2022/08/02 09:35
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产品配置单:
日本Lasertec 共聚焦显微镜HYBRID L7
型号: HYBRID L7
产地: 日本
品牌: Lasertec
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【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。
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