基于原子力显微镜的薄膜厚度检测系统

　　1　引　言

　　20世纪末,扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope, STM)[1]和原子力显微镜(atomic forcemicroscope,AFM)[2]相继问世,给人类对微观世界的研究提供了新的手段。目前,AFM广泛应用于机械学、材料学、电子学、生物学以及原子、分子操纵等领域[3]。AFM系统具有普通光学系统无法比拟的优良特性,它的分辨力可达纳米级、亚纳米级,并且可以在更广泛的情况下成像。利用这些优良特性,可以在很多领域实现其他仪器所不能实现的功能。将AFM引入薄膜厚度的检测之中,将为薄膜厚度检测提供一种精度高、操作简便的全新的方法。

　　目前各类台阶仪与光学轮廓仪[4]在薄膜厚度检测中的应用也比较广泛,但是它们都有各自的缺点。普通的台阶仪分辨力较低,某些接触式台阶仪不宜测量柔质样品。光学轮廓仪的光路由许多光学元器件构成,系统庞大,容易受外界影响,不易操作和维护。受加工工艺水平的限制,光学元器件本身的缺陷会给结果带来较大的误差,而要提高它的性能,造价则直线上升。文中的薄膜厚度检测系统结构简单,数字化、自动化程度高,操作和维护都比较容易。

　　2　工作原理

　　该薄膜厚度检测系统的核心部分就是AFM。AFM负责对样品的扫描。AFM的工作原理[5]是利用原子与原子之间的相互作用力。当微探针在纵向充分逼近样品表面时,微探针尖一端的原子和样品表面的原子之间将产生相互作用的原子力。原子力的大小与间距之间存在一定的曲线关系。如果保持间距不变,扫描方式则为等高模式;如果保持原子力不变,扫描方式则为恒力模式。步进电机和微位移平台则是该系统的重要部分,步进电机将电脉冲信号转换成角(线)位移,微位移平台承载样品并按程序设定的方式运动。

　　随着电流细分技术的发展,跟步进电机配套的微位移平移台的最小步长可以达到几百个纳米。该系统通过检测无膜区和镀膜区的高差来得到薄膜厚度。首先需要找到薄膜的边界,扫描边界的轮廓,然后再进行数据处理。该系统采用等高模式扫描,即探针不动,样品借助微位移平台移动。微位移平台每走一步,探针扫描一个点,记录信号电压值,并在完成扫描后通过软件处理这些数据。

　　3　系统设计

　　3.1　硬件部分

　　图1就是基于AFM的薄膜厚度检测系统图。

　　该系统主要包括AFM、CCD显微监测系统、PSD、数据采集卡、计算机、步进电机、步进电机驱动器、微位移平台。

　　CCD显微监测系统的使用,是为了监控针尖对样品表面的逼近过程,并选择合适的扫描区域,使扫描区域尽可能接近薄膜边界。