共聚焦显微镜+透明基板上金属膜+膜厚

◆绪论　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　激光共聚焦显微镜在使用高倍镜头（如50x，视野300um□）的情况下，一般认为可以测定几十nm的高度差，而几nm则由于分辨率限制无法测量了。特别对于高度变化平缓的斜坡，如需要在1mm方块宽视野范围内进行测定时，需要获取多个图像后进行拼接，精度可能进一步受影响。

  对于上述测试需求，白光干涉是合适的解决方案：使用低倍镜头（如10x，视野1500um□）也可以测定纳米级的高度差。

  一般情况下共聚焦显微镜和干涉仪的结果在误差范围内是一致的，但对于一些样品，结论不尽然。本次，对玻璃板（BK7）上的Au薄膜样品（构造如图1）进行测定，比较激光共聚焦显微镜、光干涉、分光膜厚、原子力显微镜四种方法的测试结果。

图1

◆白光干涉vs激光共聚焦显微镜　　　

　分别制备厚约10、20、30、40nm的Au镀膜样品进行测试。

　测试结果如图2到5。 视野内左侧为Au镀膜，右侧为玻璃基板。

图2 玻璃板上的Au薄膜高度测定，设计值10um。

a) 明视野彩色图像（左：Au，右：玻璃）

b) 共聚焦显微镜结果

c) 白光干涉结果

图3 玻璃板上的Au薄膜高度测定，设计值20um。

a) 明视野彩色图像（左：Au，右：玻璃）

b) 共聚焦显微镜结果

c) 白光干涉结果

图4 玻璃板上的Au薄膜高度测定，设计值30um。

a) 明视野彩色图像（左：Au，右：玻璃）

b) 共聚焦显微镜结果

c) 白光干涉结果

图5 玻璃板上的Au薄膜高度测定，设计值40um。

a) 明视野彩色图像（左：Au，右：玻璃）

b) 共聚焦显微镜结果

c) 白光干涉结果

首先，共聚焦结果，大体上与设计值接近。其次，白光干涉结果，注意到图2与图3的数值为负，应认为是异常结果。

对数据进行分析发现，共聚焦显微镜与白光干涉结果呈很好的线性相关性。每一组测试结果，白光干涉的值都比共聚焦显微镜测试值小约28nm（如图6）。

图6

• 与分光膜厚及AFM结果比较

为验证结果的准确性，进一步用分光膜厚以及原子力显微镜的方法进行测定。得到结果如表2。

表2 四种方法的测试结果

以原子力显微镜的结果为基准，可以看出，分光膜厚的测试结果略小，差异在5nm以内。共聚焦显微镜的结果，设计值30、40nm的高度测试结果存在几nm，而10、20nm样品的结果则有10nm左右的偏差。

因而，在白光干涉、共聚焦显微镜、分光膜厚三种方法中，可认为分光膜厚最为合适，尤其对于20nm以下的样品来说。当然，AFM的测试准确性被认为是最高的，只是从测定区域面积、时间上考虑，在很多情况下难以替代另外三种方法。

• 关于白光干涉的结果异常

由表2结果可以得出结论：本次测试中白光干涉存在约30nm的系统误差。

那么，系统误差是如何出现的呢？简单来说，光干涉的测试原理，是测定反射光的相位，然后换算成高度。换算时用到的光学参数与物质特性相关，因此测量不同材质的样品时，可能出现不同程度的系统误差。

具体的，系统误差可以由理论计算得到。详细的计算方法将在后续文章中向大家介绍。

• 总结

由本次实验可以看出，对于玻璃基板上的Au薄膜高度测定，白光干涉与共聚焦显微镜会得到明显不同的结果。

光干涉测量时，当不同高度位置的样品材质不同时，其测试结果的可靠性需要留意，尽可能多角度验证。如此说来，共聚焦显微镜、白光干涉、分光膜厚的灵活组合运用是有其优势的。