在微電子與 MEMS 領(lǐng)域，薄膜厚度測量對薄膜沉積、產(chǎn)品測試及失效分析至關(guān)重要，有機(jī)半導(dǎo)體因低成本、室溫常壓易加工及“濕法”制備優(yōu)勢，在OLED等器件中潛力大，但其一存在膜層柔軟、附著力差等問題，影響厚度測量準(zhǔn)確性；其二常用的觸針式臺階儀雖測量范圍廣，卻因接觸式測量易破壞軟膜，非接觸的彩色白光（CWL）法雖可掃描大面積表面，卻受薄膜光學(xué)不均勻性影響精度。Flexfilm探針式臺階儀可以實(shí)現(xiàn)表面微觀特征的精準(zhǔn)表征與關(guān)鍵參數(shù)的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，為材料質(zhì)量把控和生產(chǎn)效率提升提供數(shù)據(jù)支撐。

本文制備真空沉積的50-300nm鋁膜標(biāo)準(zhǔn)樣品，對比彩色白光（CWL）法與觸針式臺階儀測量法，發(fā)現(xiàn) CWL 技術(shù)適用于測量厚度大于 40-50nm 的有機(jī)薄膜，觸針式臺階儀能精準(zhǔn)獲取<50nm 薄膜的厚度數(shù)據(jù)，且測量數(shù)據(jù)平滑度、分辨率更優(yōu)，可滿足低厚度薄膜的高精度測量需求。

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實(shí)驗(yàn)樣品制備

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實(shí)驗(yàn)制備了真空沉積鋁膜的標(biāo)準(zhǔn)樣品，鋁膜厚度范圍控制在50-300nm。為獲得不同厚度的鋁膜，將基板放置在距蒸發(fā)源不同距離的位置。選擇鋁作為鍍膜材料，是因?yàn)樗瑫r具備良好的機(jī)械性能和優(yōu)異的光反射性能，能同時滿足接觸式（觸針）與非接觸式（CWL）兩種測量方法的要求。

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實(shí)驗(yàn)測量方法

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實(shí)驗(yàn)采用 CWL 法與觸針式臺階儀法分別測量鋁膜厚度，并評估兩種方法的可靠性。

CWL測量的核心部件：1. 測量表面、2. 光源、3. 藍(lán)光焦點(diǎn)、4. 光譜儀

CWL法測量：使用彩色白光臺階儀，其測量原理基于 CHR 150 N 光學(xué)傳感器的色差效應(yīng)。具體過程為：多色光源發(fā)出的白光經(jīng)半透明反射鏡后，在色差透鏡中發(fā)生光譜分離；由于色差效應(yīng)，不同波長的光會聚焦在不同的 Z 高度上，通過這種“彩色分離”就能實(shí)現(xiàn)薄膜厚度的測量。

觸針式臺階儀測量：使用觸針式臺階儀，通過觸針與薄膜表面的接觸掃描獲取厚度數(shù)據(jù)。

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CWL法厚度測量結(jié)果

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橫坐標(biāo)為掃描距離 x（μm），縱坐標(biāo)為 Z 高度（nm），圖中標(biāo)注的 “d=109nm” 即對應(yīng)兩層鋁膜間的臺階高度（厚度）

CWL法在1D模式下測量的標(biāo)準(zhǔn)樣品—兩層鋁膜之間形成的典型臺階輪廓。測量前先對樣品進(jìn)行調(diào)平，可清晰觀察到兩層鋁膜間的臺階，這為厚度計(jì)算提供了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，測量噪聲約為設(shè)備分辨率的 2-3 倍；在該實(shí)驗(yàn)條件下，CWL 技術(shù)能成功測量的最小厚度為 49nm，約為設(shè)備分辨率的 5 倍。

由于當(dāng)測量值接近設(shè)備分辨率時，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性會受影響，因此后續(xù)所有 CWL 測量數(shù)據(jù)均經(jīng)過統(tǒng)計(jì)處理：至少進(jìn)行 10 次重復(fù)測量，最終以“平均值 + 標(biāo)準(zhǔn)相對誤差”的形式呈現(xiàn)。選擇標(biāo)準(zhǔn)相對誤差，是為了方便對比不同厚度薄膜的測量誤差。

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觸針式臺階儀厚度測量結(jié)果

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采用觸針式臺階儀測量標(biāo)準(zhǔn)樣品上兩層鋁膜之間臺階的結(jié)果

觸針式臺階儀測量的標(biāo)準(zhǔn)樣品—兩層鋁膜之間的臺階輪廓。測量時采用最大放大倍率，并對樣品進(jìn)行精確調(diào)平，確保臺階占據(jù)測量量程的滿刻度；此時測量分辨率被認(rèn)為等于或小于圖紙上 1mm 刻度對應(yīng)的分辨率（約為滿量程的 1.6%）。

測量曲線非常平滑，這一方面得益于較低的掃描速度，另一方面是因?yàn)橄鄬^重的針尖在掃描過程中對噪聲起到了積分作用。觸針式臺階儀的顯著優(yōu)勢是分辨率更高，能清晰捕捉臺階細(xì)節(jié)；但缺點(diǎn)也很明確,機(jī)械接觸式測量，若測量對象為柔軟薄膜，觸針容易破壞膜層，導(dǎo)致測量結(jié)果失真。

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兩種測量方法的對比

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CWL 法與觸針式臺階儀法薄膜厚度測量結(jié)果對比

CWL法誤差特性：對不同厚度樣品的 CWL 測量顯示，標(biāo)準(zhǔn)相對誤差均小于 8%；樣品間誤差的差異，主要與樣品自身特性有關(guān)（如表面灰塵、膜層不均勻）。但 CWL 法不適用于測量厚度小于 50nm 的薄膜，因?yàn)榇藭r測量值已接近設(shè)備模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的分辨率，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性無法保證。

觸針式臺階儀的適用范圍：觸針式臺階儀不僅能獲得更平滑、清晰的臺階輪廓，還能測量厚度小于 50nm 的薄膜；但對于厚度大于 50nm 的薄膜，其標(biāo)準(zhǔn)相對誤差與 CWL 法相近，無明顯優(yōu)勢。

數(shù)據(jù)一致性：對同一樣品用兩種方法測量，結(jié)果差異接近或處于相對標(biāo)準(zhǔn)誤差范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)與測量設(shè)備相關(guān)的系統(tǒng)誤差，說明兩種方法的可靠性均有保障（在各自適用范圍內(nèi)）。

綜合研究數(shù)據(jù)與分析，觸針式臺階儀是薄膜厚度測量的重要工具，其不可替代的優(yōu)勢在于低厚度（<50nm）薄膜測量能力，能精準(zhǔn)獲取該厚度區(qū)間薄膜的厚度數(shù)據(jù)，且測量數(shù)據(jù)平滑度、分辨率更優(yōu)，可滿足低厚度薄膜高精度測量需求，這是 CWL 法難以實(shí)現(xiàn)的；對于厚度大于 50nm 的薄膜，觸針式臺階儀與 CWL 法的測量結(jié)果具有良好可比性，二者標(biāo)準(zhǔn)相對誤差相近，在此厚度區(qū)間，若應(yīng)用場景允許接觸、無軟膜破壞風(fēng)險，觸針式臺階儀可作為可靠選擇；雖觸針式臺階儀存在接觸破壞柔軟薄膜的局限，但能與 CWL 法形成互補(bǔ)—觸針式臺階儀主攻低厚度薄膜及允許接觸場景的測量，CWL法補(bǔ)充柔軟有機(jī)薄膜（厚度> 40-50nm）的非接觸測量需求，二者共同完善了薄膜厚度測量方案，覆蓋不同厚度、不同材質(zhì)薄膜的測量場景。

Flexfilm探針式臺階儀

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在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺階高度、膜厚的準(zhǔn)確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數(shù)，對各種薄膜臺階參數(shù)的精確、快速測定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機(jī)
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺結(jié)合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準(zhǔn)測量

費(fèi)曼儀器作為國內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進(jìn)行準(zhǔn)確測量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

原文參考：《Film thickness measurement by optical profilometer MicroProf FRT》

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