常見涂層膜厚測(cè)量、簿膜厚度測(cè)量方法匯總

時(shí)間：2024-12-30作者：華檢檢測(cè)技術(shù)服務(wù)（廣州）有限公司瀏覽：252

薄膜是一種特殊的材料，由不同的物質(zhì)組成，均勻地分布在某種基底材料上。在日常生活中，薄膜技術(shù)有很多應(yīng)用。例如，它們被用于制造微電子設(shè)備，如計(jì)算機(jī)芯片；光學(xué)設(shè)備，比如鏡頭鏡；甚至是一些新型的高溫**導(dǎo)材料；材料表面防腐、導(dǎo)熱涂層（**涂層、無(wú)機(jī)涂層）亦然，在當(dāng)今材料學(xué)上有著廣泛的應(yīng)用，適宜的膜厚，對(duì)材料設(shè)計(jì)的目的，起著非常重要的參考質(zhì)量指標(biāo)。這是因?yàn)檫m宜的薄膜厚度、涂層厚度直接影響到材料的許多性能，如透光性、磁性和熱導(dǎo)性。在高科技領(lǐng)域，尤其是在制造大規(guī)模集成電路時(shí)，薄膜的厚度必須嚴(yán)格控制。哪怕是較其微小的變化，都可能導(dǎo)致電路性能的顯著差異。因此，如何精確地測(cè)量薄膜/涂層的厚度就成為了一個(gè)重要的技術(shù)挑戰(zhàn)?？茖W(xué)家和工程師必須使用特定的測(cè)量方法和儀器，以確保膜厚符合嚴(yán)格的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這種測(cè)量不僅對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制至關(guān)重要，也對(duì)科學(xué)研究中的材料特性分析較為重要。

常見的膜厚測(cè)量方法

當(dāng)測(cè)量薄膜厚度時(shí)，有兩種基本方法：直接測(cè)量和間接測(cè)量。

直接測(cè)量法就像聽起來(lái)那樣直接——它使用特定的儀器直接接觸并測(cè)量薄膜的厚度。想象一下，就像用尺子量一塊木板的厚度一樣簡(jiǎn)單。直接測(cè)量通常得到的是薄膜的實(shí)際形狀厚度。另外兩種較精確的方法是精密輪廓掃描法（也稱為臺(tái)階法）和電子顯微圖像法，后者包括使用掃描電子顯微鏡（SEM）或透射電子顯微鏡（TEM）來(lái)觀察薄膜的厚度，這些技術(shù)能提供非常詳細(xì)的薄膜結(jié)構(gòu)圖像。

間接測(cè)量法則較像是解謎游戲。它不直接測(cè)量薄膜的厚度，而是測(cè)量一些相關(guān)的物理量，然后通過(guò)計(jì)算來(lái)推算出薄膜的厚度。這種方法可以得到薄膜的質(zhì)量厚度或物性厚度，即薄膜的質(zhì)量分布或基于其物理性質(zhì)的厚度。

下面列舉幾種常見的測(cè)量技術(shù)及其原理：

1、橢圓偏振法（Ellipsometry）



原理：橢圓偏振光譜法是利用薄膜的光學(xué)特性進(jìn)行膜厚測(cè)量的非接觸間接測(cè)量方法，所測(cè)膜厚為物性膜厚。橢圓偏振法基于偏振光反射或透射時(shí)的狀態(tài)變化來(lái)測(cè)量薄膜的厚度和折射率。當(dāng)偏振光照射到薄膜表面時(shí)，反射光或透射光的偏振狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，這種變化依賴于薄膜的厚度、折射率以及入射光的偏振狀態(tài)和角度。通過(guò)分析這些變化，可以準(zhǔn)確地推導(dǎo)出薄膜的厚度。

應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、光電和材料科學(xué)領(lǐng)域，可以測(cè)量非常薄的薄膜（幾納米到幾微米）。

缺點(diǎn)：只能用于測(cè)量那些性質(zhì)在各個(gè)方向上都相同的材料；處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，這種方法相對(duì)復(fù)雜；需要樣品表面非常平整。

2、X射線反射法（X-ray Reflectivity, XRR）：



原理：X射線反射法利用X射線在材料表面和界面的反射特性來(lái)測(cè)量薄膜的厚度、密度和界面粗糙度。當(dāng)X射線以小角度入射到薄膜表面時(shí)，會(huì)在材料的各個(gè)界面上發(fā)生反射，形成干涉效應(yīng)。通過(guò)分析反射強(qiáng)度隨入射角度變化的圖像，可以得到薄膜的相關(guān)參數(shù)。

應(yīng)用：適用于測(cè)量幾納米到幾十納米的薄膜厚度，廣泛用于材料科學(xué)研究。

3、光學(xué)顯微鏡法（電鏡法）



主要工具是掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）。這兩種顯微鏡都能放大并詳細(xì)顯示物體的微小結(jié)構(gòu)，就像用放大鏡觀察指紋一樣。在實(shí)際操作中，會(huì)先用這些電子顯微鏡觀察材料的橫截面圖像，薄膜在圖像中會(huì)因?yàn)椴牧铣煞值牟煌@示出特定的視覺效果。這種視覺上的差異幫助科學(xué)家們辨認(rèn)出薄膜的具體區(qū)域。然后，他們會(huì)根據(jù)顯微鏡圖像旁的刻度尺，來(lái)測(cè)量并計(jì)算薄膜的實(shí)際厚度。通過(guò)這種方法可以得到非常精確的厚度數(shù)據(jù)，有助于改進(jìn)材料的應(yīng)用性能或理解其物理特性。

4、臺(tái)階測(cè)量法

臺(tái)階測(cè)量法是一種通過(guò)直接接觸樣品表面來(lái)測(cè)量其厚度和形態(tài)的技術(shù)，常見的代表設(shè)備有原子力顯微鏡（AFM）和臺(tái)階儀（Profilometer）。這種方法主要用于檢測(cè)樣品表面的細(xì)微變化，例如薄膜的厚度和表面的粗糙度。



在使用臺(tái)階測(cè)量法時(shí)，設(shè)備的探針（通常是非常尖銳的微米級(jí)金剛石探針）會(huì)直接觸碰到樣品的表面。探針沿著樣品表面移動(dòng)，通過(guò)感應(yīng)探針和樣品間的接觸力變化來(lái)記錄數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)反映了樣品表面的高低起伏。例如，如果樣品上有薄膜覆蓋的區(qū)域和裸露的區(qū)域，探針移動(dòng)到兩個(gè)區(qū)域之間的邊界時(shí)，會(huì)感應(yīng)到高度的變化，從而測(cè)量出薄膜的厚度。

樣品準(zhǔn)備時(shí)，需要確保薄膜的邊緣清晰，形成明顯的高低差，這樣探針在掃描時(shí)能清楚地識(shí)別并記錄這種差異。適用的材料通常是硬度較高的薄膜，對(duì)于柔軟材料，則需要使用直徑較大且較輕的探針以避免損傷樣品。

這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)包括：

快速直觀地得到薄膜厚度和表面形態(tài)的數(shù)據(jù)；

操作簡(jiǎn)單，結(jié)果直接，避免了主觀判斷的干擾；

可以處理較大面積的樣品，適合快速掃描；

測(cè)量精度高，可以達(dá)到納米級(jí)。

然而，臺(tái)階測(cè)量法也有其局限性：

探針無(wú)法檢測(cè)到比其直徑還小的細(xì)小裂縫或凹陷；

尖銳的探針可能會(huì)劃傷或損壞薄膜表面。

總的來(lái)說(shuō)，臺(tái)階測(cè)量法是一種有效且精確的方法，適用于需要表面形態(tài)分析的科研和工業(yè)應(yīng)用。

5、干涉法（光學(xué)薄膜厚儀、白光干涉薄膜厚度測(cè)量?jī)x）






干涉法通過(guò)分析由于薄膜厚度引起的光的干涉條紋，來(lái)測(cè)量薄膜的厚度。當(dāng)兩束或多束光波在薄膜上發(fā)生干涉時(shí)，產(chǎn)生的干涉圖樣會(huì)因薄膜的厚度不同而變化。

應(yīng)用：這種方法對(duì)于透明或半透明的薄膜特別有效。

6、激光測(cè)厚儀



激光位移傳感器是一種**的技術(shù)，可以精確測(cè)量物體的厚度，特別是在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)薄膜厚度。這種技術(shù)使用激光，這是一種非接觸式的測(cè)量方法，因此它可以在不影響薄膜本身的情況下進(jìn)行測(cè)量。

優(yōu)點(diǎn)：

直接測(cè)量：這種方法可以直接測(cè)量物體的厚度，不需要通過(guò)復(fù)雜的間接計(jì)算。

精確且：測(cè)量結(jié)果不會(huì)因?yàn)椴牧蟽?nèi)部的氣泡或是密度變化而受影響。

廣泛適用：這種方法不受材料成分、添加劑或顏色的影響，使其適用于多種不同的材料和場(chǎng)合。

無(wú)放射性：使用激光傳感器進(jìn)行測(cè)量，不涉及任何放射性，對(duì)操作人員和環(huán)境都非常安全。

缺點(diǎn)：

材料局限性：這種方法不太適合于非常薄的薄膜材料。

對(duì)環(huán)境敏感：測(cè)量精度可能會(huì)受到材料表面平整度的影響。

安裝要求嚴(yán)格：要求精確的安裝位置和角度，有時(shí)還需要調(diào)整光路來(lái)適應(yīng)不同的測(cè)量條件。




總的來(lái)說(shuō)，受材料波動(dòng)影響：如果被測(cè)材料在生產(chǎn)過(guò)程中有波動(dòng)，可能會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

常見的制備方法

薄膜的制備需要利用多種技術(shù)，因此不同的薄膜沉積設(shè)備也基于不同的技術(shù)原理。薄膜沉積方法主要分為物理方法和化學(xué)方法兩大類：

1.物理方法：通過(guò)熱蒸發(fā)或粒子轟擊等物理過(guò)程，將源物質(zhì)的原子轉(zhuǎn)移到襯底材料表面，形成薄膜。物理沉積方法包括物理氣相沉積（PVD）、旋涂和電鍍等。其中，PVD又細(xì)分為真空蒸鍍和濺射兩種方法。

2.化學(xué)方法：利用含有薄膜組成元素的氣態(tài)或液態(tài)反應(yīng)物，在合理的氣流下引入工藝腔室，并在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成薄膜?；瘜W(xué)沉積方法包括化學(xué)氣相沉積（CVD）和外延生長(zhǎng)等。根據(jù)不同的反應(yīng)條件（如壓強(qiáng)、溫度、反應(yīng)源等），CVD可以進(jìn)一步分為常壓CVD（APCVD）、低壓CVD（LPCVD）、等離子增強(qiáng)CVD（PECVD）、次常壓CVD（SACVD）、高密度等離子體CVD（HDP-CVD）、流體CVD（FCVD）、原子層沉積（ALD）和外延生長(zhǎng)等。

物理和化學(xué)方法可以相互補(bǔ)充。例如，物理方法主要用于沉積金屬導(dǎo)線及金屬化合物薄膜，但一般難以實(shí)現(xiàn)絕緣材料的轉(zhuǎn)移，這時(shí)化學(xué)方法可以通過(guò)不同氣體間的反應(yīng)來(lái)沉積絕緣材料。此外，部分化學(xué)方法也可用于金屬薄膜的沉積。

1、物理氣相沉積（PVD）設(shè)備主要用于沉積金屬及金屬化合物薄膜，廣泛應(yīng)用于金屬互連的籽晶層、阻擋層、硬掩膜和焊盤等。普通的真空蒸鍍和直流濺射方法只能沉積金屬或?qū)щ姳∧ぃ贿m用于絕緣體薄膜的制備。這是因?yàn)檎x子轟擊絕緣體靶材表面時(shí)，動(dòng)能傳遞給靶材表面，但正離子會(huì)在靶材表面積聚，產(chǎn)生電場(chǎng)，對(duì)射向靶材表面的離子產(chǎn)生排斥，導(dǎo)致濺射過(guò)程停止。然而，一些高頻濺射技術(shù)，例如射頻濺射，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣材料的濺射。評(píng)價(jià)PVD工藝的主要參數(shù)包括塵埃數(shù)量、形成薄膜的電阻值、均勻性、反射率、厚度和應(yīng)力等。

PVD工藝分為蒸鍍和濺射兩大類。早期以真空蒸鍍?yōu)橹?，但由于難以蒸發(fā)一些難熔金屬和氧化物材料，逐漸被濺射技術(shù)取代。隨著對(duì)薄膜性能要求的提高，濺射PVD不斷改進(jìn)，磁控濺射PVD目前應(yīng)用較廣泛。真空蒸鍍和濺射方法分別通過(guò)熱蒸發(fā)或粒子轟擊使物質(zhì)表面的原子轉(zhuǎn)移到襯底材料表面，這一過(guò)程不涉及化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)激勵(lì)源和濺射方式的不同，磁控PVD還可以分為直流濺射（DCPVD）、射頻濺射（RFPVD）、磁控濺射PVD和離子化PVD等多種類型。

2、化學(xué)氣相沉積（CVD）設(shè)備主要用于在介質(zhì)和半導(dǎo)體上沉積薄膜，廣泛應(yīng)用于層間介質(zhì)層、柵氧化層、鈍化層等工藝。CVD技術(shù)較常用于沉積絕緣介質(zhì)薄膜，包括在**工藝中用于柵氧化層、側(cè)墻、阻擋層和PMD（預(yù)金屬介質(zhì)層），以及在后端工藝中用于IMD（層間介質(zhì)層）、Barc（抗反射涂層）、阻擋層和鈍化層。此外，CVD也可以用來(lái)制備金屬薄膜，如鎢（W）薄膜。

CVD過(guò)程涉及在一定的溫度和氣壓下，通過(guò)不同分壓的多種氣態(tài)反應(yīng)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而在基底上沉積薄膜。傳統(tǒng)的CVD工藝通常用于沉積氧化物、氮化物、碳化物等化合物或多晶硅薄膜。在某些特定領(lǐng)域，薄膜生長(zhǎng)使用的外延技術(shù)也廣義上被視為CVD的一種形式。

**薄膜沉積設(shè)備市場(chǎng)高度集中，主要由歐美和日本廠商主導(dǎo)。這些廠商憑借多年的技術(shù)積累和經(jīng)驗(yàn)，占據(jù)了市場(chǎng)主導(dǎo)地位。由于薄膜沉積設(shè)備行業(yè)的技術(shù)門檻較高，海外廠商成立較早，并在薄膜種類和工藝技術(shù)方面不斷創(chuàng)新和突破，導(dǎo)致行業(yè)集中度較高。

目前，**薄膜沉積設(shè)備市場(chǎng)主要由AMAT（應(yīng)用材料公司）、LAM（泛林集團(tuán)）和TEL（東京電子）等公司。在物理氣相沉積（PVD）設(shè)備領(lǐng)域，AMAT是**的市場(chǎng)**者，占有約85%的市場(chǎng)份額；在化學(xué)氣相沉積（CVD）領(lǐng)域，AMAT、LAM和TEL三家公司的市場(chǎng)份額總和**過(guò)80%。在原子層沉積（ALD）設(shè)備領(lǐng)域，由于這是**制造工藝中的新興技術(shù)，市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)者較多，其中TEL和ASM在DRAM電容和高介電常數(shù)金屬柵較（HKMG）工藝方面率先實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

接下來(lái)簡(jiǎn)單的概述一下各類沉積設(shè)備的原理及優(yōu)缺點(diǎn)

1、物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition, PVD）

設(shè)備: 真空鍍膜機(jī)、濺射設(shè)備、蒸發(fā)源。

工藝: 包括真空蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、磁控濺射等。

優(yōu)點(diǎn): 可以獲得純度高、結(jié)晶性好的薄膜。

缺點(diǎn): 設(shè)備成本高，對(duì)設(shè)備的維護(hù)要求較高。



2、化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition, CVD）

設(shè)備: CVD爐、氣體供應(yīng)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)。

工藝: 包括熱CVD、等離子體增強(qiáng)CVD（PECVD）、激光CVD等。

優(yōu)點(diǎn): 可以在較低的溫度下制備薄膜，適用于大面積制備。

缺點(diǎn): 化學(xué)反應(yīng)可能產(chǎn)生有害副產(chǎn)品，對(duì)工藝控制的要求高。



3、分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE）

設(shè)備: 高真空系統(tǒng)、分子束源、襯底加熱器。

工藝: 在**高真空環(huán)境中，通過(guò)分子束直接沉積在加熱的襯底上。

優(yōu)點(diǎn): 可以精確控制薄膜厚度和組分，適合制備高質(zhì)量的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

缺點(diǎn): 生產(chǎn)效率較低，設(shè)備成本和運(yùn)行成本都非常高。



4、原子層沉積（Atomic Layer Deposition, ALD）

設(shè)備: ALD反應(yīng)室、氣體供應(yīng)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)。

工藝: 利用兩種或多種前驅(qū)體氣體交替吸附和反應(yīng)，以原子層精度生長(zhǎng)薄膜。

優(yōu)點(diǎn): 能夠在復(fù)雜形狀的表面上均勻沉積薄膜，厚度控制精確。

缺點(diǎn): 生長(zhǎng)速率較慢，對(duì)前驅(qū)體純度要求高。






部分資料來(lái)源于“芯系半導(dǎo)體”

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