用于标定镀膜机的膜厚样板的制备和测量

　　真空蒸镀是在真空条件下，通过加热使被镀材料气化沉积到温度较低的基片上，形成所需薄膜的一种工艺[1]。近年来真空蒸镀得到广泛应用，如微电 子行业、光学器件加工和耐磨工具制备等。随着镀膜技术的发展，制备各种薄膜的专用设备不断出现。对镀膜机的性能验证和标定，通常是在大尺寸基片上沉积制备 一块多台阶膜厚样片，测量不同位置台阶高度进而分析膜层在整个基片上的厚度均匀性[2]。对于台阶的测量，通常的测量设备主要是: 台阶仪、光学轮廓仪和三坐标测量机。台阶仪测量精度较高、量程大、测量结果稳定可靠、重复性好。

　　但是也有其难以克服的缺点: ( 1) 由于测头与测件相接触造成的测头变形和磨损，使仪器在使用一段时间后测量精度下降; ( 2) 测头为了保证耐磨性和刚性而不能做得非常细小尖锐，如果测头头部曲率半径大于被测表面上微观凹坑的半径必然造成该处测量数据的偏差; ( 3) 为使测头不至于很快磨损，测头的硬度一般都很高，因此不适于精密零件及软质表面的测量。光学轮廓仪可以对样品表面进行快速、高分辨率的三维测量，但测量范 围通常是微米级。坐标测量机尽管测量范围大，但只能实现微米级的精度。对于验证镀膜机的大尺寸基片上镀的数十纳米的多台阶测量，以上测量设备都无法实现。 而集成聚焦式测头的纳米测量机，具有三轴25mm ×25mm × 5mm 的扫描范围，采用三轴激光干涉仪定位，能够实现对样片的非接触、大范围、可溯源的测量[3]。

　　大尺寸的基片，如15cm 或者20cm 硅片等，基片自身也是有一定的曲面。对于大尺寸基底的曲面台阶，在台阶周围区域测量同样长度的曲线，以残差为标准建立参考模型，拟合台阶对应的基底曲线， 参考ISO 5436 - 1: 2000 的台阶评价方法用台阶顶部数据和其对应的台阶底部数据对曲面台阶进行评价。方法得到镀膜机供应商和使用机构的认可，对镀膜机的验收有指导意义。

　　1 样板制备

　　制备样板采用的设备是上海光源采购的电子束蒸发镀膜沉积系统。该系统通过电子束轰击产生的热能蒸发靶基材料，蒸发颗粒最后沉积在基片上形成一定 厚度的膜层。为了测量镀膜的均匀性验证设备的性能，设计了一块挡板，如图 1 所示。利用挡板在硅片上的不同区域沉积得到多个台阶，如图 2所示。

　　2 样板测量

　　将样品放置在集成聚焦式测头的纳米测量机的载物平台上。纳米测量机驱动载物平台在 25mm ×25mm ×5mm 的空间范围里实现分辨率为 0. 1nm 的位置移动，通过激光干涉仪直接读取样品移动过程中的三维空间坐标。激光干涉仪使用目前作为长度标准的稳定激光直接溯源于长度标准，基本配置如图 3 所示。聚焦式测头就是把聚焦光束当作探针，利用光电探测器测量样品表面的微观起伏偏离焦点的微小离焦量，而离焦量的线性测量值就反映了被测表面的形貌。在 测量过程中，当样品表面离开焦平面时，反馈信号控制载物平台垂直移动，使焦点再次准确回落在样品的表面上，从而实现焦点伺服跟踪[4]。