè)銳聚焦來(lái)克服這一限制。在聚焦點(diǎn)，通常焦點(diǎn)的跨距小于1微米，射到樣品上的光在鏡頭的作用下，可以在全入射角度范圍內(nèi)進(jìn)行聚焦。在光受到反射后，鏡頭對(duì)反射光進(jìn)行準(zhǔn)直，準(zhǔn)直光束所對(duì)應(yīng)的反射光線的物理位置和表面反射光線的角度之間是一一對(duì)應(yīng)的。因此，采用沒(méi)有移動(dòng)部件的儀器，用較短的數(shù)據(jù)獲取時(shí)間，在一個(gè)很寬的角度范圍內(nèi)（典型地對(duì)于100×的鏡頭，角度范圍為0到60度）可以將反射系數(shù)作為入射角度的函數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

在觀察經(jīng)涂層表面反射后所形成的光束剖面時(shí)，我們會(huì)看到一個(gè)典形牛眼模圖，這是由光束的形狀和由于前面圖3所示的光束之間的干涉所形成的明暗條紋引起的。該條紋的幅度僅取決于在堆疊薄膜材料的折射率。條紋的周期由涂層厚度決定。因此，可以分離厚度和折射系數(shù)，從而分別地測(cè)量這兩種參數(shù)。

從圖6中還可以看出，光束剖面會(huì)根據(jù)水平方向或垂直方向看光束的橫截?cái)嗝娑杂胁煌＿@是由于樣品反射系數(shù)取決于入射光的偏振：S和P這兩類偏振的反射系數(shù)略有不同，其中‘入射面’分別垂直和平行于偏振。對(duì)于無(wú)張力的薄膜，S和P信號(hào)包含基本相同的數(shù)據(jù)；若是帶張力的薄膜（通常為聚合物或鉆石類碳薄膜），則S和P信號(hào)存在差別。這是因?yàn)閺埩φT導(dǎo)雙折射會(huì)導(dǎo)致P-偏振光的折射率和S-偏振光的折射率稍有所不同。因?yàn)锽PR分別對(duì)S和P偏振分量進(jìn)行測(cè)量，所以它可以量化這一折射率差，從而測(cè)量涂層中的張力以及其它參數(shù)。

圖6： 光束剖面反射儀系統(tǒng)原理示意圖

因?yàn)樗袦y(cè)量都是在單一波長(zhǎng)下進(jìn)行，而波長(zhǎng)由所用激光源決定，因此沒(méi)有必要去考慮色散。這意味著，對(duì)于疊式薄膜中的每類材料，只能測(cè)得一個(gè)折射率（或最多兩個(gè)折射率，就雙折射薄膜來(lái)講），但在原始數(shù)據(jù)中有幾百個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)點(diǎn)。與光譜技術(shù)相比，這一數(shù)據(jù)的多少可實(shí)現(xiàn)對(duì)折射率直接的、確定的測(cè)量，而光譜技術(shù)必須依靠模型和假設(shè)以便考慮到色散效應(yīng)。

在圖6所示的簡(jiǎn)單案例中，樣本是平坦的并以合適的角度對(duì)準(zhǔn)鏡頭軸線，形成圖6中所示的簡(jiǎn)單且對(duì)稱的條紋圖形。然而，如果樣品相對(duì)鏡頭軸線非準(zhǔn)直，那么條紋圖案會(huì)顯示出特性失真，使得偏移（misalignment）被識(shí)別和量化?？蓪?duì)這一失真條紋圖形建模，并充分考慮這一偏移，從而能測(cè)量出樣品的朝向角度以及涂層的屬性。

圖7：在英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室對(duì)彎曲樣品進(jìn)行評(píng)估所取得的結(jié)果

當(dāng)表面不僅不為準(zhǔn)直而且存在彎曲的情況下，還需要考慮其它效應(yīng)，而BPR對(duì)此特別地敏感。更詳細(xì)的分析內(nèi)容參見其它文章，但圖7給出了BPR的最終性能，通過(guò)展示對(duì)一系列具有不同渡層厚度和彎曲角度的樣品所測(cè)得的結(jié)果，最厚的是直徑為50微米的線，其薄膜沉積(涂層)為15微米。相比破壞性測(cè)量，由英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室通過(guò)BPR獲得了非常高的相關(guān)性（大于99％）。

在醫(yī)療技術(shù)制造中的應(yīng)用

若能在生產(chǎn)環(huán)境中測(cè)量實(shí)際設(shè)備的涂層厚度、折射率和應(yīng)力，會(huì)帶來(lái)許多好處，特別是美國(guó)FDA的過(guò)程分析技術(shù)（PAT）計(jì)劃旨在推動(dòng)在線和在設(shè)備的過(guò)程質(zhì)量控制。對(duì)器件涂層的定性分析，到目前為止側(cè)重于量測(cè)其厚度，并且是基于對(duì)大量樣品的線下測(cè)量來(lái)假定涂層材料的折射率。然而，因?yàn)?涂層)沉積條件或涂層成份會(huì)有變化的原因，設(shè)備涂層的折射率可能存在很大差別。例如，金屬涂層的折射率主要取決于其密度；藥物洗脫聚合物涂層的折射率取決于嵌入式藥物的濃度。如果不能測(cè)量折射率，就不能發(fā)現(xiàn)這些工藝條件中發(fā)生的變化，或被誤斷為僅僅只是涂層的厚度發(fā)生了變化。BPR所具備的能測(cè)量厚度和折射率的能力，有助于確保能對(duì)多個(gè)不同類型的過(guò)程偏移做標(biāo)記（當(dāng)發(fā)生這種情況的時(shí)候），然后作出正確的診斷。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已率先采用在線過(guò)程控制技術(shù)來(lái)最大限度地提高大批量生產(chǎn)時(shí)的產(chǎn)出和生產(chǎn)效率。而醫(yī)療器械行業(yè)則在這一領(lǐng)域有所滯后。若實(shí)行和半導(dǎo)體行業(yè)相同的做法以及采用BPR這類技術(shù)，應(yīng)該能大大提高醫(yī)療設(shè)備的產(chǎn)出和工廠生產(chǎn)力。這反過(guò)來(lái)能增加醫(yī)療設(shè)備制造商的盈利能力。