MEMS制造中精确测量薄膜厚度的方法研究与比较

测量薄膜厚度的方法一、引言薄膜广泛应用于电子、光学、材料等领域，因此准确测量薄膜的厚度对于质量控制和产品性能评估至关重要。

本文将介绍几种常用的测量薄膜厚度的方法。

二、显微镜法显微镜法是一种常见的测量薄膜厚度的方法。

通过显微镜观察薄膜表面的颜色变化，利用颜色与厚度之间的关系确定薄膜的厚度。

这种方法非常简单易行，但对于颜色辨识的要求较高，且只适用于透明的薄膜。

三、椭偏仪法椭偏仪法是一种基于光学原理的测量方法。

通过测量薄膜对光的旋光性质，可以推算出薄膜的厚度。

椭偏仪法具有高精度和较大的测量范围，在光学薄膜领域得到广泛应用。

四、干涉法干涉法是一种基于光学干涉原理的测量方法。

利用光的干涉现象，通过测量干涉条纹的特征，可以推断薄膜的厚度。

常见的干涉法有菲涅尔反射干涉法、Michelson干涉法等。

干涉法具有高精度和无损测量的特点，被广泛应用于光学薄膜的测量。

五、X射线衍射法X射线衍射法是一种非常常用的测量薄膜厚度的方法。

通过将X射线照射到薄膜上，根据衍射光的特征，可以计算出薄膜的厚度。

X 射线衍射法具有非常高的精度和广泛的适用范围，被广泛应用于材料科学和工程领域。

六、扫描电子显微镜法扫描电子显微镜法是一种通过扫描电子束与样品的相互作用来测量薄膜厚度的方法。

通过扫描电子显微镜观察样品表面的形貌变化，可以推算出薄膜的厚度。

这种方法具有高分辨率和较大的测量范围，被广泛应用于材料科学和纳米技术领域。

七、原子力显微镜法原子力显微镜法是一种通过探针与样品表面的相互作用来测量薄膜厚度的方法。

通过原子力显微镜观察样品表面的拓扑特征，可以计算出薄膜的厚度。

原子力显微镜法具有非常高的分辨率和较大的测量范围，广泛应用于纳米技术和表面科学领域。

八、总结本文介绍了几种常用的测量薄膜厚度的方法，包括显微镜法、椭偏仪法、干涉法、X射线衍射法、扫描电子显微镜法和原子力显微镜法。

这些方法各有优劣，应根据实际需求选择合适的方法进行测量。

在实际操作中，还需注意操作规范和仪器校准，以确保测量结果的准确性和可靠性。

测量薄膜厚度的一种新方法周其麟(武汉工业大学) 周剑秋(武汉钢铁设计研究院自动化室)摘　要　叙述用迈克尔逊干涉仪测量薄膜厚度的原理,提出一种检测透明薄膜的新方法.它适合用来测定各种单片透明薄膜的厚度.关键词　干涉条纹;薄膜厚度;厚度测量分类号　O 439收稿日期:1997—05—23周其麟:男,1941年生,高级工程师0　引　言薄膜厚度的测量在工业生产、科学研究等领域中是十分重要和有用的技术.通常,测量透明薄膜的厚度需用专门的测量仪器,如反射型椭园偏振仪[1].但这种方法要求透明薄膜附着在玻璃基上,而且测量的结果需采用查表的方法读出最佳值.实际上,经常需要测量厚度只有几个波长的聚合物薄膜,其主要困难是不存在参考表面(基片),而薄膜是用支架支撑着.本文提出一种新的简单的测量这种薄膜厚度的方法.1　理论依据图1中用He-Ne 激光器作为光源,其光波长 =6328×10-7mm.激光经过准直系统而形成一束平行光.G 1为半反半透镜片,激光与G 1成45°角入射;G 2为一补偿板;M 1和M 2为全反射平面镜;M ′2为被G 1反射的M 2的虚像;f 为待测量薄膜;G 为毛玻璃观测屏.反射镜M 2是固定的,M 1装在导轨的拖板上,由精密丝扛带动可沿导轨前后移动.调节M 1,使M 1与M ′2相距很近,再将M 1稍许调斜,使在G 上看到清晰的,宽度适当的等厚条纹,将待测薄膜f 放在图1　测量薄膜厚度的光路图图2　干涉场中的条纹1.试验条纹;2.参考条纹干涉仪的一臂中,并使薄膜占据约一半视场.由于薄膜的放入,它的厚度将引起一个附加的光程,使膜占据空间所对应的条纹发生移动,如图2所示.把有薄膜存在区域产生的条纹称为试1998年3月JO U RN A L OF WU HA N IN ST I T U T E O F CHEM I CA L T ECHN OL O GY M ar.1998验条纹,没有薄膜存在区域产生的条纹称为参数条纹.显然,这时参数条纹是固定的.试验条纹的位移与薄膜的厚度有关.从图2只能看出试验条纹相对于参考条纹发生了偏移.但到底偏移了几个条纹,并不能确定,只能测出所偏移的不足一个条纹的部分 S ,因此薄膜的厚度还是不能唯一的确定.为了唯一确定被测薄膜的厚度,对由于薄膜的引入而产生的光程变化进行分析.如图3所示,图中d 为薄膜的厚度,i 为光对薄膜的入射角, 为光在膜内的折射角,l为光在薄膜内通过图3　光通过透明薄膜的光程的路程,a 为没有薄膜处相应的光程差.在干涉仪中光通过薄膜两次,所以,若薄膜折射率为n ,薄膜引起的附加光程差为=2(nl -a )(1)光程差 与所移动条纹级数间的关系为=2(nl -a )=(m + m ) (2)这里 是光波长,m 是试验条纹移动的级数的整数部分, m是试验条纹移动级数的分数部分.由图3可知,a 与l 的关系为a =l cos(i - )(3)而d =l cos ,　l =d /cos(4)又由折射定律,若干涉仪处在空气中,则有sin i =n sin(5)将(3)和(4)代入(2),并展开cos(i - ),得2d (n -co s i cos -sin i sin )/cos =(m + m )(6)由(5)式得cos =n 2-sin 2i /n (7)将(7)代入(6),并整理得d =(m + m ) /[2(n 2-sin 2i -cos i )](8)若绕垂直于纸面的定轴旋转薄膜,以改变光的入射角,可得到两个不同入射角i 1和i 2的方程d =(m 1+ m 1) /[2(n 2-sin 2i1-cos i 1)](9)d =(m 2+ m 2) /[2(n 2-sin 2i 2-cos i 2)](10)由方程(9)和(10)可得d =(m 0+ m 2- m 1) /{2[n 2-sin 2i2-n 2-sin 2i 1-(cos i 2-co s i 1)]}(11)这里m 0=m 2-m 1.虽然无法测知由于薄膜厚度引起干涉条纹的移动数目m 1和m 2.但是,在旋转薄膜以改变入射角i 的过程中,可以很方便地测知干涉条纹的相对移动的数目m 0=m 2-m 1.至于条纹的偏移量 m 1和 m 2,则是很容易测定的.于是,可以通过i 1和i 2的测定,由公式(11)计算出薄膜的厚度d .当然,必须事先知道薄膜材料的折射率n .否则需事先用其他方法将n 测出[2].为了更方便地计算出d ,可通过选择入射角i 的大小进一步简化公式(11).若选择i 1=0,则(11)式化为d =(m 0n -1)]}(12)80报第20接下来,再仔细选择i 2.一面旋转薄膜以改变入射角,同时观察条纹的移动,使试验条纹刚好移过一个条纹时停止薄膜旋转.在这个入射角i 2的情况下,显然m 0=1, m 2= m 1,于是方程(12)被进一步简化为d = /{2[n 2-sin 2i 2-(cos i 2+n -1)]}(13)将测量的入射角i 2代入方程(13),就可很方便地计算出薄膜的厚度d .2　实　验按图1布局光路.调整好迈克尔逊干涉仪的反射镜M 1,使观察屏G 上能观察到等厚干涉条纹,并使条纹宽约2m m.将待测薄膜用一框架支撑平整,并平行于反射镜M 2放入一臂中.激光垂直入射薄膜及M 2.薄膜在该臂中占据约一半空间,故在视场中,试验条纹相对参考条纹偏移 S .支撑薄膜的支架固定在旋转测角仪的转柄上.旋动测角仪转柄,同时观察屏G 上试附表　聚脂薄膜厚度测量数据(n =1.50)入射角i 239°43′39°45′39°21′39°14′39°39′厚度d /!m 3.595 3.680 3.679 3.722 3.596验条纹的动向.当试验条纹刚好移过一个整条纹时,停止旋转,并记下测角仪旋转的角度,将角度读数值代入方程(13)中,即计算出薄膜厚度d .对于折射率n = 1.50的聚脂薄膜进行测量,测量数据如上附表所示.厚度的平均值d -=(3.654±0.1)!m.参　考　文　献1　赵青生,吕卫星,赵学民编著.大学物理实验.合肥:中国科学技术大学出版社,1993.2　Z hou Q ilin ,L e X io ng jun ,Zhan Zhaoy an .M easurem ent of the refr activ e index of plat e g lass using the moire t echnig ue .Jurnal of W uhan U niv esity of T echnolog y ,1993,8(3):50～56A New Method of Film Thickness MeasurementZhou Qilin Zhou Jianqiu(Depar tment of M athematics and P hysics,W U T ,Wuhan 430070,China)Abstract The priciple and m ethod of measur ing the thickness of thin films by using the M ichelson inter ferom eter are descr ibed.The results show ed that this metho d is suitable for the deteminatio n of kinds of transparent film thickness.Key words interference fring ;film thickness ;thickness measurem ent 81第1期周其麟等:测量薄膜厚度的一种新方法。