基于AFM与干涉光谱的薄膜厚度测量系统

【摘要】： 近年来，随着薄膜技术的迅速发展，薄膜技术广泛应用在微电子技术、高分子材料技术、宇航技术、生物工程技术、食品科学技术等众多领域中。薄膜的厚度决定性地影响薄膜的光学性能、力学性能和电磁性能等，所以准确地检测薄膜厚度已经成为一种有重要意义的技术。 目前，国内外已经存在一些测量薄膜厚度的方法，而对于多孔材料的薄膜的厚度测量，一个典型的方法是利用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)对其断面进行观察。而SEM最适合用于导体材料，因此在使用SEM对非导体多孔薄膜进行测量时，一般需要对薄膜进行镀金属膜，这样就破坏了多孔薄膜的原始形貌，会引入测量误差。利用这种方法需要先截开薄膜，对薄膜具有破坏性。而且这样测量的只是局部的一个断面厚度，制样时不能保证这个断面垂直于表面，从而不能反映薄膜的真实厚度。因此，目前非常需要一种无损、简便、准确的薄膜厚度测量方法。 本文的研究课题就是在这个背景下提出的，提出了一种将原子力显微术(Atomic Force Microscopy，AFM)与干涉光谱结合的薄膜厚度测量方法，这种方法可克服目前一些已有的膜厚测量方法中的问题及局限性。我们的系统不需要对薄膜进行剖开截面，保证了薄膜的完整性，操作简便，是无损的测量方法。系统引入多孔薄膜有效折射率算法，能测量多孔薄膜的有效折射率和膜厚。 本文从理论方法、系统设计以及实验测试技术三个方面对薄膜厚度测量系统进行了研究，主要做了如下的研究工作： 在理论研究上，提出了基于AFM与干涉光谱结合的薄膜厚度测量的方法，由AFM扫描得到的微观形貌图像得出多孔薄膜的有效折射率，再利用光纤光谱测量系统测得的薄膜的干涉光谱，最后确定薄膜的实际厚度。 在系统设计上，搭建了薄膜厚度测量系统，该系统包括了AFM仪器系统、高分辨率光纤光谱测量系统、控制电路系统、计算机接口和软件系统。系统运行稳定，能够进行高精度的定位，具有优越的性能。系统中用到的AFM是实验室自行研制的，测量范围可以达到4000nm×4000nm，对表面形貌的测试精度可以达到1nm。这套薄膜厚度测量系统的测量范围为0.5μm～200μm。开发了一套膜厚测量软件系统，能够实现AFM对样品的形貌扫描测量、AFM图像处理、多孔薄膜孔隙率计算、多孔薄膜有效折射率计算、干涉光谱获取、薄膜厚度测量等功能。 在实验测试技术工作中，我们基于系统进行了一系列薄膜的膜厚测量实验，对偏振片、氧化铟锡(Indium Tin Oxides，ITO)薄膜和多孔氧化铝(porous alumina，PA)薄膜进行了膜厚测量实验，得到了它们的AFM形貌图以及薄膜厚度，验证了系统的可行性。 在基于AFM与干涉光谱薄膜厚度测量系统研究工作中，主要创新如下： 1．首次提出了基于AFM与干涉光谱薄膜厚度测量的新方法，尤其适用于多孔薄膜的厚度测量。基于多孔薄膜有效折射率的算法，由AFM扫描得到的微观形貌图像得出多孔薄膜的有效折射率，再利用干涉光谱测量系统测得的薄膜的干涉光谱，最后确定薄膜的实际厚度。这种方法集合了AFM表面形貌检测技术和干涉光谱膜厚测试技术的优点，不仅能够精密地测量薄膜厚度和多孔薄膜的有效折射率，而且能够得到纳米量级的薄膜表面形貌图。 2．率先研制了基于AFM与干涉光谱的薄膜厚度测量系统，该系统既能够实现膜厚的测量，又包括了孔隙率测量、有效折射率计算和AFM表面形貌扫描等功能。 3．可实现实时和现场的非接触无损的膜厚测量及薄膜表面的微纳米观察。由于微观形貌系统中所用的AFM是液相型的，能够在溶液中测量薄膜，所以本测量系统能在薄膜的形成过程中，提供了薄膜制备的实时监控。而且，本膜厚测量系统更是非破坏性的无损测量系统。