膜厚测量原理和表面形状测量原理

方法

 形状 
粗糙度

 膜厚 

 测量 
类型

解析度

预处理

速度

 价格 

非
接触式
触觉
光学
科学
公式
测量
常数
法

白色干涉类型：
Profilm 3D

◎

步

表面

◎

不必要

◎

○

反射光谱：
F20、F40、F50

×

◎

观点

◎

不必要

◎

○

椭偏仪

×

◎

观点

◎

不必要

×

×

共聚焦激光
扫描显微镜

○

步

线（面）

◯

不必要

△

◯

接触
触摸
型
测量
恒定
方法
等

针式轮廓
仪3D形状测量仪

△

步

线

Z轴
相关

需要

○

×

原子力显微镜：
AFM

◎

步

线（面）

◎

需要

△

×

电镜截面
观察：SEM

○

横截面

表面

◎

需要

×

×

千分尺
千分表等

×

×

观点

×

不必要

×

◎

电气测量：
涡流型

×

○

观点

低的

需要

×

◎

重量换算方法

×

△

表面

低的

需要

×

○

方法

特点/优点/缺点

白色干涉型
（Profilm 3D）

通过使用干涉物镜照射白光并从样品表面反射和干涉透镜中的参考镜反射的光来观察干涉条纹图像。当镜头稍微上下移动时，干涉条纹出现的表面在高度方向上发生变化，从而可以将干涉条纹图像的波动掌握为表面形状。
由于干涉条纹图像是由相机拍摄的，因此可以一次在大范围内测量表面形状。测量时间快，精度高。
横向分辨率由相机分辨率、物镜放大倍数、镜头分辨率（光能聚焦多远）决定，而深度方向的分辨率则是亚纳米级。如果有台阶，可以测量膜厚。
很难测量具有不会引起干涉条纹或非常粗糙表面的斜率的低反射样品。

反射光谱
（filmmetrics
F 系列，光学干涉）

一种通过用白光照射薄膜，使薄膜表面的反射光和透过薄膜并在与基材的界面处透射的反射光分散来测量薄膜厚度和光学常数的方法。无需接触即可测量固体薄膜。
根据光谱波长范围和光谱分辨率，可以测量从几十纳米的薄膜厚度到毫米的基板厚度，但基本上它是用于透光的薄膜。（即使不通过视觉，也可以通过紫外线或近红外光进行测量）不透光的厚金属膜，粗糙度大且反射光不返回的样品，在基材和膜之间的界面处反射对于未获得的样品，无法测量。它是点测量，因为它使用捕获光的光斑直径进行测量，但由于测量速度快，因此也可以进行薄膜厚度映射。该装置简单，测量容易。相对便宜。

椭偏仪

膜厚和光学常数可以通过用两种偏振光以一定角度照射样品，并捕捉反射和返回的两种偏振光之间的差异（相位差、反射幅度）来获得。由于入射光有角度，对测量较薄的薄膜和多层薄膜是有效的，但设备趋于复杂，由于参数较多，算法复杂，计算耗时。光谱法非常昂贵。

共焦型
（激光位移计、
激光显微镜）

当使用共焦光学系统时，激光束可以集中在一点，因此，如果在用激光照射样品的同时调整光学系统的高度，则在聚焦的位置反射强度。通过扫描获得反射强度，同时记录高度，可以得到二维表面形状。

由于一次扫描的区域有限，因此测量需要时间。对于难以聚焦的样本或由于高度微妙而难以掌握焦点位置的样本，很难获得高度信息。虽然是显微镜，但是是点测量。

方法

特点/优点/缺点

针型（针型轮廓仪、坐标 测量仪、 AFM、SPM等）

通过用针（触针、探针等）追踪样品表面来测量形状的方法。

可以通过扫描针获得表面形状轮廓数据。可以测量台阶和表面形状，并且可以测量不允许光通过的金属台阶。
当针头较小时，样品上的载荷较小，可以高精度测量微小表面的形状，但不适合测量大面积或大台阶。

测量大形状时，使用大针，但在这种情况下，难以测量精细形状或粗糙度。很难测量柔软或潮湿的表面。获得广泛的表面数据需要大量的扫描并且需要时间。

显微截面观察
（SEM、TEM）

一种通过将样品切得很薄并观察切割面来捕捉微小表面形状和薄膜层状结构的方法。
由于横截面可以作为图像获得，因此可以一次观察从基板到多层膜结构和膜的界面，但是为了获得合适的横截面，预处理是必不可shao的。
由于破坏性检测是局部观察，很难得到位置的波动。因为测量结果取决于观察样品的制备。预测量处理困难且耗时。设备体积大，价格昂贵。

直接接触测量
（千分尺、微量
规、
重量换算法）

测量样品总厚度的简单和简单的方法。测量精度取决于用于测量的设备的分辨率和测量者的技能。
在重量换算法中，有膜和无膜样品的重量和样品面积，以及材料的密度和体积重量都换算成膜厚，所以误差系数大，无法进行局部评价。只能获得比较区域的平均膜厚。

电测量：
涡流型、电磁型

用探针接触薄膜表面通电时，涡电流和电特性会根据薄膜表面和基材表面之间的距离而波动，因此这是一种将其转换为薄膜厚度的方法。

基板必须是导电或非磁性金属，否则必须连接电极。

它们中的许多体积小且价格便宜，但它们需要校准曲线，而且薄膜越薄，误差的影响就越大。