【技术文章】基于双共焦传感器的薄膜厚度测量技术

2022-05-13

摘要：研究了基于双共焦传感器的薄膜厚度测量技术，搭建实际系统对自支撑Au、Mo膜进行测量。结果表明，该系统有效消除了薄膜翘曲、不完全展平的影响，测量精度达到干涉仪水平。

关键词：共焦；薄膜；厚度；测量

采用激光加载方式可以得到TPa压强下材料的状态方程信息，这对于ICF研究、天体及地球物理具有重要意义。在这一研究方法中，激光驱动厚度仅为几十μm的薄膜（台阶）样品产生冲击波，根据薄膜（台阶）厚度及冲击波传播时间可计算出冲击波传播速度，进而得到状态方程参数。薄膜厚度的准确测量是影响实验精度的关键环节，物理研究人员分析，测量精度需要达到1％才具有实际意义。目前，这类自支撑薄膜的厚度测量无标准仪器与标准方法。普遍采用的方法是将薄膜在平晶上展平，用台阶仪或白光干涉仪等仪器测量薄膜与平晶之间台阶的高度作为薄膜厚度。对于厚度在20μm以下的软金属材料（Al、Cu、Au等），薄膜与平晶可以通过原子之间吸引力实现紧密结合，测量精度能够满足要求。当薄膜厚度较大，或材料为Mo、W、Ta、U等应力大、难展平金属时，薄膜与平晶不能完全贴合，两者之间存在缝隙从而严重影响测量精度。为实现自支撑薄膜厚度及分布的准确测量，构建了1台采用两支光谱共焦位移传感器的测量系统。

1 测量原理

1.1 光谱共焦传感器原理

光谱共焦位移传感器原理如图1所示，由光源、透镜组、控制箱等组成。光源发出1束白光，透镜组先将白光发散成一系列波长不同的单色光，然后经同轴聚焦在一定范围内形成1个连续的焦点组，每个焦点的单色光波长对应1个轴向位置。当样品处于焦点范围内时，样品表面将聚焦后的光反射回去。这些反射回来的光经过与镜头组焦距相同的聚焦镜再次聚焦后通过狭缝进入控制箱中的单色仪。因此，只有焦点位置正好处于样品表面的单色光才能聚焦在狭缝上。单色仪将该波长的光分离出来，由控制箱中的光电组件识别并最终得到样品的轴向位置。采用高数值孔径的聚焦镜头可以使传感器达到较高分辨率（轴向＜10nm、横向＜5μm），满足薄膜厚度分布测量要求。

图1 光谱共焦位移传感器原理

1.2 系统组成

薄膜厚度及分布测量系统由传感器、位移台、机架、同步控制器、计算机、隔振平台等组成。两支共焦传感器对顶相向布置，上传感器固定在电控Z向位移台上，下传感器固定在五自由度位移台上，用于调整两支传感器对准。一电控位移台作为样品放置平台位于两支传感器之间，这3部分均固定在机架上。机架安装在隔振平台上以减小环境振动对测量造成的影响。同步控制器控制样品台在xy方向的移动，同时给两个传感器发出同步取样脉冲实现对样品不同位置上表面形貌数据的测量。主控计算机主要有两个功能，给各部分发出控制指令使它们运行协调一致，实现测量；对测量数据进行分析处理。

测量时，首先在样品台上放置1片已知厚度薄膜作为标准样品对系统进行标定，此时计算机记录下标样薄膜上下表面分别在两支传感器中的位置，输入其厚度值。然后将被测薄膜放置在样品台上，两支传感器也会记录其上下表面的相对位置并得到与标样薄膜上下表面的位置差。这两个表面位置差值与标样薄膜厚度之和即为被测薄膜的实际厚度。在主控计算机的控制下，样品台作XY向移动、传感器同步取样，可实现对薄膜厚度分布的测量。

1.3 系统标定与传感器对准

本方法需要利用已知厚度薄膜对系统进行标定，因此其厚度测量误差将会带入对被测样品的测量结果中。以磁控溅射镀出的金膜作为标准薄膜，这种薄膜与基底结合紧密。采用白光干涉仪测量厚度，脱膜装夹后形成标准薄膜。

两支传感器的对准与平行对测量结果有较大影响。在系统中，上传感器位置不变而下传感器固定在一个五自由度位移台上。调整下传感器的XY向位置可以实现传感器的对准，调整两个方向上的俯仰姿态使传感器平行。对准时，扫描一缝宽为10μm的十字标记，上下传感器分别得到一幅图像。由于两支传感器取样同步且坐标统一，十字标记在两幅扫描图像中的位置差异代表了传感器的位置差，根据这一位置差调整下传感器的位置实现对准（图2）。

图2 两支传感器扫描得到的十字标记位置图像

2 实验

2.1 与白光干涉仪比对

在平整的玻璃基底上均匀镀上金膜，由于金膜紧贴基底生长，可认为两者间无缝隙。用白光干涉仪测量金膜厚度，脱膜后再用本系统测量，测量数据列于表1。

表1 本系统与白光干涉仪比对数据

从表1可看出，两个系统测量值很接近，相差在50nm以内。本系统测量数据准确。图3所示为对4.66μm金膜测量数据（上图为厚度数据，下图是表面轮廓数据）。可看出，在金膜明显翘曲情况下，厚度测量不受影响。

图3 对4.66μm金膜测量数据

2.2 测量未展平钼膜

采用本系统测量未展平的钼膜，结果如图4所示。其中，图4a、b是两支传感器测量得到的钼膜表面形貌；图4c是钼膜厚度分布图；图4d为图4c中1条厚度轮廓线。可看到，钼膜翘曲未影响厚度测量。

图4 钼膜测量结果

3 结论

采用双共焦测头对顶相向布置、测量被测薄膜相对于标准薄膜的厚度变化、得到薄膜绝对厚度的方法有效消除了传统测量方法中由于样品不完全展平造成的测量误差。该设备填补了国内空白，实现了自支撑薄膜厚度的准确测量，已应用于物理实验并取得满意结果。