薄膜测厚选CWL法还是触针法？针对不同厚度与材质的台阶仪技术选型指南

在微电子与 MEMS 领域，薄膜厚度测量对薄膜沉积、产品测试及失效分析至关重要，有机半导体因低成本、室温常压易加工及“湿法”制备优势，在OLED等器件中潜力大，但其一存在膜层柔软、附着力差等问题，影响厚度测量准确性；其二常用的触针式台阶仪虽测量范围广，却因接触式测量易破坏软膜，非接触的彩色白光（CWL）法虽可扫描大面积表面，却受薄膜光学不均匀性影响精度。Flexfilm探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

本文制备真空沉积的50-300nm铝膜标准样品，对比彩色白光（CWL）法与触针式台阶仪测量法，发现 CWL 技术适用于测量厚度大于 40-50nm 的有机薄膜，触针式台阶仪能精准获取<50nm 薄膜的厚度数据，且测量数据平滑度、分辨率更优，可满足低厚度薄膜的高精度测量需求。

1

实验样品制备

flexfilm

实验制备了真空沉积铝膜的标准样品，铝膜厚度范围控制在50-300nm。为获得不同厚度的铝膜，将基板放置在距蒸发源不同距离的位置。选择铝作为镀膜材料，是因为它同时具备良好的机械性能和优异的光反射性能，能同时满足接触式（触针）与非接触式（CWL）两种测量方法的要求。

2

实验测量方法

flexfilm

实验采用 CWL 法与触针式台阶仪法分别测量铝膜厚度，并评估两种方法的可靠性。

CWL测量的核心部件：1. 测量表面、2. 光源、3. 蓝光焦点、4. 光谱仪

CWL法测量：使用彩色白光台阶仪，其测量原理基于 CHR 150 N 光学传感器的色差效应。具体过程为：多色光源发出的白光经半透明反射镜后，在色差透镜中发生光谱分离；由于色差效应，不同波长的光会聚焦在不同的 Z 高度上，通过这种“彩色分离”就能实现薄膜厚度的测量。

触针式台阶仪测量：使用触针式台阶仪，通过触针与薄膜表面的接触扫描获取厚度数据。

3

CWL法厚度测量结果

flexfilm

横坐标为扫描距离 x（μm），纵坐标为 Z 高度（nm），图中标注的 “d=109nm” 即对应两层铝膜间的台阶高度（厚度）

CWL法在1D模式下测量的标准样品—两层铝膜之间形成的典型台阶轮廓。测量前先对样品进行调平，可清晰观察到两层铝膜间的台阶，这为厚度计算提供了基础。实验发现，测量噪声约为设备分辨率的 2-3 倍；在该实验条件下，CWL 技术能成功测量的最小厚度为 49nm，约为设备分辨率的 5 倍。

由于当测量值接近设备分辨率时，数据准确性会受影响，因此后续所有 CWL 测量数据均经过统计处理：至少进行 10 次重复测量，最终以“平均值 + 标准相对误差”的形式呈现。选择标准相对误差，是为了方便对比不同厚度薄膜的测量误差。

4

触针式台阶仪厚度测量结果

flexfilm

采用触针式台阶仪测量标准样品上两层铝膜之间台阶的结果

触针式台阶仪测量的标准样品—两层铝膜之间的台阶轮廓。测量时采用最大放大倍率，并对样品进行精确调平，确保台阶占据测量量程的满刻度；此时测量分辨率被认为等于或小于图纸上 1mm 刻度对应的分辨率（约为满量程的 1.6%）。

测量曲线非常平滑，这一方面得益于较低的扫描速度，另一方面是因为相对较重的针尖在扫描过程中对噪声起到了积分作用。触针式台阶仪的显著优势是分辨率更高，能清晰捕捉台阶细节；但缺点也很明确,机械接触式测量，若测量对象为柔软薄膜，触针容易破坏膜层，导致测量结果失真。

5

两种测量方法的对比

flexfilm

CWL 法与触针式台阶仪法薄膜厚度测量结果对比

CWL法误差特性：对不同厚度样品的 CWL 测量显示，标准相对误差均小于 8%；样品间误差的差异，主要与样品自身特性有关（如表面灰尘、膜层不均匀）。但 CWL 法不适用于测量厚度小于 50nm 的薄膜，因为此时测量值已接近设备模数转换器（ADC）的分辨率，数据准确性无法保证。

触针式台阶仪的适用范围：触针式台阶仪不仅能获得更平滑、清晰的台阶轮廓，还能测量厚度小于 50nm 的薄膜；但对于厚度大于 50nm 的薄膜，其标准相对误差与 CWL 法相近，无明显优势。

数据一致性：对同一样品用两种方法测量，结果差异接近或处于相对标准误差范围内，未发现与测量设备相关的系统误差，说明两种方法的可靠性均有保障（在各自适用范围内）。

综合研究数据与分析，触针式台阶仪是薄膜厚度测量的重要工具，其不可替代的优势在于低厚度（<50nm）薄膜测量能力，能精准获取该厚度区间薄膜的厚度数据，且测量数据平滑度、分辨率更优，可满足低厚度薄膜高精度测量需求，这是 CWL 法难以实现的；对于厚度大于 50nm 的薄膜，触针式台阶仪与 CWL 法的测量结果具有良好可比性，二者标准相对误差相近，在此厚度区间，若应用场景允许接触、无软膜破坏风险，触针式台阶仪可作为可靠选择；虽触针式台阶仪存在接触破坏柔软薄膜的局限，但能与 CWL 法形成互补—触针式台阶仪主攻低厚度薄膜及允许接触场景的测量，CWL法补充柔软有机薄膜（厚度> 40-50nm）的非接触测量需求，二者共同完善了薄膜厚度测量方案，覆盖不同厚度、不同材质薄膜的测量场景。

Flexfilm探针式台阶仪

flexfilm

在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

• 配备500W像素高分辨率彩色摄像机
• 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm
• 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台
• 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量

费曼仪器作为国内领先的薄膜厚度测量技术解决方案提供商，Flexfilm探针式台阶仪可以对薄膜表面台阶高度、膜厚进行准确测量，保证材料质量、提高生产效率。

原文参考：《Film thickness measurement by optical profilometer MicroProf FRT》

*特别声明：本公众号所发布的原创及转载文章，仅用于学术分享和传递行业相关信息。未经授权，不得抄袭、篡改、引用、转载等侵犯本公众号相关权益的行为。内容仅供参考，如涉及版权问题，敬请联系，我们将在第一时间核实并处理。