玻璃基板上的金属膜中厚度检测方案(共聚焦显微镜)

【概要】对于几十纳米的高度差测定，一般认为，与激光共聚焦显微镜相比光干涉仪更合适（准确度更高）。但在一些情况下光干涉的测试结果异常，如在本次实验中对玻璃板上的金镀膜进行测定，膜高度出现负值。在此介绍激光共聚焦显微镜、光干涉、分光膜厚、原子力显微镜四种方法的测试结果对比。◆绪论　　　　　　　　　　　　　　　　　　　激光共聚焦显微镜在使用高倍镜头（如50x，视野300um□）的情况下，一般认为可以测定几十nm的高度差，而几nm则由于分辨率限制无法测量了。特别对于高度变化平缓的斜坡，如需要在1mm方块宽视野范围内进行测定时，需要获取多个图像后进行拼接，精度可能进一步受影响。   对于上述测试需求，白光干涉是合适的解决方案：使用低倍镜头（如10x，视野1500um□）也可以测定纳米级的高度差。   一般情况下共聚焦显微镜和干涉仪的结果在误差范围内是一致的，但对于一些样品，结论不尽然。本次，对玻璃板（BK7）上的Au薄膜样品（构造如图1）进行测定，比较激光共聚焦显微镜、光干涉、分光膜厚、原子力显微镜四种方法的测试结果。图1◆白光干涉vs激光共聚焦显微镜　　　　分别制备厚约10、20、30、40nm的Au镀膜样品进行测试。　测试结果如图2到5。 视野内左侧为Au镀膜，右侧为玻璃基板。图2 玻璃板上的Au薄膜高度测定，设计值10um。a) 明视野彩色图像（左：Au，右：玻璃）b) 共聚焦显微镜结果c) 白光干涉结果图3 玻璃板上的Au薄膜高度测定，设计值20um。a) 明视野彩色图像（左：Au，右：玻璃）b) 共聚焦显微镜结果c) 白光干涉结果图4 玻璃板上的Au薄膜高度测定，设计值30um。a) 明视野彩色图像（左：Au，右：玻璃）b) 共聚焦显微镜结果c) 白光干涉结果图5 玻璃板上的Au薄膜高度测定，设计值40um。a) 明视野彩色图像（左：Au，右：玻璃）b) 共聚焦显微镜结果c) 白光干涉结果首先，共聚焦结果，大体上与设计值接近。其次，白光干涉结果，注意到图2与图3的数值为负，应认为是异常结果。对数据进行分析发现，共聚焦显微镜与白光干涉结果呈很好的线性相关性。每一组测试结果，白光干涉的值都比共聚焦显微镜测试值小约28nm（如图6）。图6• 与分光膜厚及AFM结果比较为验证结果的准确性，进一步用分光膜厚以及原子力显微镜的方法进行测定。得到结果如表2。表2 四种方法的测试结果以原子力显微镜的结果为基准，可以看出，分光膜厚的测试结果略小，差异在5nm以内。共聚焦显微镜的结果，设计值30、40nm的高度测试结果存在几nm，而10、20nm样品的结果则有10nm左右的偏差。因而，在白光干涉、共聚焦显微镜、分光膜厚三种方法中，可认为分光膜厚最为合适，尤其对于20nm以下的样品来说。当然，AFM的测试准确性被认为是最高的，只是从测定区域面积、时间上考虑，在很多情况下难以替代另外三种方法。• 关于白光干涉的结果异常由表2结果可以得出结论：本次测试中白光干涉存在约30nm的系统误差。那么，系统误差是如何出现的呢？简单来说，光干涉的测试原理，是测定反射光的相位，然后换算成高度。换算时用到的光学参数与物质特性相关，因此测量不同材质的样品时，可能出现不同程度的系统误差。具体的，系统误差可以由理论计算得到。详细的计算方法将在后续文章中向大家介绍。• 总结由本次实验可以看出，对于玻璃基板上的Au薄膜高度测定，白光干涉与共聚焦显微镜会得到明显不同的结果。光干涉测量时，当不同高度位置的样品材质不同时，其测试结果的可靠性需要留意，尽可能多角度验证。如此说来，共聚焦显微镜、白光干涉、分光膜厚的灵活组合运用是有其优势的。