[发明专利]一种检测薄膜厚度的方法及装置

说明书

本发明公开了一种检测薄膜厚度的方法及装置，所述方法包括以下步骤：将相同能量和强度的电子束投射在参比样品和待测样品上，激发样品发出X射线荧光；采集得到两样品中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度；根据两所述强度的比值与薄膜厚度的关系式计算得到所述薄膜的厚度；当采用空白衬底作为参比样品，则采集衬底中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度；当采用与薄膜同材质的块体标样作为参比样品，则采集薄膜中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度。本发明可以通过调节入射电子束能量和角度以适应0.1nm‑100mm大范围内的厚度测量。

技术领域

本发明涉及薄膜检测技术领域，尤其涉及一种适于检测纳米级薄膜厚度的方法及装置。

背景技术

薄膜已经被广泛应用于光电器件，其厚度是一个重要的参数，对器件的光电性能有重要的影响。再者由于光电薄膜制作成本高，因此要求测量必须是无损的。无损测量薄膜厚度的方法有很多，如光学干涉法，X射线荧光光谱法，椭偏仪法，光电子能谱和俄歇电子能谱法、石英晶体振荡器法、小角X射线衍射法和高分辨X衍射摇摆曲线法等。

光学干涉法只适用于10nm以上厚度的测量，而且要求薄膜有足够好的透光度及很高的平整度。基于X射线激发的X射线荧光法只能测量厚度10nm以上的薄膜厚度，而且一般只能测量含有较大原子序数(如13，铝)的薄膜。椭偏仪法虽然可测1nm甚至更小厚度薄膜的厚度，但是一般不适合测量金属和合金薄膜及其他不透光的膜。光电子能谱和俄歇电子能谱也能获得材料表面的信息，但是只能获得表面1nm量级内的元素分布信息，更深层的信息要配合氩离子刻蚀进行深度剖析。石英晶体振荡器法可以测量很薄的膜厚，但是只能在沉积过程中原位监控，无法对已经沉积的膜进行测量。小角X射线衍射法和高分辨X衍射摇摆曲线法可以无损测量薄膜的厚度，但是要求样品表面原子级平滑。

如CN107607051A公开了一种膜厚检测装置，包括：激光光源、光学镜组以及图像接收器；其中，所述光学镜组，用于接收所述激光光源出射的激光，生成第一光束和至少两次透过待测薄膜的第二光束，使所述第一光束与所述第二光束发生干涉；所述图像接收器，用于接收干涉光并确定干涉信息，根据所述干涉信息确定薄膜的厚度。

又如CN103994736A一种无损检测复合膜表面功能层厚度的方法，包括如下步骤：将样品放置于样品室；将不同能量的正电子分别入射至薄膜发生湮没并分别搜集湮没产生的伽马射线能谱；根据伽马能谱计算正电子湮没参数；根据正电子湮没参数与入射正电子能量的关系，可拟合计算薄膜厚度。

CN107076687A公开了一种荧光X射线分析装置，在该荧光X射线分析装置中，对试样照射一次X射线，该试样通过将单层或多层的薄膜形成于基板上的方式形成或单独地形成，根据所产生的二次X射线的测定强度，通过基本参数法，求出上述薄膜的组成和/或厚度的定量值。

发明内容

本发明提供了一种适于测量纳米级薄膜厚度的无损检测方法。

一种检测薄膜厚度的方法，所述薄膜沉积在衬底上，所述检测方法包括以下步骤：将将相同能量和强度的电子束投射在参比样品和待测样品上，激发样品发出X射线荧光；采集得到两样品中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度；根据两所述强度的比值与薄膜厚度的关系式计算得到所述薄膜的厚度。

当采用空白衬底作为参比样品，则采集衬底中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度；

当采用与薄膜同材质的块体标样或厚膜样品作为参比样品，则采集薄膜中靶元素对应的X射线荧光特征能量的强度。

当电子束入射到样品上时，会激发样品发出X射线荧光，分析X射线荧光的能量分布即可获得样品成分的信息，此即扫描电子显微镜的EDS功能。一般而言，常规EDS分析时，因入射电子束能量较高，出射的X射线荧光的能量较大，两者在固体中的衰减均较小，即电子束的透入厚度和X射线荧光的出射深度均较大，因此一般认为EDS是体分析工具，并不适合表面分析，特别是纳米级厚度薄膜的测量。