薄膜厚度测试20161202

李凡薄膜厚度的测量什么是薄膜

薄膜是不同于其他物态（固液气、等离子）的一种新的凝聚态，物质的第五态。薄膜就是薄层材料，分为：气体薄膜液体薄膜固体薄膜薄膜厚度测量的意义由于薄膜的“尺寸效应”的关系，薄膜的厚度不同，性质会有所变化。薄膜的电阻霍尔系数光反射率等为了更好地研究物质结构及性能，我们希望对各种膜厚的测量和控制提供更为灵敏和准确的手段。内容提要薄膜测量方法的分类

机械法------台阶仪

电学法-------晶振

光学法-------椭偏仪薄膜测量方法膜厚检查方法机械法电学法光学法称量法机械探针法---台阶仪光学机械法磨角染色测微法磨角电探针法线、面电阻法交流电桥法晶体振荡---石英振频法电子射线法干涉法X光法偏光法全息法不同测量方法定义的膜厚台阶仪、石英晶振、椭偏仪这三种测量方法测得的薄膜厚度，分别属于形状膜厚dT，质量膜厚dM，物性膜厚dP。G：实际表面P：平均表面SS：基片表面ST：形状表面，即平均表面SM：质量等价表面SP：物性等价表面dT：形状膜厚，SS和ST面之间的距离dM：质量膜厚，SS和SM面之间的距离dP：物性膜厚，SS和SP面之间的距离dT≥dM≥dP台阶仪测量原理

形状薄膜测厚法台阶法（触针法）：这是将表面光洁度测量移用与薄膜厚度测量的一种方法。台阶仪测量原理

测量具体过程：金刚石触针——表面上移动——触针跳跃运动——高度的变化由位移传感器转变成磁通量信号——转变成电信号——进行读数或由记录仪画出表面轮廓曲线。•膜厚测量时，需薄膜样品上薄膜的相邻部位完全无膜，形成台阶(两种方法：遮盖、腐蚀)。当触针横扫过该台阶时，就能通过位移传感器显示出这两部分之间的高度差，从而得到形状薄膜值dT。Dektak

XT探针尖半径(Stylus)：2.0

µm,0.7

µm厚度测量范围(Verticalscanrange)：

upto

1mm探针作用力(Force)：1

~15mg扫描长度(Scanlength)：50

µm

~55mm视场范围(Fieldofview)：1

~4mm台阶高度重复性(Stepheightrepeatability)：<5Å垂直方向分辨率(Verticalresolution)：1Å

(for

6.55

mmmeasurementrange)测量样品最大尺寸(Samplecompatible)：150mmsandpaperroughness

优点缺点迅速测定薄膜的厚度及分布；可靠直观；具有相当的精度。

不能记录表面上比探针直径小的窄裂缝、凹陷；

由于触针的尖端直径很小，易将薄膜划伤、损坏。使用范围应用于较高硬度的薄膜。面对柔软薄膜则必须采用较轻质量、较大直径的触针，才能不使薄膜划伤和避免因膜材粘附在触针尖上而形成误差。台阶仪测量膜厚的优缺点石英晶体振荡法测量原理：基于石英晶体的振荡频率随其质量而变化的特性。石英晶体具有压电效应，利用该特性可制成高Q值的电子振荡器。其谐振频率f与晶体厚度t关系v是在厚度t方向上波长为λ的弹性横波的传播速度Gq为石英晶体的切变模量；ρq为石英晶体的密度，约2.65g/cm3靶盘旋转密封装置优点缺点测量电路简单，能在薄膜沉积过程中连续测量膜厚和沉积速率；还可以通过适当的反馈电路和沉积源的电源相连，实现沉积速率的自动控制和用电控挡板配合实现薄膜的终点控制；测量灵敏度高，可达10*10-9g.cm-2.Hz-1。对应一般材料膜厚控制精度可达10-2nm量级要用石英晶体振荡法监控膜厚,首先要做实验确定每种膜料的工具因子，相同工艺下，工具因子也不一定一致；质量分布不均匀时，测量会有误差。使用范围用该方法监控制备的增透膜光谱性能比单独用光电极值法监控制备的更接近理论设计结果。晶控仪既可以较稳定地控制薄膜的折射率,又有很高的膜厚控制精度,从而使薄膜的光学性能得到很好的控制.另外,由于石英晶体振荡法监控的是薄膜的物理厚度,所以可以监控任意厚度的膜层,特别适用于各种非规整膜系的厚度控制.为了保证晶控仪的监控精度,石英晶振片在沉积了一定厚度的薄膜后(石英晶控仪会显示)就要更换或清洗.石英振频法测量膜厚的优缺点椭偏仪测量膜厚光学基础偏振光（polarizedlight）：光的振动面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或线偏振光。椭圆偏振光：指光的电场方向或光矢量末端在垂直于传播方向的平面上描绘出的轨迹一般呈椭圆形。椭圆偏振光的获取：起偏器产生的线偏振光经取向一定的波片后成为特殊的椭圆偏振光。用含有输入和反射光束的那个平面定义：如果光线的偏振矢量在这个平面内，则称为p偏振，如果偏振矢量垂直于该平面，则称为s偏振。任何一种输入偏振状态都可以表示为s和p分量的矢量和。椭偏仪工作原理示意图75WXenonlightforVIS&NIR150WXenonlightforFUV&ERGlanpolarizersforVIS&NIRRochonpolarizersforFUV&ER菲涅耳公式菲涅尔系数椭圆偏振方程椭偏的困难建模拟合优点缺点无损;高精度（<10nm超薄膜）;高灵敏;多层分析;无需样品制备;光谱范围FUV-NIR;在线实时测试：薄膜生长，表面改性其他薄膜分析技术求解方程复杂，所