一种基于近场微波显微系统测量薄膜尺寸的方法技术方案

一种基于近场微波显微系统测量薄膜尺寸的方法，利用近场微波显微镜的探针沿着薄膜样品待测尺寸方向分别经由不同材料的过渡边界来进行扫描，得到谐振曲线并对其进行求导得到谐振频率变化曲线，经拟合得到谐振频率变化曲线的极值点，然后调整探针与样品的间距后重复上述操作，继而得到一组随探针与样品的间距线性变化的极值点差值或者得到两组随探针与样品的间距线性变化的极值点，通过线性拟合得到直线的截距或者两条直线截距的差值即为即为薄膜样品待测方向的尺寸。本发明专利技术实现了对薄膜样品平面尺寸的精确测量，有利于准确的表面形貌分析与材料分析，有利于缺陷精确检测的应用；同时避免测量良导体时探针与其接触情况下使得谐振频率消失导致无法测量的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于近场微波显微系统测量薄膜尺寸的方法
本专利技术具体涉及一种基于近场微波显微系统测量薄膜尺寸的方法。
技术介绍
薄膜材料技术的快速发展，为各行业提供了强有力的产品支持服务，但同时对现代薄膜产品也提出了更为严苛的标准，因此，如何高效、快速、准确的表征出薄膜产品的物理特性参数已经成为技术人员的研究热点。目前国内外常用的表征薄膜样品形貌表征的手段有扫描电子显微镜法(SEM)、原子力显微镜法(AFM)，导电性测试方法有四探针法，高频电磁特性表征方法有谐振腔法、网络参数法，后者常见的分析方法又包括时域法、自由空间法、传输反射法等。谐振腔法表征的样品通常在尺寸大小上有一定的要求，对纳米级别的材料难以测试电磁参数，四探针法虽然可测量薄膜样品的电导率但是针尖的碰撞会对样品造成不可修复的损伤，SEM表征手段局限，只能描述样品表面形貌特点。因此迫切需要一种既可以表征薄膜样品形貌又可以无损的表征材料的电磁特性的表征方法。近场微波显微镜(Near-FieldScanningMicrowaveMicroscopy，NSMM)结合了微波测量技术与扫描探针技术，包括谐振腔、微波探针、位移平台和计算机，其工作原理主要是利用探针与样品之间的电磁反应，工作方式是将待测样品放置在微波探针的近场区，使得微波探针尖端聚集的微波场与样品间互作用，即微波探针辐射能量到被测样品而被测样品对谐振腔体产生能量微扰。在探针近场区的样品形状、电力学性质等微小变化，都会改变探针附近的能量分布，进而反过来影响近场微波显微镜系统的电磁响应，并且，由于微波探针到被测样品的距离很小(近场)，被测样品被辐射的区域也随之变小，空间分辨率能力变高，通过测量同轴谐振腔的品质因数的变化、S参数的变化和谐振频率的偏移量，就能以非接触方式表征得到样品的电导率、品质因数、电磁特性以及表面形貌等物理参量，解决了其他表征手段的局限问题。近场微波测试方法来表征薄膜的物理参数具有测试简单，测试结果灵敏，分辨率高，对样品测试无损伤等优点。目前基于近场微波显微系统的测量主要集中在微波电磁参数的定量测量(比如介电常数、电导率)以及亚表面探测来获取薄膜样品的表面瑕疵，但少有将近场微波显微系统用在样品尺寸测量方面，现有技术中也未见有关于近场微波显微系统精确测量薄膜样品尺寸的报道。这是因为近场微波显微系统扫描测试时，虽然从一种材料过渡到另一种材料会存在能量扰动，但能量扰动是一个渐变的过程，也就是连续变化的过程，然而材料的变化实际是发生在边界处的突变，这就使得直接通过能量扰动反映材料的平面尺寸无法辨识清楚不同材料的边界，因此会得到较大的测量值，并且所测值比实际要宽很多，误差非常大。具体原理下面进行详细说明：当满足谐振腔微扰理论的条件时，我们知道：其中，f0为空载品质因数，fr为谐振腔谐振频率，Δf为谐振腔的频率偏移，w为谐振腔在微扰前的储能，Δw为微扰前后的谐振腔储能能量差，也就是扰动能量。空载品质因数f0与谐振腔在微扰前的储能w为常数，谐振腔扰动能量Δw与频率偏移Δf成正比，因此结合前述原理，样品与谐振腔的微波探针互作用直接以能量扰动的方式表现出来，并且样品对谐振腔的能量扰动可通过谐振频率偏移量Δf定量计算得到。这种能量扰动是由材料的性质(介电常数、电导率、磁导率等)以及样品与针尖的距离决定。当针尖在同一高度扫过两种材料的分界面时，如图1所示，微波探针的针尖与样品的作用区域可分成三个部分(图中：A表示样品1，B表示样品1与样品2的过渡区域，C表示样品2)，当扫描A区间时探针发射的场全部“照射”到样品1，谐振腔只受到样品1的扰动，谐振频率的偏移保持Δf1不变；当扫描到C区间时探针发射的场全部“照射”到样品2，谐振腔只受到样品2的扰动，谐振频率的偏移保持Δf2不变；当扫描到B区间时探针发射的场会同时“照射”到样品1与样品2上，谐振频率的偏移会从Δf1逐渐变化到Δf2，然而材料本身却在边界处发生了突变，即从材料1变化到材料2。因此，从上述分析我们知道，谐振频率的偏移并不能很好地反映不同材料的边界变化，因而也无法获得精确的样品尺寸参数。现阶段薄膜材料的平面尺寸主要是通过光学显微镜来检测，通过将光学显微镜得到的图像在计算机上呈现出来，利用两个光标确定两个边界的位置以计算宽度，再乘以光学显微镜的倍率得到实际宽度。由于光学显微镜只能通过颜色的差异来确定材料宽度，但是当两种材料同色或颜色相近时，这种方法就无法实现样品尺寸的测量。综上，亟需发展一种能够准确且具有较强适用性的方法来实现薄膜材料平面尺寸参数的测量。
技术实现思路
鉴于上文所述，本专利技术针对现目前尚未实现薄膜材料平面尺寸的精确测量的问题，提供一种基于近场微波显微系统测量薄膜尺寸的方法，该方法基本上能够准确的辨识不同材料的真实边界位置，获取薄膜材料的平面尺寸参数。本专利技术的技术方案如下：一种基于近场微波显微系统测量薄膜尺寸的方法，其特征在于，利用近场微波显微系统扫描待测薄膜样品得到不同的探针和样品间距情况下的谐振频率偏移的扫描曲线，并分别对各个谐振频率偏移的扫描曲线求导并拟合得到不同的探针和样品间距情况下的谐振频率变化曲线；然后分别以探针和样品间距以及谐振频率变化曲线中极值点的差值为坐标轴建立关系图并进行线性拟合，拟合得到直线的截距即为薄膜样品的待测尺寸；或者，分别以探针和样品间距以及谐振频率变化曲线中极值点为坐标轴建立关系图并进行线性拟合，拟合得到直线的截距即为薄膜样品的真实边界坐标，将待测薄膜样品两个边界坐标相减得到薄膜样品的待测尺寸。作为一种实施方式，本专利技术可采用如下操作实现，具体包括步骤如下：步骤A：调节近场微波显微系统中探针和样品间距依次为h1，h2...hj；利用近场微波显微系统扫描目标区域，其中目标区域完全覆盖待测薄膜，且探针沿薄膜待测尺寸方向扫描；获取探针和样品间距分别为h1，h2...hj时谐振频率偏移的扫描曲线；步骤B：分别对步骤A得到的j条谐振频率偏移的扫描曲线进行求导，得到谐振频率变化曲线；步骤C：分别使用双峰值函数对步骤B得到的j条谐振频率变化曲线进行拟合，每条谐振频率变化曲线得到两个极值点，计算每条谐振频率变化曲线中两个极值点的差值；分别以探针和样品间距以及极值点的差值为坐标轴，建立探针和样品间距与对应极值点的差值的关系图并进行线性拟合，所得直线的截距即为薄膜的待测尺寸。作为一种实施方式，本专利技术还可采用如下操作实现，具体包括步骤如下：步骤A：调节近场微波显微系统中探针和样品间距依次为h1，h2...hj；利用近场微波显微系统扫描目标区域，其中目标区域完全覆盖待测薄膜，且探针沿薄膜待测尺寸方向扫描；获取探针和样品间距分别为h1，h2...hi时谐振频率偏移的扫描曲线；步骤B：分别对步骤A得到的j条谐振频率偏移的扫描曲线进行求导，得到谐振频率变化曲线；步骤C：分别使用双峰值函数对步骤B得到的j条谐振频率变化曲线进行拟合，每条谐振频率变化曲线得到两个极值点；分别对以探针和样品间距以及极值点为坐标轴，建立探针和样品间距与对应极值点的关系图并进行线性拟合，拟合得到两条直线的截距即为薄膜样品的两条真实边界的坐标，将待测薄膜样品两个边界坐标相减得到薄膜样品的待测尺寸。进一步地，本专利技术步骤C中采用单峰值型函数进行线性叠加得到双峰值函数来对谐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于近场微波显微系统测量薄膜尺寸的方法，其特征在于，利用近场微波显微系统扫描待测薄膜样品得到不同的探针和样品间距情况下的谐振频率偏移的扫描曲线，并分别对各个谐振频率偏移的扫描曲线求导并拟合得到不同的探针和样品间距情况下的谐振频率变化曲线；然后分别以探针和样品间距以及谐振频率变化曲线中极值点的差值为坐标轴建立关系图并进行线性拟合，拟合得到直线的截距即为薄膜样品的待测尺寸；或者，分别以探针和样品间距以及谐振频率变化曲线中极值点为坐标轴建立关系图并进行线性拟合，拟合得到直线的截距即为薄膜样品的真实边界坐标，将待测薄膜样品两个边界坐标相减得到薄膜样品的待测尺寸。

【技术特征摘要】
1.一种基于近场微波显微系统测量薄膜尺寸的方法，其特征在于，利用近场微波显微系统扫描待测薄膜样品得到不同的探针和样品间距情况下的谐振频率偏移的扫描曲线，并分别对各个谐振频率偏移的扫描曲线求导并拟合得到不同的探针和样品间距情况下的谐振频率变化曲线；然后分别以探针和样品间距以及谐振频率变化曲线中极值点的差值为坐标轴建立关系图并进行线性拟合，拟合得到直线的截距即为薄膜样品的待测尺寸；或者，分别以探针和样品间距以及谐振频率变化曲线中极值点为坐标轴建立关系图并进行线性拟合，拟合得到直线的截距即为薄膜样品的真实边界坐标，将待测薄膜样品两个边界坐标相减得到薄膜样品的待测尺寸。2.根据权利要求1所述的一种基于近场微波显微系统测量薄膜尺寸的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A：调节近场微波显微系统中探针和样品间距依次为h1，h2…hj；利用近场微波显微系统扫描目标区域，其中目标区域完全覆盖待测薄膜，且探针沿薄膜待测尺寸方向扫描；获取探针和样品间距分别为h1，h2…hj时谐振频率偏移的扫描曲线；步骤B：分别对步骤A得到的j条谐振频率偏移的扫描曲线进行求导，得到谐振频率变化曲线；步骤C：分别使用双峰值函数对步骤B得到的j条谐振频率变化曲线进行拟合，每条谐振频率变化曲线得到两个极值点，计算每条谐振频率变化曲线中两个极值点的差值；分别以探针和样品间...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭斌，鞠量，黄和，曾慧中，张万里，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51