台阶仪测试薄膜厚度实验
台阶仪测量膜厚原理
台阶仪测量膜厚原理在工程应用中，常常需要对薄膜进行测量，这是因为薄膜的厚度直接决定了其性能和特性。
因此，准确地测量薄膜厚度非常重要。
而台阶仪是目前最常用的一种膜厚测量仪器，下面我们就来了解一下台阶仪测量膜厚的原理。
1. 测量原理首先，需要了解一下薄膜的厚度测量方法。
目前，常用的薄膜测量方法有厚度计法、光学表面法、电学法等。
然而，相比这些方法，台阶仪方法具有以下优势：（1）具有较高的分辨率和测量精度，可达到1纳米级；（2）适用于非常薄的薄膜（1nm-1um）；（3）可针对非导电性材料进行膜厚测量。
那么，台阶仪的膜厚测量原理是什么呢？台阶仪膜厚测量的基本原理是利用Sagnac干涉仪和紫外线激光共同工作对薄膜的厚度进行测量。
Sagnac干涉仪用于指示台阶仪底座的角度，紫外线激光则发射向薄膜表面的光束。
当光线照射在薄膜表面时，一部分光线被反射，一部分光线穿透到膜下面。
在穿透反射过程中，膜表面和衬底之间形成了一段被称为Fabry-Perot铅垂常分明带（Airy带）的光程。
Fabry-Perot与Airy带的间距取决于膜的厚度和膜的折射率等参数。
接着，干涉仪接收到反射光和穿透衬底反射光的信号，计算干涉条纹并把他们转换为一个电子数字信号。
随后，通过Sagnac干涉仪的角度测量，台阶仪就可以准确地测量出膜厚了。
2. 物理基础对于这种原理，需要有一些必要的物理基础知识才能理解。
（1）慢光：当光通过介质，其传播速度降低，称作慢光。
根据频率和波长的变化，光在不同的介质中呈现出不同的传播速度。
（2）线性波导：又称平面波导，它是用来在介质中传输光的结构，根据电磁学理论，它可使光束存在于一个固定的模振荡中。
（3）布拉格反射镜：布拉格反射镜是一种反射器，它通过反射光回到光源，产生干涉条纹的效应。
（4）Sagnac干涉仪：Sagnac干涉仪利用了光在旋转坐标系下的特殊性质，将一个光束分为坐标系的两条路径，然后合并并使其产生回心干涉，包括会通过一个方向旋转的晶体来实现。
实验2.12利用白光干涉测定薄膜厚度测量
随着信息产业的发展，光学薄膜的需求不断增大，对器件特性的要求也越来越高。物 理厚度是薄膜最基本的参数之一，它会影响整个器件的最终性能，因此快速而精确地测量薄 膜厚度具有重要的意义。台阶仪是常用的厚度测试方法，然而它需要在样品上制作台阶，并 且测试中机械探针与样品接触，会对一些软膜的表面造成损伤，因而非破坏的光学手段是更 为理想的方法。
其中 a exp （- 4id / ）
此公式是在待测薄膜层的吸收较小的情况下推出的。r (n n0 ) /(n n0 ) ,如果精确计
算 ，n 应用 来代替。在吸收很小的情况下，其对计算结果的影响很小，并最后能得到方
程(2)，由于薄膜在吸收很小的区域，n、k 的变化不是很大，所以方程的极大和极小值出现 在
1、如图 3 所示，将 Y 型光纤一端标有光源的光纤与光纤光源连接。将标有光谱仪的一 端与光纤光谱仪连接。将探测端与薄膜测厚支架连接，并固定稳定。
图 3 实验原理图
2、软件安装后，按
可以开始测量。
3、保存参考光谱：取一块待测，未镀膜的光学基底，放置于光纤探测端下方，调整适
当的探测高度约 10mm，CCD 积分时间
如图 1 所示，在折射率为 n1 的基板上镀有复数折射率为 厚度为 d 的一层薄膜，放在
折射率为 n0 的空间。假定薄膜的复数折射率 n1 ik ，当一束光以幅度 A 从 n0 空间 垂直入射( 0 )到膜表面时(为便于分析，图中入射光有一定角度，实际测量中此角度一
般很小，对测量的影响可以忽略不 计)，由于多次反射，在膜上表面有一系列的反射光，它 们的幅 度分别为 A 、A 、A3⋯⋯
长的变化曲线就能够测量出来，这样可以根据每一波长计算出 k。 注意事项
光学干涉式薄膜测厚仪校准实验报告
光学干涉式薄膜测厚仪校准实验报告
一、实验目的
1.学习和掌握光学干涉原理；
2.掌握光学干涉式薄膜测厚仪的原理和使用方法；
3.进行仪器的校准，提高仪器测量的准确度。
二、实验原理
光学干涉是指两个或多个光波相互叠加产生干涉现象的一种现象。
光
学干涉式薄膜测厚仪利用光学干涉的原理测量薄膜的厚度。
实验中采用的光学干涉式薄膜测厚仪由垂直光路、干涉极图、样品台、白光光源、透射镜等部分组成。
通过调节透射镜的位置，使得从样品反射
回来的光波与从与反射过程不同的路径传播的参考光波相干叠加，形成干
涉条纹。
通过观察干涉条纹的变化，可以计算出样品的厚度。
三、实验步骤
1.打开薄膜测厚仪的电源，确保仪器工作正常；
2.调整样品台的位置，使其水平；
3.打开白光光源，调整透射镜的位置，使观察到清晰的干涉条纹；
4.测量参考膜的厚度：将已知厚度的参考膜放置在样品台上，点击仪
器上的测量按钮进行测量，记录测得的厚度数值；
5.测量待测薄膜的厚度：将待测薄膜放置在样品台上，点击测量按钮
进行测量，记录测得的厚度数值；
6.重复以上步骤，每次测量结束后将透射镜向后移动一段距离，并进行测量，得到多个数据；
7.根据测得的数据进行分析，并计算出薄膜的平均厚度。
四、实验结果与分析
通过一系列的测量，得到了多个待测薄膜的厚度数据。
将这些数据进行平均，得到最终的测量结果。
同时，还可根据测量数据绘制出厚度与测量次数之间的关系图，通过分析图像的变化趋势，可以判断出测量的准确度。
五、实验总结。
薄膜厚度的测量
薄膜厚度的测量——台阶仪安装操作说明一、台阶仪的安装1、硬件的安装1）打开电脑机箱盖，将台阶仪自带的电视卡插入PCI扩展槽，插好后将电脑机箱盖合上;2)接上台阶仪电源线，将台阶仪上的USB线和视频线与电脑箱连接；2、软件的安装1）打开电脑机箱和显示器，将台阶仪自带的光盘插入电脑光驱； 2）将光盘上所有的内容都复制到电脑C盘根目录下；3）安装光盘中的两个驱动程序，安装完成后重启计算机;4）计算机重启后将拷入C盘中的注册表文件导入，导入成功后将台阶仪操作软件图标发送到桌面；二、台阶仪的操作1、台阶仪的标定1）打开电脑机箱和显示器，打开台阶仪电源，等待10秒后将电脑桌面上的操作软件打开，几秒后自动弹出两个对话框，点击确认后进入操作界面；2）拿出标定用的标准样品，拿出样品后立即合上盒盖，防止灰尘进入；3）打开台阶仪保护盖，将标准样品贴紧样品台滑到台中央；4）调节样品台位置，使标样在探针正下方；5）点击操作软件上的“Setup”按键，设置扫描参数，将Speed设置为0.07mm/sec，Length设置为0.6mm，Range设置为10microns，Stylus Force设置为1mg，Filter Level设置为4，点击OK进行确认； 6）点击Engage，观察标准样品与探针所处的位置，如果样品台阶中央不在探针下方，点击Z+将探针升高，通过调节样品台使标准样品处于探针的正下方，合上保护盖，点击Engage，继续观察标准样品与探针的位置，如此反复操作，直到标准样品的台阶在探针的正下方；7）点击Scan，并点击确认扫描对话框，台阶仪自动进行扫描，扫描结束后，探针自动复位，测出的数据会自动弹出来；8）用鼠标引动R,M光标，（R为参照光标，M为测量光标）到台阶的两侧，点击Level Date将台阶的曲线调平；9）在曲线图窗口中点击鼠标右键，选择Size Cursors，将R,M光标线进行展开到适合宽度，然后点击鼠标右键将M光标移动到台阶上，窗口的右上角就会显示出台阶的平均高度；10）重复7-9的步骤，反复测量几次，带测量数据稳定后，在曲线图窗口点击右键，选择Calibrate Height，在弹出的对话框中填写1063Å，点击确定；11）重复7-9的步骤，将测量出的台阶数据和标准样品给出的数据对比，一般来说只有几个Å的差别；12）台阶仪标定完成；2、台阶仪的测量操作1）打开电脑机箱和显示器，打开台阶仪电源，等待10秒后将电脑桌面上的操作软件打开，几秒后自动弹出两个对话框，点击确认后进入操作界面；2）打开太介意保护盖，将样品贴紧样品台滑到台中央；3）点击点击Engage，观察标准样品与探针所处的位置，如果样品台阶中央不在探针下方，点击Z+将探针升高，通过调节样品台使标准样品处于探针的正下方，合上保护盖，点击Engage，继续观察标准样品与探针的位置，如此反复操作，直到标准样品的台阶在探针的正下方；4）点击Scan，并点击确认扫描对话框，台阶仪自动进行扫描，扫描结束后，探针自动复位，测出的数据会自动弹出来；5）用鼠标引动R,M光标，（R为参照光标，M为测量光标）到台阶的两侧，点击Level Date将台阶的曲线调平；6）在曲线图窗口中点击鼠标右键，选择Size Cursors，将R,M光标线进行展开到适合宽度，然后点击鼠标右键将M光标移动到台阶上，窗口的右上角就会显示出台阶的平均高度；7）如果对数据还要进行其他分析，继续在分析中操作，具体的粗糙度、薄膜内应力的分析步骤见后面详细说明；8）关闭分析软件窗口后，返回操作界面，点击Z+，将探针升起； 9）打开保护盖，调节样品台将样品滑出，然后放入下一个样品，用上面的步骤进行测量；10）测试完毕后，点击Z+将探针升到顶端，关闭测试软件，关闭台阶仪电源，关闭电脑。
薄膜厚度和消光系数的透射光谱测量方法
262薄膜厚度和消光系数的透射光谱测量方法项目完成单位：国家建筑材料测试中心 项目完成人：刘元新鲍亚楠 孙宏娟 王廷籍摘 要 本文提出薄膜厚度和消光系数的标准曲线测量法，论述了方法的测量原理和测量程序。
该法的膜厚的测量范围为~80nm 到2000nm ；膜厚的测量误差大约为±13nm 。
关键词 薄膜、厚度、消光自洁净玻璃的自洁净性能、低幅射玻璃的低幅射性能都与其膜层的厚度、折射率和消光系数有着密切的关系[1]。
近代微电子学装置，如成像传感器、太阳能电池、薄膜器件等都需要这些参数[2] 。
这些参数的数据是薄膜材料、薄膜器件设计的必不可少的基础性数据。
通常都是单独测量这些参数，薄膜厚度用原子力显微镜、石英震荡器、台阶仪、椭偏仪、干涉法来测量。
薄膜折射率的测量就比较麻烦，因为它是波长的函数，它可以用基于干涉、反射原理的方法测量。
从薄膜的吸收谱就可测量其消光系数。
显然，取得这些数据是很麻烦、很费时、成本也很高，特别是对于纳米级薄膜。
2000年，美国Princeton 等大学提出[2] ，从物理角度建立透射光谱模型，调整模型中的未知的参数，即薄膜厚度、折射率、消光系数，使透射光谱的理论曲线同实验曲线重合，这就同时取得薄膜的厚度、折射率、消光系数等数据。
他们用这种方法同时测量了“玻璃-薄膜” 系统的薄膜的厚度、折射率、消光系数等数据。
显然，这是取得这些数据的简便、快速、低成本的方法，是这领域的一个发展趋势。
镀膜玻璃的透射光谱既包含玻璃参数的信息，也包含薄膜参数的信息，如果能从中解析出薄膜参数的信息，也就得到了薄膜参数的测量值，这就是透过光谱法测量薄膜参数的基本思路。
本文基于这个基本思路提出测量薄膜参数的另一方法，姑且称为标准曲线法，方法的原理是基于这样的实验现象，即薄膜的吸收越强，镀膜玻璃的透过率越低；在薄膜吸收的光谱区内，薄膜越厚，镀膜玻璃的透过率也越低；这就是说，镀膜玻璃在指定波长λ处的透过率T 是薄膜厚度t 和薄膜消光系数κ的函数，),,(λκt T T =但镀膜玻璃透过率和薄膜参数有什么函数关系？这就是本文要研究的问题。
薄膜测厚仪操作规程
薄膜测厚仪操作规程
《薄膜测厚仪操作规程》
一、设备检查
1. 确保薄膜测厚仪处于稳定的工作状态。
2. 检查仪器表面是否有灰尘或污垢，保持清洁。
3. 检查探头是否完好，无损坏或变形现象。
二、开机准备
1. 按下电源开关，等待仪器启动。
2. 确认显示屏正常显示，无异常警报。
3. 调节仪器至待测薄膜材料所需的工作模式和参数。
三、样品准备
1. 将待测薄膜样品放置于测厚仪的测试台上。
2. 调整样品位置，保证样品与探头接触良好。
四、测量操作
1. 操作人员穿戴防静电服装，静电灭菌工作台上工作。
2. 按下测量按钮，开始测量薄膜的厚度。
3. 等待测量结果显示并记录。
五、数据处理
1. 将测得的数据保存在指定的数据文件夹中。
2. 对测得的数据进行分析和处理，生成测量报告。
六、关机及清洁
1. 操作完成后，按下电源按钮，关闭薄膜测厚仪。
2. 用清洁布擦拭仪器表面，保持仪器清洁。
3. 将探头等部件放置在指定的储存位置，并注意保护。
七、安全操作
1. 使用薄膜测厚仪时，必须穿戴防静电服装，并在防静电工作台上操作。
2. 严格按照操作规程进行操作，确保个人安全和设备安全。
3. 若发现异常情况，应立即停止使用，并通知相关维修人员进行处理。
以上即是《薄膜测厚仪操作规程》，希望操作人员能严格按照规程进行操作，确保测量结果的精准和设备的长期稳定运行。
薄膜厚度与光学常数的测量
薄膜厚度与光学常数的测量一、实验目的了解薄膜厚度测量的主要测量原理和方法以及流程，掌握Filmetrics膜厚测试仪的测试原理，操作流程，特点及注意事项。
二、实验原理在现代科学技术中，薄膜已有广泛的应用。
薄膜厚度是薄膜性能参数的重要指标，薄膜厚度是否均匀一致是检测薄膜各项性能的基础。
目前，两类主要的薄膜测量是基于光学和探针的方法。
探针法测量厚度及粗糙度是通过监测精细探针划过薄膜表面时的偏移。
探针法在测量速度和精度上受限，并且测量厚度时需要在薄膜里作一个“台阶”。
探针法通常是测量不透明薄膜（例如金属）的首选方法。
光学法是通过测量光与薄膜如何相互作用来检测薄膜的特性。
光学法可以测量薄膜的厚度、粗糙度及光学参量。
光学参量是用来描述光如何通过一种物质进行传播和反射的。
一旦得知光学参量，就可以同其它重要参量（例如成分及能带）联系起来。
两类最常用的光学测量法是反射光谱法及椭圆偏光法。
反射光谱法是让光正（垂直）入射到样品表面，测量被薄膜表面反射回来的一定波长范围的光。
椭圆偏光法测量的是非垂直入射光的反射光及光的两种不同偏振态。
一般而言，反射光谱法比椭圆偏光法更简单和经济，但它只限于测量较不复杂的结构。
Filmetrics膜厚测试仪采用的是反射光谱法的原理，可测量薄膜的厚度及光学常数。
反射光谱包含了样品的反射率，膜层厚度，膜层和基底的折射率与消光系数的信息。
光学参量（n和k）描述了光通过薄膜如何进行传播。
n是折射率，描述了光在材料中能传播多快，同时它表示入射角i与折射角r的关系。
k是消光系数，决定材料能吸收多少光。
n与k是随着波长的变化而变化的。
这种依赖关系被称为色散。
不同波长的光波在穿透被测膜层时会产生不同的相位差，由被测膜层的厚度与n，k值决定各个波长的光所产生的相位差，相位差为波长整数倍时，产生建设性叠加，此时反射率最大；相位差为半波长时，出现破坏性叠加，反射率最低；整数倍与半波长之间的叠加，反射率介于最大与最小反射之间，这样就形成了干涉图形。
台阶仪测试薄膜厚度实验
台阶仪测试薄膜厚度实验一、实验目的：掌握测试薄膜厚度原理和方法，了解台阶仪操作技术。
二、实验原理：LVDT是线性差动变压器的缩写，为机电转换器的一种。
利用细探针扫描样品表面，当检测到一个高度差别则探针做上下起伏之变化，此变化在仪器内部的螺旋管先圈内造成磁通量的变化，再有内部电子电路转换成电压讯号，进而求出膜厚。
LVDT线性位置感应器，可测量的位移量小到几万分之一英寸至几英寸。
LVDT的工作原理是由振荡器产生一高频的参考电磁场，并内建一支可动的铁磁主轴以及两组感应线圈，当主轴移动造成强度改变由感应线圈感应出两电压值，相比较后即可推算出移动量。
三、操作流程1 打开电脑，开台阶仪电源，等待10秒后打开操作软件。
2 打开台阶仪保护盖，小心放入样品。
3 点击Engage,观察样品与探针所在位置。
4 点击Z+将探针升起，将样品调到适当位置。
5 点击Scan，进行扫描。
6 分析数据。
7 点击Z+将探针升到顶端。
8 取出样品，关闭保护盖。
9 关闭操作软件，关闭台阶仪电源，关闭电脑。
四、注意事项1 待测样品要经过严格的送样登记、测试、记录程序，不明样品不得测试。
2 测试前，用洗耳球吹扫样品表面，把灰尘等东西从样品表面吹扫干净，保证样品的洁净度；吹扫时，洗耳球的尖端不能接触样品表面，防止破坏样品。
3 接通电源，依次打开电脑开机按钮，显示器按钮，台阶仪电源按钮，要等待一定时间（约10秒）后，待数据信息接通后，将电脑桌面上的操作软件XP打开，不应马上打开软件进行测试。
4 样品放置时，要保证样品在样品台上平稳放置，放置时要横平竖直，所要测试的台阶的位置靠近探针针尖的垂直位置。
5 在探针降落到样品表面的过程中，先使用Engage按钮落针，此过程尽量不使用Z-。
如探针距离样品很远，Engage使用弹出警告的情况下才使用Z-按钮；具体操作时，点击1-2下Z-键，再使用Engage按钮让探针下落。
如果再次出现警告，则再点击Z-按钮，再使用Engage按钮落针，确保针尖安全。
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东南大学材料科学与工程
实验报告
学生姓名班级学号实验日期2014.9.5 批改教师
课程名称电子信息材料专业方向大型实验批改日期
实验名称台阶仪测试薄膜厚度实验报告成绩
一、实验目的：
掌握测试薄膜厚度原理和方法，了解台阶仪操作技术。
二、实验原理：
LVDT是线性差动变压器的缩写，为机电转换器的一种。
利用细探针扫描样品表面，当检测到一个高度差别则探针做上下起伏之变化，此变化在仪器内部的螺旋管先圈内造成磁通量的变化，再有内部电子电路转换成电压讯号，进而求出膜厚。
LVDT线性位置感应器，可测量的位移量小到几万分之一英寸至几英寸。
LVDT的工作原理是由振荡器产生一高频的参考电磁场，并内建一支可动的铁磁主轴以及两组感应线圈，当主轴移动造成强度改变由感应线圈感应出两电压值，相比较后即可推算出移动量。
三、实验步骤：
（1）开机准备
（2）放置样品
（3）参数设置
（4）扫描结果分析
（5）数据保存
四、实验内容：
Si基底上沉积金属Cr薄膜的厚度的测量
五、实验结果与分析：
样品：硅片上镀铬薄膜；
实验参数：长度1000μm；持续时间40s；针压力3mg；表面轮廓是Hills and Valleys.
由实验曲线及数据，可得薄膜厚度约为（868.8-617.0）=251.8μm。
六、思考题：
1、对于用台阶仪对非完美薄膜的厚度测量，Step Hight的M和R Cursor点
的选择？
两个点分别选在图线中的拐点处，这样倾斜的曲线会水平，比较容易得到薄膜的厚度
2、怎么样才能得到一个比较shape的台阶？
在制备时在衬底上覆盖一个形状规则比如长方形的陪片，且覆盖片要尽量薄，边缘应整齐，这样产生的台阶才会陡峭，方便测量。