薄膜厚度检测原理及系统

薄膜厚度检测原理及系统
摘要：本文对目前常用的薄膜厚度光学测量方法进行了深入的研究和讨论，总结并归纳了每一种测量方法的优缺点、以及使用条件。

基于原子力显微镜的薄膜厚度检测系统，该系统得到薄膜厚度，能够精确测量各种不同性质的薄膜的厚度。

关键词：薄膜厚度；测量；原子力显微镜
Abstract: In this paper, the advantage and disadvantage, usable condition of many usually used optical measurement methods of thin film thickness which are analyzed and discussed in detail ,are been summarized. A measuring system of film thickness based on atomic force microscope has been developed, based on this system could measure the thickness of various films.
Key words：film thickness ; measurement; AFM
1引言
随着科技的发展以及精密仪器等技术的迅速发展，薄膜技术的应用变得更为广泛，不仅在光学领域，也被广泛地应用于微电子技术、通讯、宇航工程等各种不同的领域。

薄膜的厚度很大程度上决定了薄膜的力学性能，电磁性能，光电性能和光学性能，薄膜厚度又是薄膜设计和工艺制造的关键参数之一，为了制备出合乎要求的薄膜也离不开高精度的薄膜厚度检测，因此薄膜厚度的测量一直是人们密切关注和不断研究改进的课题。

在众多类检测方法当中，由于光学检测方法具有非接触性、高灵敏度性、高精度性、快速、准确、不损伤薄膜等优点，成为目前被应用最广泛的方法。

在对薄膜厚度检测的理论中，按照测量方法所依据的光学原理进行分类，可分为干涉、衍射、透射、反射、偏振等方法，也可根据光源分为激光测量和白光测量[1]。

目前，光谱法、椭圆偏振法和干涉法是人们讨论最多和应用最广泛的测量方法。

随着光学薄膜的材料和制备技术的不断提高，传统的薄膜厚度的测量方法己经不能
满足现代光学检测的需要。

2方法原理
本部分主要对几种常见的测量方法进行介绍，详细阐述各种方法的原理。

2.1光谱法
依据光的干涉理论，薄膜与基底，再到薄膜界面上的光束的透射或反射，引起双光束或多光束干涉效应，具有不同特性的薄膜具有不同的光谱反射率或透射率，而且在全光谱范围内和薄膜厚度有着唯一的对应关系。

因此，可以通过测量薄膜的光谱特性来计算薄膜的厚度和光学常数[2] 。

在一个多层膜系统中，大量的光束干涉特性由薄膜的特性决定，薄膜界面多光束干涉可以由其特征矩阵来表征。

(1)
其中，z和，z 分别为单层膜和基片折射率；为薄膜的几何厚度；位相厚度为，在光束垂直入射薄膜表面的情况下：(2)
因此，单层膜系的导纳(也称为等效界面折射率) Y可以表示为：
(3)
单层膜系的振幅反射系数为(其中，n0为入射介质折射率):
(4)
能量反射率：(5)
最后可以得到反射率R
光谱法的优点在于测量精度较高、速度快，能同时测定薄膜的多个参数,且有效地排除方程解得多值性，测试简单且精度高，具有非接触性和非苛刻性，
并可以测试多种类型的薄膜[3]。

同样光谱法也有一定的局限性。

透射和反射光谱均由分光计测量得到，而反射率和透射率对薄膜表面条件的依赖性很强，且对入射角的变化很敏感，这样测量反射率和透射率的稳定性就很差，因而不能够达到很高的测量精度。

而且利用光谱法测量时，针对不同类型的待测薄膜需要使用不同波段的光谱对其进行测量，特定的光谱波段范围在实际测量过程中往往是很难保证的。

2.2椭圆偏振法
该方法是以测量光线的偏振态为基础的测量方法测量薄膜表面反射光偏振态的变化，即P光和S光的振幅和位相的改变。

它是目前测量薄膜厚度及光学常数使用最广泛的方法，是研究两媒介界面或薄膜中发生的现象及其特性的一种光学方法。

根据椭偏方程[4]:
(6)
(6)式中r p和r s分别表示薄膜对光的平行分量和垂直分量的反射率，和△称为椭偏参量, f是薄膜厚度d、薄膜折射率n f以及基底折射率n s、空气折射率n a、入射角和波长的函数，其具体形式由待测薄膜的数学模型推导和计算得到。

椭圆偏振法的最大优点是反射光的偏振态变化对薄膜厚度的变常敏感，因此具有很高的测试灵敏度和精度，适合于透明的或弱吸收的各向同性的厚度小于一个周期的薄膜，也可用于多层膜的测量。

每种方法都有各自的优缺点，同样该方法也存在一些不足，例如当薄膜厚度较小时，薄膜折射率与基底折射率相接近，用椭偏仪同时测得薄膜的厚度和折射率与实际情况有较大的偏差。

2.3干涉法
干涉法是利用相干光干涉形成等厚干涉条纹的原理来确定薄膜厚度和折射率的一种方法。

测量薄膜厚度是实验和生产中较普遍采用的测量方法，其优点是设备简单，操作方便，无需复杂的计算。

根据光干涉原理,两个相干波面发生干涉时,其干涉图像的光强分布为:
(7)
式中: a(x,y)是干涉图背景光,强b(x,y)是干涉条纹的幅值调制度,,其中为带有薄膜厚度信息的被测波面的相位分布函数,为参考波前的相位分布函数。

i (x,y)是相干光干涉后的光强分布,也就是干涉形成的条纹图，为已知量，如果能够求出, 并且选定为一常量,如参考波前选平面波,就可以求出被测波面的波差函数为:
则薄膜厚度为：
(8)
干涉法不但可以测量透明薄膜、弱吸收薄膜和非透明薄膜，而且适用于双折射薄膜，这种方法不适合用于黑色的不透明薄膜的测量，但是对于反光率较高的不透明薄膜，光干涉法可以很灵敏的测得其厚度。

3 系统设计
3.1 装置
以上介绍的传统的薄膜检测原理，例如干涉法这种方法仅适用于折射率己知的均匀薄膜，对于折射率未知的多孔薄膜材料则需要利用进一步的工具来测得多孔薄膜的有效折射率，基于这些传统检测手段本身存在的问题，本文提出基于AFM（原子力显微镜）的薄膜厚度检测系统。

AFM的工作原理[5]是通过控制并检
测针尖一样品间的相作用力,例如原子间斥力、摩擦力、弹力、范德华力、磁力和静电力等来分析研究表面性质的。

基于原子力显微镜的薄膜厚度检测系统的设计图如图：
基于AFM的薄膜厚度检测系统
AFM主要包括探头部分光电检测系统、及前置放大电路、数据采集卡、计算机、步进电机、步进电机驱动器、微位移平台。

微探针的振动信号是由通过光束偏转法得到的，由半导体激光器发出的激光射在微探针的表面，几何反射光进入PSD，由PSD检测光点的位置偏移，该信号经过放大，把信号送入反馈控制回路，保持样品与探针之间的距离恒定的同时，将信号输出到计算机，记录并以图像的方式显示表面形貌。

计算机控制步进电机的运行以及信号电压的采集，内有扫描控制、图像处理程序,以及数据采集卡的驱动程序。

3.2 实验与结论
样品选择镀有铜膜的透明玻璃片，测量方法是首先将探针对准无膜区，然后
每隔200扫描一次。

进入薄膜边界之前，扫描所得图形是带有细微突起或者凹陷的曲线，整体上表现为水平;进入边界区域后，图形崎岖不平，带有一定的斜率；过了边界区域后，图形整体呈现水平。

通过扫描得到的轮廓图像寻找薄膜边界，然后选择合适的扫描起点，使图像包含完整边界，然后对同一区域前后扫描两次。

有实验图像可以得出结论，表明了系统良好的重复性。

通过对样品的实验结果表明，该薄膜厚度检测系统具有很好的重复性、稳定性，易于操作，自动化程度比较高，不易损伤样品。

它不仅精度高，而且工作范围大，可以连续或者不连续地在很大的范围内搜索薄膜边界，具有很强的定位能力本系统具有测量方法简便，实时性好、无损及测量精确等特点。

本文中设计的AFM系统测量薄膜厚度的这种方法可克服目前一些己有的膜厚测量方法中的问题及局限性，结构简单，数字化、自动化程度高，操作和维护都比较容易。

[1]宋敏, 李波欣, 郑亚茹,利用光学方法测量薄膜厚度的研究[J].光行天下论坛,2004,30(1):103-106
[2]陈燕平,余飞鸿,薄膜厚度和光学常数的主要测量方法[J].光学仪器,2006,28(6):84-88
[3]刘细成.透射光谱法测量薄膜参数研究(D).四川：四川大学物理科学与技术学院,2003
[4]Azzam R M A, Bashara N M.Ellipsometry and polarized light
Ameterdam:North-Holland:1977:269-416
[5]张冬仙,章海军.新型原子力显微镜的研制及其应用[J].光子学报, 2002,31(1):51-54.。