表面形貌测量方法

机械探针式测量方法机械探针式测量方法是开发较早、研究最充分的一种表面轮廓测量方法。它利用机械探针接触被测表面,当探针沿被测表面移动时,被测表面的微观凹凸不平使探针上下移动,其移动量由与探针组合在一起的位移传感器测量,所测数据经适当的处理就得到了被测表面的轮廓。探针式轮廓测量是一种接触式测量,探针要在一定的压力下接触被测表面,并且为了获得较好的测量精度和较高的横向分辨率,探针半径一般都很小,这样被测表面单位面积上承受的接触压力很大。如果被测表面较为松软,探针往往会划伤被测表面,因此,探针法一般不宜用于测量铜、铝等软金属表面或涂有光刻胶等薄膜的表面。光学探针式测量方法光学探针式测量方法原理上类似于机械探针式测量方法,只不过探针是聚集光束。根据采用的光学原理不同,光学探针可分为几何光学原理型和物理光学原理型两种。几何光学探针利用像面共轭特性来检测表面形貌,有共焦显微镜和离焦检测两种方法:物理光学探针利用干涉原理通过测量程差来检测表面形貌,有外差干涉和微分干涉两种方法。外差干涉光学探针利用双光束外差干涉原理来测量被测表面的形貌。两支相干光的一束作为测量光束经显微物镜聚集在被测表面上,另一束则作为参考光束保持光程不变。通过某种方法使两支相干光的频率产生差异,从而使两束相干光的相差受时间调制。当光电探测器检测随时间变化的干涉条纹时,探测器输出电信号中的低频成分的位相就反映了干涉条纹的位相差。利用位相计测出低频信号的位相,就可高精度地测出干涉条纹的位相差,从而得到有关表面形貌的信息。微分干涉光学探针将光束分成两束相干光束并在被测表面上聚焦成两个相距很近的光斑,被测表面在这两个光斑之间的高度差决定了两束相干光的位相差,利用各种方法测出位相差,就可能获得表面形貌的信息。由于微分干涉探针采用共光路光学系统,因此具有良好的抗干扰特性,且不需要标准参考平面。但是由于微分干涉法实际测量的是表面斜率,表面形貌是通过斜率积分获得的,因而这种方法会累积误差.干涉显微测量方法干涉显微测量方法利用光波干涉原理测量表面轮廓。与探针式测量方法不同的是：它不是单个聚焦光斑式的扫描测量,而是多采样点同时测量。干涉显微测量方法根据干涉光路的结构可分为双光路和共光路两种类型。双光路型干涉显微轮廓仪根据分光方式的不同还可分为Michelson、Mirau和Linnik三种类型。Mirau干涉显微轮廓仪的原理：来自光学系统前端光路的光束经显微物镜后透过参考板,然后由分光板上的半反半透膜分成两束,一束透过分光板投射到被测面上,反射后经分光板和参考板回到显微镜。另一束被分光板反射到参考板上表面中心区域,反射后回到分光板并再次被反射,然后透过参考板回到显微镜。两束光在显微物镜视场中会合并发生干涉。Michelson干涉显微轮廓仪的原理：来自光学系统前端光路的光束经显微物镜后被分束镜分成两束,一束被参考面反射,另一束被被测面反射,两束光再次经过分束镜后会合并发生干涉。从干涉分光方式和光路结构看,Michelson干涉显微光路类似于传统的Michelson干涉仪,不同的是传统的Michelson干涉仪(包括传统的Fezeau、Twyman2Green,Mach2Zehnder干涉仪在内)是一种宏观测量,它们测量的是表面形状或表面形状误差,而Michelson干涉显微轮廓仪是一种显微放大测量,它测量的是微观区域内表面的微观结构形貌。Linnik干涉显微轮廓仪的原理：由光学系统前端光路出射的平行光经过分束棱镜后分成两路,一路经过显微物镜聚集在参考面上并被反射回显微物镜还原成平行光,另一路经过另一个显微物镜聚集在被测表面上,反射后经过显微物镜还原成平行光,两束光经过分束棱镜后重新会合并发生干涉。扫描电子显微镜扫描电子显微镜(SEM)利用聚焦得非常细的电子束作为电子探针。当探针扫描被测表面时,二次电子从被测表面激发出来,二次电子的强度与被测表面形貌有关,因此利用探测器测出二次电子的强度,便可处理出被测表面的几何形貌。SEM具有较高的纵向分辨率和横向分辨率,可分别达到10nm和2nm,但是由于SEM的有深度效果的图像是用立体观察技术和立体分析技术间接获得的,因此SEM主要用来定性观察被测表面的形貌。此外,SEM要求在真空环境下工作,要求被测表面导电,操作复杂,测量费时,这进一步限制了它的应用范围。扫描探针显微镜扫描探针显微镜(SPM)是通过探测样品与探针之间存在的各种相互作用所表现出的各种不同特性来实现测量的。依据这些特性,目前已开发出各种各样的扫描探针显微镜SPM。就测量表面形貌而言,扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)最为人们熟悉和掌握。STM的基本原理]是基于量子隧道效应,当金属探针与被测表面非常接近(几个埃)时,在探针与表面的间隙中出现隧道电流。电流强度与间隙大小有关。当探针沿被测表面移动时,驱动和控制探针上下移动使隧道电流保持不变,保证间隙锁定,那么探针上下移动量便反映了被测表面的轮廓。AFM的基本原理是基于探针与样品之间的原子相互作用力,探针置于悬臂梁上,利用光学杠杆法测出悬臂梁在原子力作用下的变形,便可测出被测表面的形貌。AFM有两种型式,一种是接触式测量,但其接触力极小,典型地为10-7到10-11N,主要由两部分组成,一部分是由各种原因(如样品表面的张力、样品表面上的电荷等)引起的样品和探针之间的吸引力,另一部分是在吸引力作用下探针沿样品表面扫描时出现的摩擦力。接触式AFM的接触力尽管很小,但在有些应用中仍是不允许的,因此又出现了一种非接触式AFM。非接触式AFM的工作原理是基于这样一种现象,即当样品表面与探针处于似接触没接触状态时,探针的振动幅度变小并同样品表面与探针之间的平均距离成正比。AFM具有极高的纵向分辨率,可达0101nm,但横向测量长度很小,仅达到10μm,因此AFM常被用来测量线条的宽度,较少用于测量表面形貌。