基于AFM與干涉光譜的薄膜厚度測(cè)量系統(tǒng).pdf

1、近年來(lái)，隨著薄膜技術(shù)的迅速發(fā)展，薄膜技術(shù)廣泛應(yīng)用在微電子技術(shù)、高分子材料技術(shù)、宇航技術(shù)、生物工程技術(shù)、食品科學(xué)技術(shù)等眾多領(lǐng)域中。薄膜的厚度決定性地影響薄膜的光學(xué)性能、力學(xué)性能和電磁性能等，所以準(zhǔn)確地檢測(cè)薄膜厚度已經(jīng)成為一種有重要意義的技術(shù)。 目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)存在一些測(cè)量薄膜厚度的方法，而對(duì)于多孔材料的薄膜的厚度測(cè)量，一個(gè)典型的方法是利用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)對(duì)其斷面進(jìn)行

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

3、ic Force Microscopy,AFM)與干涉光譜結(jié)合的薄膜厚度測(cè)量方法，這種方法可克服目前一些已有的膜厚測(cè)量方法中的問(wèn)題及局限性。我們的系統(tǒng)不需要對(duì)薄膜進(jìn)行剖開(kāi)截面，保證了薄膜的完整性，操作簡(jiǎn)便，是無(wú)損的測(cè)量方法。系統(tǒng)引入多孔薄膜有效折射率算法，能測(cè)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(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)三個(gè)方面對(duì)薄膜厚度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的薄膜的干涉光譜，最后確定薄膜的實(shí)際厚度。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，搭建了薄膜厚度測(cè)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(cè)量系統(tǒng)、控制電路系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)接口和軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠進(jìn)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(shí)驗(yàn)室自行研制的，測(cè)量范圍可以達(dá)到4000nmx4000nm，對(duì)表面

5、形貌的測(cè)試精度可以達(dá)到lnm。這套薄膜厚度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍為0.5pm～200μm。開(kāi)發(fā)了一套膜厚測(cè)量軟件系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)AFM對(duì)樣品的形貌掃描測(cè)量、AFM圖像處理、多孔薄膜孔隙率計(jì)算、多孔薄膜有效折射率計(jì)算、干涉光譜獲取、薄膜厚度測(cè)量等功能。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)工作中，我們基于系統(tǒng)進(jìn)行了一系列薄膜的膜厚測(cè)量實(shí)驗(yàn)，對(duì)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(jìn)行了膜厚測(cè)量

6、實(shí)驗(yàn)，得到了它們的AFM形貌圖以及薄膜厚度，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。 在基于AFM與干涉光譜薄膜厚度測(cè)量系統(tǒng)研究工作中，主要?jiǎng)?chuàng)新如下： 1．首次提出了基于AFM與干涉光譜薄膜厚度測(cè)量的新方法，尤其適用于多孔薄膜的厚度測(cè)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(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的薄膜的干涉光譜，最后確定薄膜的實(shí)際厚度。這種方法集合了AFM表面形貌檢測(cè)技術(shù)和干涉光譜膜厚測(cè)

7、試技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，不僅能夠精密地測(cè)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(jí)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(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)既能夠?qū)崿F(xiàn)膜厚的測(cè)量，又包括了孔隙率測(cè)量、有效折射率計(jì)算和．AFM表面形貌掃描等功能。 3．可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和現(xiàn)場(chǎng)的非接觸無(wú)損的膜厚測(cè)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(cè)量薄膜，所以本測(cè)量系統(tǒng)能在薄膜的形成過(guò)程中，提供了