基于AFM與干涉光譜的薄膜厚度測量系統(tǒng).pdf

1、近年來，隨著薄膜技術的迅速發(fā)展，薄膜技術廣泛應用在微電子技術、高分子材料技術、宇航技術、生物工程技術、食品科學技術等眾多領域中。薄膜的厚度決定性地影響薄膜的光學性能、力學性能和電磁性能等，所以準確地檢測薄膜厚度已經(jīng)成為一種有重要意義的技術。 目前，國內(nèi)外已經(jīng)存在一些測量薄膜厚度的方法，而對于多孔材料的薄膜的厚度測量，一個典型的方法是利用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)對其斷面進行

2、觀察。而SEM最適合用于導體材料，因此在使用SEM對非導體多孔薄膜進行測量時，一般需要對薄膜進行鍍金屬膜，這樣就破壞了多孔薄膜的原始形貌，會引入測量誤差。利用這種方法需要先截開薄膜，對薄膜具有破壞性。而且這樣測量的只是局部的一個斷面厚度，制樣時不能保證這個斷面垂直于表面，從而不能反映薄膜的真實厚度。因此，目前非常需要一種無損、簡便、準確的薄膜厚度測量方法。 本文的研究課題就是在這個背景下提出的，提出了一種將原子力顯微術(Atom

3、ic Force Microscopy,AFM)與干涉光譜結(jié)合的薄膜厚度測量方法，這種方法可克服目前一些已有的膜厚測量方法中的問題及局限性。我們的系統(tǒng)不需要對薄膜進行剖開截面，保證了薄膜的完整性，操作簡便，是無損的測量方法。系統(tǒng)引入多孔薄膜有效折射率算法，能測量多孔薄膜的有效折射率和膜厚。 本文從理論方法、系統(tǒng)設計以及實驗測試技術三個方面對薄膜厚度測量系統(tǒng)進行了研究，主要做了如下的研究工作： 在理論研究上，提出了基于AF

4、M與干涉光譜結(jié)合的薄膜厚度測量的方法，由AFM掃描得到的微觀形貌圖像得出多孔薄膜的有效折射率，再利用光纖光譜測量系統(tǒng)測得的薄膜的干涉光譜，最后確定薄膜的實際厚度。 在系統(tǒng)設計上，搭建了薄膜厚度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括了AFM儀器系統(tǒng)、高分辨率光纖光譜測量系統(tǒng)、控制電路系統(tǒng)、計算機接口和軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠進行高精度的定位，具有優(yōu)越的性能。系統(tǒng)中用到的AFM是實驗室自行研制的，測量范圍可以達到4000nmx4000nm，對表面

5、形貌的測試精度可以達到lnm。這套薄膜厚度測量系統(tǒng)的測量范圍為0.5pm～200μm。開發(fā)了一套膜厚測量軟件系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)AFM對樣品的形貌掃描測量、AFM圖像處理、多孔薄膜孔隙率計算、多孔薄膜有效折射率計算、干涉光譜獲取、薄膜厚度測量等功能。在實驗測試技術工作中，我們基于系統(tǒng)進行了一系列薄膜的膜厚測量實驗，對偏振片、氧化銦錫(Indium Tm Oxides，ITO)薄膜和多孔氧化鋁(porous Mumma，PA)薄膜進行了膜厚測量

6、實驗，得到了它們的AFM形貌圖以及薄膜厚度，驗證了系統(tǒng)的可行性。 在基于AFM與干涉光譜薄膜厚度測量系統(tǒng)研究工作中，主要創(chuàng)新如下： 1．首次提出了基于AFM與干涉光譜薄膜厚度測量的新方法，尤其適用于多孔薄膜的厚度測量?；诙嗫妆∧び行д凵渎实乃惴?，由AFM掃描得到的微觀形貌圖像得出多孔薄膜的有效折射率，再利用干涉光譜測量系統(tǒng)測得的薄膜的干涉光譜，最后確定薄膜的實際厚度。這種方法集合了AFM表面形貌檢測技術和干涉光譜膜厚測

7、試技術的優(yōu)點，不僅能夠精密地測量薄膜厚度和多孔薄膜的有效折射率，而且能夠得到納米量級的薄膜表面形貌圖。 2．率先研制了基于AFM與干涉光譜的薄膜厚度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)既能夠?qū)崿F(xiàn)膜厚的測量，又包括了孔隙率測量、有效折射率計算和．AFM表面形貌掃描等功能。 3．可實現(xiàn)實時和現(xiàn)場的非接觸無損的膜厚測量及薄膜表面的微納米觀察。由于微觀形貌系統(tǒng)中所用的AFM是液相型的，能夠在溶液中測量薄膜，所以本測量系統(tǒng)能在薄膜的形成過程中，提供了