Тонкоплёночные материалы благодаря своим уникальным физическим, химическим и биологическим свойствам находят широкое применение в таких областях, как электроника, оптика, энергетика и охрана окружающей среды. Толщина пленки является одним из ключевых факторов, влияющих на её свойства; поэтому точное измерение толщины пленки имеет важное значение для исследований, разработки и практического применения тонкоплёночных материалов. В настоящее время существует множество методов измерения толщины тонких пленок, включая оптический метод, эллипсометрию, метод кварцевой микровесовой балансировки и др. В данной статье основное внимание уделено методу определения толщины пленки с использованием ступенчатого профилометра, который отличается простотой эксплуатации и высокой точностью измерений.

I. Принцип работы прибора для измерения ступеней

Ступенчатый профилометр — это прибор, использующий оптические принципы для измерения рельефа и размеров поверхности объекта. Он направляет пучок лазерного излучения перпендикулярно к исследуемой поверхности; за счёт изменения угла отражения луча, обусловленного неровностями поверхности, формируется информация о трёхмерном рельефе. При измерении толщины тонких плёнок лазерный луч ступенчатого профилометра фокусируют на границе между плёнкой и подложкой; измеряя вертикальное расстояние между поверхностями плёнки и подложки, можно определить толщину плёнки.

II. Этапы тестирования

1. Подготовка образцов

Для обеспечения точности результатов испытаний прежде всего необходимо подготовить образцы плёнок. Образцы плёнок следует закрепить на образцетвердителе, убедившись, что поверхность плёнки ровная и не имеет складок. Для плёнок значительной толщины можно использовать алмазный резец для нарезки их на куски подходящего размера.
 

2. Калибровка оборудования

Перед проведением измерений необходимо выполнить калибровку ступенчатого прибора. Сначала разместите на образцовой платформе эталонный образец (образец с известной толщиной) и отрегулируйте лазерный луч так, чтобы он падал перпендикулярно на поверхность эталонного образца. Затем, изменяя фокусное расстояние, добейтесь образования чёткого фокуса лазерного луча на поверхности эталонного образца. В этот момент зафиксируйте значение толщины, отображаемое прибором, и сравните его с фактической толщиной эталонного образца, вычислив тем самым погрешность измерения. На основании полученной погрешности скорректируйте параметры прибора до тех пор, пока она не окажется в допустимых пределах.

3. Настройка параметров тестирования

В зависимости от толщины плёнки и её поверхностных свойств устанавливаются соответствующие параметры измерений. К основным относятся длина волны лазерного луча, размер пятна и скорость сканирования. Как правило, длину волны лазерного луча следует выбирать таким образом, чтобы она соответствовала оптическим характеристикам материала плёнки и подложки; размер пятна должен быть меньше толщины плёнки, что обеспечивает необходимую точность измерений; а скорость сканирования должна быть достаточной, чтобы в пределах области сканирования было получено достаточно много точек данных, одновременно избегая слишком высокой скорости, которая может привести к недостаточному сбору данных.

4. Тестирование и сбор данных
Разместите образец тонкой плёнки на столе нано‑сканирующего профилометра и настройте лазерный луч так, чтобы он падал перпендикулярно на поверхность плёнки. Запустите прибор и выполните сканирующее измерение. В ходе измерения устройство автоматически фиксирует вертикальное расстояние между поверхностью плёнки и поверхностью подложки — то есть толщину плёнки. Для повышения точности результатов можно произвести несколько измерений в одной и той же точке и затем вычислить среднее значение.

3. Обработка данных

1. Сглаживание данных

Во время измерений на данные могут оказывать влияние как внешние факторы, так и сама измерительная аппаратура, что приводит к определённым колебаниям. Чтобы уменьшить эти колебания, можно применять методы сглаживания измеренных данных. К наиболее распространённым методам сглаживания относятся скользящее среднее и фильтр Гаусса.

2. Анализ данных

На основе измеренных данных рассчитываются такие параметры, как средняя толщина плёнки, её максимальная и минимальная толщины. Одновременно можно построить график распределения толщины плёнки и оценить её однородность. В случае неравномерной толщины плёнки можно дополнительно проанализировать причины этого явления, что послужит основой для оптимизации технологии её получения.

IV. Меры предосторожности

1. Избегайте загрязнения образцов

Во время проведения испытаний следует по возможности исключить загрязнение образцов. Рабочий стол и зажимы должны оставаться чистыми; избегайте прямого касания поверхности образца руками. При замене образцов можно протирать рабочий стол безворсовой салфеткой или нетканым материалом, чтобы уменьшить риск загрязнения.

2. Предотвращение повреждения образцов

Во время настройки фокусного расстояния и сканирования следует избегать повреждения образца лазерным лучом. Особенно при работе с тонкими плёнками необходимо уменьшать мощность лазерного луча, чтобы предотвратить их разрушение.

3. Калибровка прибора

Для обеспечения точности результатов измерений следует регулярно проводить калибровку ступенчатого прибора. В ходе калибровки можно использовать эталонные образцы для проверки, чтобы убедиться, что погрешность измерений находится в допустимых пределах.

В заключение в данной статье представлен метод определения толщины тонких плёнок с использованием ступенчатого профилометра, охватывающий принципы измерения, последовательность проведения эксперимента, обработку данных и ряд важных замечаний. Этот метод отличается простотой выполнения и высокой точностью измерений, что делает его полезным для исследований и практического применения в соответствующих областях. В реальных условиях следует подбирать оптимальные параметры измерений с учётом свойств материала плёнки и подложки, а также принимать меры по предотвращению загрязнения и повреждения образцов, чтобы обеспечить достоверность полученных результатов.

Полуавтоматический ступенчатый прибор Zeyou Technology JS100A

Компания «Аньхой Цзэюй Технологии» — это научно‑инструментальная фирма, обладающая полностью самостоятельными правами интеллектуальной собственности. С начала 1990‑х годов, когда компания приступила к разработке электронных микроскопов и сопутствующего оборудования, её исследовательская команда неизменно стремится предоставлять высококачественные приборы для нанонаучных исследований. В настоящее время в компании работают… Пико Фемто Серия Система измерений в режиме in situ с использованием ТЭМ 、 Система измерений СЭМ в нативном состоянии 、 Настольный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM 、 Ступенчатый измеритель серии JS 、 Нано‑пьезо‑столик 、 Станок для переноса двумерных материалов 、 Пробоночная платформа и низкотемпературная система 、 Линейка с датчиком линейного перемещения Ряд продуктовых линеек, включая …, пользуется широким признанием как на внутреннем, так и на международном рынках, заполняя многочисленные пробелы в отечественной сфере научно‑измерительных приборов.