在微電子與 MEMS 領域，薄膜厚度測量對薄膜沉積、產(chǎn)品測試及失效分析至關重要，有機半導體因低成本、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，卻受薄膜光學不均勻性影響精度。Flexfilm探針式臺階儀可以實現(xiàn)表面微觀特征的精準表征與關鍵參數(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鋁膜標準樣品，對比彩色白光（CWL）法與觸針式臺階儀測量法，發(fā)現(xiàn) CWL 技術適用于測量厚度大于 40-50nm 的有機薄膜，觸針式臺階儀能精準獲取<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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實驗樣品制備

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實驗制備了真空沉積鋁膜的標準樣品，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，是因為它同時具備良好的機械性能和優(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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實驗測量方法

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實驗采用 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. 藍光焦點、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 光學傳感器的色差效應。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，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法厚度測量結果

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橫坐標為掃描距離 x（μm），縱坐標為 Z 高度（nm），圖中標注的 “d=109nm” 即對應兩層鋁膜間的臺階高度（厚度）

CWL法在1D模式下測量的標準樣品—兩層鋁膜之間形成的典型臺階輪廓。測量前先對樣品進行調平，可清晰觀察到兩層鋁膜間的臺階，這為厚度計算提供了基礎。實驗發(fā)現(xiàn)，測量噪聲約為設備分辨率的 2-3 倍；在該實驗條件下，CWL 技術能成功測量的最小厚度為 49nm，約為設備分辨率的 5 倍。

由于當測量值接近設備分辨率時，數(shù)據(jù)準確性會受影響，因此后續(xù)所有 CWL 測量數(shù)據(jù)均經(jīng)過統(tǒng)計處理：至少進行 10 次重復測量，最終以“平均值 + 標準相對誤差”的形式呈現(xiàn)。選擇標準相對誤差，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果

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采用觸針式臺階儀測量標準樣品上兩層鋁膜之間臺階的結果

觸針式臺階儀測量的標準樣品—兩層鋁膜之間的臺階輪廓。測量時采用最大放大倍率，并對樣品進行精確調平，確保臺階占據(jù)測量量程的滿刻度；此時測量分辨率被認為等于或小于圖紙上 1mm 刻度對應的分辨率（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，另一方面是因為相對較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，能清晰捕捉臺階細節(jié)；但缺點也很明確,機械接觸式測量，若測量對象為柔軟薄膜，觸針容易破壞膜層，導致測量結果失真。

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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果對比

CWL法誤差特性：對不同厚度樣品的 CWL 測量顯示，標準相對誤差均小于 8%；樣品間誤差的差異，主要與樣品自身特性有關（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，因為此時測量值已接近設備模數(shù)轉換器（ADC）的分辨率，數(shù)據(jù)準確性無法保證。

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，其標準相對誤差與 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，結果差異接近或處于相對標準誤差范圍內，未發(fā)現(xiàn)與測量設備相關的系統(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）。

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 法的測量結果具有良好可比性，二者標準相對誤差相近，在此厚度區(qū)間，若應用場景允許接觸、無軟膜破壞風險，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—觸針式臺階儀主攻低厚度薄膜及允許接觸場景的測量，CWL法補充柔軟有機薄膜（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、不同材質薄膜的測量場景。

Flexfilm探針式臺階儀

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在半導體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領域，表面臺階高度、膜厚的準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
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復性1nm
• 360°旋轉θ平臺結合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準測量

費曼儀器作為國內領先的薄膜厚度測量技術解決方案提供商，Flexfilm探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進行準確測量，保證材料質量、提高生產(chǎn)效率。

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

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