文章來源：芯云知

原文作者：金末

膜厚測試在MEMS制造工藝中至關重要，它不僅關乎工藝質量，更直接影響著最終成品的性能。為了確保每一片MEMS器件的卓越品質，精確測量薄膜厚度是不可或缺的一環。

MEMS工藝過程中常常需要用到一些非破壞性的測試方法來表征當前工藝下的完成情況，以此判定工藝是否滿足設計要求，它是MEMS工藝監控的重要環節。本文介紹的是膜厚測試。

鍍膜是MEMS制造工藝過程中三板斧之一。根據MEMS器件加工工藝需求，需要制作各種不同厚度的薄膜，薄膜厚度對工藝質量、最后成型的器件性質有至關重要的影響。因此，膜厚測試也是MEMS制造工藝過程中最重要的表征。根據薄膜的性質及其厚度的大致范圍，可選擇不同原理的精密測量儀器對膜厚進行測量。如果所選測量原理不適合，可能會導致薄膜厚度測量不準確，而且有可能損傷薄膜，改變其性質，此類結果均會對后續的加工工藝產生很大影響,最終影響到所制作MEMS器件的性能。所以合理地選擇薄膜厚度的測量原理和測量儀器十分重要。

膜厚測試設備有輪廓儀、橢偏儀、膜厚儀、原子力顯微鏡和臺階儀。

輪廓儀

輪廓儀是以白光干涉技術為原理，對樣品進行二維、三維形貌掃描，進而測量表面高度形貌，一般用于測量高低差值30nm以上樣品。光學輪廓儀是非接觸式測試，在測試過程中不會損傷樣品表面；樣品高度小于4cm；待測樣品需要具備能夠形成干涉條紋等特征(表面不能太粗糙，樣品不能是全白或者全黑，會吸光導致不能形成干涉條紋。輪廓儀對100nm以下的透明薄膜分析精度較差。

圖 輪廓儀輸出渲染形貌圖

反射式膜厚儀

白光反射光譜是測量從單層薄膜或多層薄膜堆疊結構的一個波長范圍內的反射量，入射光垂直于樣品表面，由于界面干涉產生的反射光譜被用來計算確定 (透明或部分透明或完全反射基板上) 薄膜的厚度。理論上來說，只有透明或半透明材料制成的薄膜才可被光波穿透，從而可用薄膜厚度測量儀來進行測量。但是一些不透光材料，如金屬在某種情況下也能測量，當金屬膜僅有幾百納米甚至是幾納米薄的情況下，也能被部分光波穿透，這時就能精確測量出膜的厚度。在MEMS制造工藝中，最大的優勢是測試從Si基底上的Si3N4/SiO2堆疊反射光譜，通過擬合計算便能得到的Si3N4/SiO2的單層厚度。膜厚儀可以測量雙層及以上薄膜厚度的方法，可測量厚度范圍可從1nm到2mm。

圖 膜厚儀測試原理

圖 膜厚儀擬合圖譜

橢偏儀

與膜厚儀膜厚儀是利用薄膜的反射、透射和散射等光學特性來測量其厚度不同，橢偏儀則是利用了光的偏振特性，薄膜的相位差、透過率和反射率等光學性質來測量膜層的厚度參數。橢偏儀則可以用于金屬、氧化物等材料的膜層結構，更適合測量較薄膜層厚度，低至0.1nm，精度更高。

圖 橢偏儀結構和光路

原子力顯微鏡

原子力顯微鏡AFM是一種利用探針與樣品表面之間的相互作用力來進行測量的儀器。通過探針在樣品表面掃描，可以獲取樣品表面的拓撲圖像，并結合探針與樣品之間的力信號，可以計算出薄膜的厚度。AFM具有高分辨率和高靈敏度的優點，適用于測量納米薄膜的厚度。

AFM可以測試薄膜范圍非常廣，有機薄膜、聚合物和光刻膠均可以，厚度最厚5mm。

圖 AFM膜厚測試圖譜和曲線

臺階儀

當針尖沿被測表面輕輕劃過時，由于表面有微小的峰谷使觸針在滑行的同時，還沿峰谷作上下運動。觸針的運動情況就反映了表面輪廓的情況。傳感器輸出的電信號經測量電橋后，輸出與觸針偏離平衡位置的位移信號成正比的調幅信號。垂直分辨率1nm，可測量臺階高度范圍0-300μm，有點類似低階版AFM。

圖 臺階儀軟件界面

下面將五種膜厚測試方法進行比較。