10～100μm固体薄膜厚度的测量方法及装置

摘要

本发明公开了10～100μm固体薄膜厚度的测量方法及装置，利用两片氧化铝陶瓷夹片夹住裸露的薄膜或涂覆于基底上的薄膜，用继电器或铷铁硼磁铁固定以夹具夹持的氧化铝陶瓷夹片，并置于维式硬度计的显微镜下观察，氧化铝陶瓷夹片竖直放置，由于薄膜与氧化铝陶瓷夹片或基底之间的衬度差异，利用显微镜的微分头读出两片氧化铝陶瓷夹片之间的距离或靠近薄膜两侧的氧化铝陶瓷夹片与基底一侧之间的距离，即为薄膜厚度。本发明利用显微镜的微分头直接读数，准确度高，操作简单，其测量精度可到0.5～1μm。本发明对于固体薄膜厚度测量方法简单，装置易操作，精确度高，既可工业使用也可实验室使用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量固体薄膜的方法，具体涉及10～100μm固体薄膜厚度的测量方法及 装置。

背景技术

工业或实验室应用的薄膜，其厚度是一个非常重要的参数。薄膜的“尺寸效应”影响到 薄膜电阻率、霍尔系数、光反射率等性质，关系到薄膜能否正常工作。

通常10～100μm薄膜厚度的测量方法有光透射、干涉、偏振、反射法等光学方法，但对于 固体薄膜，此方法不适用；X射线测厚仪，扫描电镜、台阶仪、全息法测试薄膜厚度精度高 但是价格昂贵，操作较为繁琐；超声波测厚仪、涡流测厚仪等需要标准试样，增加测量成本， 仪器造价较高。但是价格昂贵、测试方法较麻烦，且普通光源无法满足吸光材料的厚度测试 条件。

对于10～100μm固体薄膜，特别是附着于基底的薄膜厚度测量，特别需要一种操作简单、 造价便宜、准确度较高的测量方法。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供10～100μm固体薄膜厚度的测量方法 及装置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

10～100μm固体薄膜厚度的测量方法，利用两片氧化铝陶瓷夹片夹住裸露的薄膜或涂覆 于基底上的薄膜，用继电器或铷铁硼磁铁固定以夹具夹持的氧化铝陶瓷夹片，并置于维式 硬度计的显微镜下观察，氧化铝陶瓷夹片竖直放置，所述薄膜与氧化铝陶瓷夹片或基底之 间存在衬度差异，利用显微镜的微分头读出两片氧化铝陶瓷夹片之间的距离或靠近薄膜两 侧的氧化铝陶瓷夹片与基底一侧之间的距离，即为薄膜厚度。

所述薄膜为铁酸镧薄膜、锰酸镧薄膜、铬酸镧薄膜、锰酸锂薄膜或PVC薄膜，在显微 镜下与氧化铝陶瓷夹片有衬度差异，只要能看出氧化铝的界面就可以测厚度；所述基底为 氧化铝、铝箔或二氧化硅等非黑色的，对光的反射作用强，与薄膜形成衬度差，在显微镜 下观察能观测到形貌，或是反光的光亮区。

所述薄膜的尺寸小于等于25mm×50mm。

所述基底有一平直边，该平直边与薄膜接触，并与其中的一片氧化铝陶瓷夹片平齐。

所述显微镜视场有100和400倍，其中，用100倍视场测量时，最终结果是原始结果 的4倍。

所述薄膜厚度为形状厚度，是薄膜的平均厚度；薄膜被夹持在两片氧化铝陶瓷夹片的 中间时，薄膜的两个侧面与氧化铝陶瓷夹片直接接触，薄膜的形状厚度即为真实厚度。

10～100μm固体薄膜厚度的测量装置，包括由夹具夹持的两片氧化铝陶瓷夹片，所述的 两片氧化铝陶瓷夹片之间夹有裸露的薄膜或涂覆于基底上的薄膜，所述薄膜与氧化铝陶瓷 夹片或基底之间存在衬度差异。

所述的两片氧化铝陶瓷夹片的两侧由继电器或铷铁硼磁铁固定。

所述薄膜为铁酸镧薄膜、锰酸镧薄膜、铬酸镧薄膜、锰酸锂薄膜或PVC薄膜，所述薄 膜的尺寸小于等于25mm×50mm。

所述基底为氧化铝、铝箔或二氧化硅，所述基底有一平直边，该平直边与薄膜接触， 并与其中的一片氧化铝陶瓷夹片平齐。本发明的工作原理：

薄膜是吸光的，呈现黑色，而氧化铝陶瓷夹片是白色的，本发明的氧化铝陶瓷夹片边 界平直，棱角分明，与固体薄膜材料的衬度相差很大，相对于固体薄膜，氧化铝陶瓷夹片 在100光学放大后的显微形貌清晰、易于分辨，如图4，利用显微镜的微分头即可读出两片 氧化铝陶瓷夹片之间的距离，即为薄膜厚度。

薄膜在显微镜下不易观察到界面，而氧化铝陶瓷夹片能清晰的观察到边界，本发明的 氧化铝陶瓷夹片边界平直，棱角分明，与薄膜材料的衬度相差很大，相对于薄膜，氧化铝 陶瓷夹片在100光学放大后的显微形貌清晰、易于分辨，如图2，利用显微镜的微分头即可 读出两片氧化铝陶瓷夹片之间的距离，即为薄膜厚度。而对于有基底的薄膜，如果基底材 料在显微镜下也能清晰的分辨出与薄膜的接触界面，那么此界面与氧化铝陶瓷片间的距离 即为薄膜厚度，如图4所示。

本发明的氧化铝陶瓷夹片竖直放置。厚度测试不受薄膜形状的影响，薄膜的测试面倾 斜或不平整对测试无影响；但是对于涂覆于基底上的薄膜，基底应该有一平直边，并与夹 片平齐。

本发明测试的薄膜厚度为薄膜的形状厚度，是薄膜试样的平均厚度。如图3所示，薄 膜被夹持在氧化铝陶瓷夹片中间，薄膜的两个侧面与氧化铝陶瓷夹片直接接触，近似于重 合的界面，这样氧化铝陶瓷夹片间的距离即等于薄膜厚度。

本发明的有益效果是，本发明利用维式硬度计显微镜的微分头直接读数，准确度高， 操作简单，其测量精度可到0.5～1μm（微分头的精度为0.01μm，实际在薄膜的测试时，氧 化铝片的粗糙度为0.40～0.42μm，厚度精度在0.5～1μm之间）。本发明对于固体薄膜厚度测 量方法简单，装置易操作，精确度高，既可工业使用也可实验室使用。

附图说明

图1为薄膜的测量装置图，（a）主视图（b）左视图（c）俯视图；

图2为氧化铝陶瓷夹片在100光学显微镜下放大后的显微形貌图；

图3为涂覆于基底上的薄膜的测量装置俯视图；

图4为厚度测量的扫描电镜图；

其中1.氧化铝陶瓷夹片，2.裸露的薄膜，3.继电器或铷铁硼磁铁，4.涂覆于基底上的薄 膜，5.基底，6.夹具。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为 了解释本发明，并不对其内容进行限定。

实施例1：

本发明的测量装置，包括由夹具6夹持的两片氧化铝陶瓷夹片1，两片氧化铝陶瓷夹片 1之间夹有裸露的薄膜2。两片氧化铝陶瓷夹片1的两侧由继电器或铷铁硼磁铁3固定。

10～100μm固体薄膜厚度的测量方法，如图1所示，利用两片氧化铝陶瓷夹片1夹住 PVC薄膜（即图1（a）中裸露的薄膜2），裸露的薄膜2的尺寸为10mm×10mm。用继电器 固定以夹具6夹持的氧化铝陶瓷夹片1，并置于HV-100维式硬度计的400倍光学显微镜下 观察，氧化铝陶瓷夹片1竖直放置，由于裸露的薄膜2与氧化铝陶瓷夹片1衬度差异，利 用显微镜的微分头读出两氧化铝陶瓷夹片1之间的距离，即为薄膜厚度。读4次数据然后 求平均值，数据如表1所示。

表1

次数 1 2 3 4 平均值 方差 厚度/μm 61.08 60.04 61.32 59.92 60.55 0.39

将上述的PVC薄膜用螺旋测微器测量其厚度，测试结果如表2所示。

表2

次数 1 2 3 4 平均值 方差 厚度/μm 60 61 62 59 60.5 1.67

实施例2：

本发明的测量装置，包括由夹具6夹持的两片氧化铝陶瓷夹片1，两片氧化铝陶瓷夹片 1之间夹有涂覆于基底上的薄膜4。两片氧化铝陶瓷夹片1的两侧由继电器或铷铁硼磁铁3 固定。

10～100μm固体薄膜厚度的测量方法，如图3所示，利用两片氧化铝陶瓷夹片1夹住氧 化铝基底2上涂覆的掺锶铁酸镧薄膜（即图3中的涂覆于基底上的薄膜4），涂覆于基底上 的薄膜4的尺寸为10mm×10mm。用铷铁硼磁铁固定以夹具6夹持的氧化铝陶瓷夹片1，并 置于HV-100维式硬度计的100倍光学显微镜下观察，其中氧化铝的金相形貌如图2所示。 氧化铝陶瓷夹片1竖直放置，由于涂覆于基底上的薄膜4与氧化铝陶瓷夹片1和基底5之 间的衬度差异，利用显微镜的微分头读出靠近涂覆于基底上的薄膜4两侧的氧化铝陶瓷夹 片1与基底5一侧之间的距离，乘以4即为薄膜厚度。读4次数据然后求平均值，数据如 表3所示。

表3

次数 1 2 3 4 平均值 方差 厚度/μm 63.00 62.16 59.40 59.92 60.7 2.8

而用JEOLJSM-6380LA扫描电镜测量厚度具体过程为：试样厚度面喷金处理后，在扫 描电镜下观察到清晰的试样厚度面，然后拍摄图像，如图4所示。测量图中三点测量薄膜 的厚度（图4中的A、B、C），取三次测量的平均值，再测20μm标尺的长度为15.88（如 图4中的D），再利用式子计算出薄膜的厚度，得出的结果见表4所示。

表4

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的 限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的 各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。