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你可能喜欢薄膜厚度的常用测量方法？_测厚仪_百科问答
薄膜厚度的常用测量方法？
提问者:周睿然
拉伸膜也称为缠绕膜，弹性薄膜或裹包薄膜，具有自粘性，是一种单面或双面有粘性可拉伸并裹紧被包装物品的塑料薄膜，并且自粘胶不会附著在被包装物品的表面，只存在于膜与膜的表面在包装过程中不需要进行热收缩处　缠绕膜也称为拉伸膜，弹性薄膜或裹包薄膜，具有自粘性，是一种单面或双面有粘性可拉伸并裹紧被包装物品的塑料薄膜，并且自粘胶不会附著在被包装物品的表面，只存在于膜与膜的表面。在包装过程中不需要进行热收缩处理，可以降低包装费用，节省能源，便于集装运输，提高物流效率。同时高透明度也便于识别被包装物品，减少配送错误。 薄膜厚度的常用测量方法 薄膜厚度测量是薄膜制造业的基础检测项目之一。薄膜其他一些性能指标都和厚度有关。很显然，倘若一批单层薄膜厚度不均匀，不但会影响到薄膜各处的拉伸强度、阻隔性等，更会影响薄膜的后续加工。对于复合薄膜，厚度的均匀性更加重要，只有整体厚度均匀，每一层树脂的厚度才可能均匀。因此，薄膜厚度是否均匀，是否与预设值一致，厚度偏差是否在指定的范围内，这些都成为薄膜是否能够具有某些特性指标的前提。 薄膜厚度测量分为在线测试与非在线测试两种，最早用于薄膜厚度测量的是非在线测厚技术。之后，随着射线技术的不断发展逐渐研制出与薄膜生产线安装在一起的在线测厚设备。上个世纪 60年代在线测厚技术就已经有了广泛的应用，现在更能够检测薄膜某一涂层的厚度。在线测厚技术与非在线测厚技术在测试原理上完全不同，在线测厚技术一般采用射线技术等非接触式测量法，非在线测厚技术一般采用机械测量法或者基于电涡流技术或电磁感应原理的测量法，也有采用光学测厚技术、超声波测厚技术的。 1. 在线测厚较为常见的在线测厚技术有β射线技术，X射线技术和近红外技术。 1.1 β射线技术 β射线技术是最先应用于在线测厚技术上的射线技术，在上世纪60年代就已经广泛用于超薄薄膜的在线厚度测量了。它对于测量物没有要求，但β传感器对温度和大气压的变化、以及薄膜上下波动敏感，设备对于辐射保护装置要求很高，而且信号源更换费用昂贵， Pm147源可用5-6年，Kr85源可用10年，更换费用均在6000美元左右。 1.2 X射线技术这种技术极少为薄膜生产线所采用。X光管寿命短，更换费用昂贵，一般可用2-3年，更换费用在5000美元左右，而且不适用于测量由多种元素构成的聚合物，信号源放射性强。X射线技术常用于钢板等单一元素的测量。 1.3 近红外技术近红外技术在在线测厚领域的应用曾受到条纹干涉现象的影响，但现在近红外技术已经突破了条纹干涉现象对于超薄薄膜厚度测量的限制，完全可以进行多层薄膜总厚度的测量，并且由于红外技术自身的特点，还可以在测量复合薄膜总厚度的同时给出每一层材料的厚度。近红外技术可用于双向拉伸薄膜、流延膜和多层共挤薄膜，信号源无放射性，设备维护难度相对较低。 1.4在线测厚能够以最快的速度获取厚度测试数据，通过数据分析，及时调整生产线的参数，缩短开车时间。但是在线测厚设备必须配备与生产线相匹配的扫描架，这在一定程度上限制了在线测厚设备的重复利用。而且由于薄膜生产线往往需要长期连续工作，因此相应的在线测厚设备也就必须长期工作。在设备的价格上，在线测试设备一般要比非在线测试设备贵很多，而且前者的运行费用与维护费用也比较高。 2. 非在线测厚非在线测厚技术主要有&接触式测量法和非接触式测量法两类，接触式测量法主要是机械测量法，非接触式测量法包括光学测量法、电涡流测量法、超声波测量法等。由于非在线测厚设备价格便宜、体积小等原因，应用领域广阔。 2.1机械测厚仪采用最传统的测厚方法，数据稳定可靠，对试样没有选择性，一般可以分为点接触式和面接触式两类，它与非接触式测厚方法有着本质的区别&&能够在进行厚度测量前给试样测量表面施加一定的压力（点接触力或面接触力），这样可以避免在使用非接触式测厚仪测量那些具有一定压缩性、表面高低不平的材料时可能出现数据波动较大的现象。机械测厚仪的测试精度主要取决于测厚元件的精度，其核心元件&&测量头及测量面对于微小的振动都十分敏感，所以在有振源的环境中测量精度没有任何意义。为了避免自身的振动，并尽可能地减少外界振动的影响，设备底座都采用重而宽的金属制成，这在一定程度上保证了测厚精度，却也给机械测厚仪的小型化和轻便化带来了一些困难。环境温度和风速同样可以影响传感器的精度，因此必须在实验室环境内使用。机械法测厚仪由于测量头与试样的接触面积不同，测量头的施力不同，施力速度不同，相同的试样（这里假设厚度均匀一致）使用不同类型的测厚仪很可能得到不同的测试结果，这主要是由于可压缩试样在不同的情况下产生的形变率往往不相同。因此，在使用机械测厚仪测试时必须严格执行所参照标准的测试条件和测试要求。 2.2 涡流测厚仪和磁性测厚仪涡流测厚仪和磁性测厚仪一般都是小型便携式设备，分别利用了电涡流原理和电磁感应原理。专用于各种特定涂层厚度的测量，用于测量薄膜、纸张的厚度时有出现误差的可能。 2.3 超声波测厚仪超声波测厚仪也多是小型便携式设备，利用超声波反射原理，可测金属、塑料、陶瓷、玻璃以及其它任何超声波良导体的厚度。可在高温下工作，这是很多其它类型的测厚仪所不具备的，但对检测试样的种类具有选择性。 2.4 光学测厚仪利用光学原理。从测试原理上来说光学测厚仪可达到极高的测试精度，但是这类测厚仪在使用及维护上要求极高：必须远离振源；严格防尘；专业操作及维护等。使用范围较窄，仅适用于复合层数较少的复合膜。 2.5非在线测厚设备的销售量要比在线测厚设备大一些，因为它的价格便宜，而且相对于在线测厚设备，非在线测厚仪器都可以比较方便的搬运移动；再有，非在线测厚设备的使用与在线测厚设备的使用并不冲突，两者可以有效配合，提高产品合格率。对于某些试样使用不同的测厚仪可能会得到不同结果，这一方面是由于各种测厚仪的测试原理差异较大，另一方面，软包材多数具有可压缩性，因此除机械测厚仪外的其它类型测厚仪往往对试样的材质具有选择性，通用性较差。 3. 软包装材料的特性常见的软包材主要是由聚合物和纸制品加工制造的。聚合物分为橡胶、纤维、和塑料三大类。橡胶的特性是在室温下弹性高，即在很小的外力作用下，能产生很大的形变；外力去除后能迅速恢复原状，弹性模数小，约为105～106N/m2。相反，纤维的弹性模数较大，约为109～1010N/m2，受力时形变较小。塑料的弹性模数约为107～108N/m2，部分形变是可逆的，也有一部分则是永久形变。这三类聚合物是很难严格划分的。例如聚氯乙稀是典型的塑料，但也可以抽成纤维，配入适量增塑剂可制成类似橡胶的软制品。通常纸张性质松软，有一定的压缩性，存在表面高低不平的情况。可见，聚合物和纸制品受力后都会产生形变，处于一种被压缩的状态，所以软包装材料一般都有一定的形变率，因此，在进行试样厚度测量时是否存在对试样测量面施加的压力将直接影响测试结果。 对于薄膜制造商而言，产品的厚度均匀性是最重要的指标之一，想要有效地控制材料厚度，厚度测试设备是必不可少的，但是具体要选择哪一类测厚设备还需根据软包材的种类、厂商对厚度均匀性的要求、以及设备的测试范围等因素而定。
回答者:文墨仓
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薄层厚度测量技术
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多数半导体器件和集成电路的主体结构，由各种形状和尺寸的薄层构成。这些薄层主要有二氧化硅、氮化硅、外延层、 掺杂扩散层、 离子注入层、金属膜和多晶硅膜等。
薄层厚度测量技术技术简介
其厚度很薄，一般在数十埃至几微米范围内。为适应各种成分和结构的薄层的测厚要求，已研制成各种测量设备。例如，采用比色法、干涉条纹法以及椭偏术等测量各种透明薄膜；采用磨角染色法、层错法、红外光反射法以及背散射技术等检验外延层厚度、扩散层和离子注入层的深度；采用间接干涉法和台阶仪等测量金属膜和多晶硅的厚度等。
薄层厚度测量技术主要方法
　　比色法 　半导体晶片上的透明介质膜受白光垂直照射时，部分光线在介质膜表面直接反射，另一部分则透过介质膜并在膜与衬底的界面反射后再透射出来。由于这两部分光束之间存在着光程差而产生光的干涉。光程差的数值取决于膜的厚度，光的相长干涉的结果就会使一定厚度的介质膜呈现出特定的颜色。这样，根据介质膜在垂直光照下的颜色就可判定出膜的厚度。通过用其他更为准确的方法所测定的厚度作为标准，已建立起颜色和厚度的详细对照表。为了避免误差，还可以设置一套标准比色样品进行对照判定。测量范围在500埃至1.5微米之间。
　干涉条纹法 　基本原理与比色法相同，采用的是单色光源和专门的干涉显微镜。测量前将样品腐蚀出一段斜面（图1a）。对于透明膜，在斜面各处所对应的厚度不同，入射光从表面与从衬底反射出来的光束之间的光程差不同，因此产生相长干涉和相消干涉，出现明暗相间的条纹。如果单色光波长为λ，且n0&n1&n2，则相应的膜厚d为式中N为在显微镜下观察到的亮条条纹数；n0、n1和n2分别为空气、薄膜和衬底的折射系数。对于不透明的薄膜，可以在样品上放一块下表面镀银的半透光平整玻璃片(图1b)。这时，干涉条纹是由膜的倾斜表面与玻璃片下表面反射的两束光干涉的结果。当观察到的亮条条纹数为N时,对应的厚度这种方法称为间接干涉条纹法。　　采用干涉条纹法测量薄层的最低厚度与精度都不足一个条纹的厚度，最佳可达0.1个条纹厚。　　磨角染色法 　此法普遍应用于外延层、扩散层和离子注入层等深度的测量中。测前先把样品固定在具有小倾角θ的金属块上，并研磨出倾角为θ的斜面（图2）。然后，把样品放在一种合适的溶液中染色，由于选择化学反应的结果，使某一区域（如PN结的P型区）出现较深的颜色。这样,就可在显微镜下观测出待测区的长度l。若θ小于1°，则斜边所对应的厚度xj=θl。此外，也可在磨角染色后,采用间接干涉条纹法测量l长度的范围内出现的亮条数计算厚度。用此法测量半导体中的异型层时（如PN结的结深），精度一般约在 0.5微米。它也能用于测量两层之间的电阻率相差很大的同型层（一个数量级以上），但精度较差。
　红外反射法 　在双极型硅器件和集成电路中，常采用重掺杂衬底上生长轻掺杂外延硅的结构（图3）。波长在 2.5微米至50微米间的红外线不仅能透过外延层，而且能在杂质浓度突变的外延层-衬底界面上发生反射。这一反射与空气-外延层界面反射的红外线之间存在着光程差和相位变化，因而形成干涉。连续改变红外光的波长即可测出周期变化的反射光的干涉强度（图4，曲线上所标数字表示相移）。若在波长λ1和λ2处形成极值的干涉强度,并且在两者之间变化m个周期，则外延层的厚度为式中n1为外延层的折射系数,对于轻掺杂的硅n1=3.42；φ21、φ22分别为波长λ1、λ2的红外线在B点反射时产生的相移。这两个相移值取决于波长和衬底的杂质浓度。此法对样品没有破坏性，可用于亚微米外延薄层的检验。
　椭偏术 　在半导体工艺中用来测量极薄透明膜厚度。当用波长为λ的单色线性偏振光以入射角φ0射向样品时(图5)，光束在界面1（空气-薄膜）与界面2（薄膜-衬底）发生反射。若把入射的线性偏振光分解为平行于入射面的p分量以及垂直于入射面的s分量,则反射光束中这两个分量的振幅比和相位差都发生变化，通常用ψ和Δ分别表征这两种量的变化。它们与膜厚的关系由下面的椭偏方程确定
式中（d为厚度,n1和n0分别为薄膜和空气的折射系数）。和分别为p分量和s分量在界面1处的费涅尔反射系数;和分别为上述两分量在界面 2处的费涅尔反射系数。它们各与两个界面的光学常数和入射角有关。采用椭偏仪（图6）可测量出φ和Δ两个参数，由计算机解上述椭偏方程以确定膜厚与薄膜的光学常数。此法具有精度高、非破坏性等优点，能测出薄达几个埃的极薄的薄层厚度。采用光度法椭偏术测试，易于实现自动化实时测量。
　傅里叶变换红外反射光谱术 　使用波长在特定范围的宽频带光源和麦克逊干涉仪。当多波长的光输入此干涉仪时，随其中动镜的位移，通过检测器由干涉电学设备中输出的干涉谱线,在x=0时的峰是由干涉仪中两条光路的程差相等时呈现的，称为中心脉冲峰（零级干涉条纹）。 其数学表示置空域函数(x)和频域函数（υ）互为傅里叶变换对。如被测样品插入光源和麦克逊干涉仪中间（图7）,干涉谱发生改变,在中心脉冲峰的对称的两侧附加了双侧脉冲（图8）。这些测脉冲的位置同膜厚有关。
　在红外波长段（2～50微米）,硅材料的光学常数随波长的变化可以忽略，因此可用来测量重掺杂硅衬底上轻掺杂的外延层厚度。所产生的干涉谱一般有畸变，须通过傅里叶变换数学特性进行处理。测试膜厚常取单侧干涉谱，但是考虑到由于膜层的反射（空气-外延层,外延层-衬底）引起的相移必须进行修正,修正后的侧脉冲最大峰的位置同膜厚有以下关系
x=n1dcosθ
式中x为侧脉冲最大峰的位置；d为膜厚；θ为入射角；n1为膜的折射系数。已知x,可得到外延层的厚度。此法同红外反射法相比，除具有多路复用等优点外，还有信噪比好(光通量大)、结构可靠、容量大、快速（20～30秒）、精密(±0.005微米)、精确（在500埃以内）以及简便等优点。若使用可见光光源时，可测量各种透明膜的厚度，这是一项较好的非破坏性测量技术。
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