一种利用近场微波检验薄膜厚度的方法及装置

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及薄膜厚度检验技术，具体涉及利用近场微波检验薄膜厚度的方法及装置。背景技术：2.现代工业中，常常需要对电子元器件进行镀膜实现功能化，膜过薄或者过厚都会影响电子元器件的性能。因此，需要对膜的厚度进行测量，从而监测电子元器件的生产状态。3.当前常用的薄膜厚度的测试方法很多，特点各不相同,大体可以分为光学方法和非光学方法两大类。光学方法一般要求薄膜的透明度,需要复杂的理论公式和模型作为依据并且经过大量的数学运算,一般量程与测试精度不能兼顾，具体测试及计算方法掌握起来相当困难。非光学方法,划痕制备工艺要求很高，容易损坏衬底材料或当没有露出衬底,使测量到的薄膜厚度误差较大，另外对于浇注在基底上的聚合物等软膜根本无法制备划痕。毫无疑问这些都需要对电子元器件进行修改或者对应用条件有一定要求，因此会限制它们在工业上的应用。4.光学方法对薄膜要求苛刻，量程与测试精度不能兼顾；非光学方法，工艺要求高，对电子元器件造成物理损伤。因此，如何实现电子元器件薄膜厚度的无损准确检验，成为了亟待解决的问题。技术实现要素：5.本发明的目的在于：提供一种无损害、非接触式的利用近场微波检验薄膜厚度的方法及装置。6.本发明通过下述技术方案实现：一种利用近场微波检验薄膜厚度的方法，其检验装置包括载物基片、谐振腔及与谐振腔耦合的探针，探针位于载物基片上方，探针的针尖朝向载物基片，包括以下步骤：步骤1，纵向移动载物基片与探针的针尖之间的距离至固定距离d0，近场微波系统空载时的谐振频率记为f0；近场微波系统空载是指载物基片上没有放置样品；样品为准样品或测试样品；步骤2，在步骤1近场微波系统基础上，放置第一标准样品于载物基片，第一标准样品位于载物基片与探针的针尖之间，第一标准样品的厚度为d1，测得近场微波系统的第一谐振频率为f1，第一谐振频率变化量为δf1= f1‑ꢀf0；步骤3，按照步骤2的方式，放置第二标准样品于载物基片，测得近场微波系统的第二谐振频率为f2，第二谐振频率变化量为δf2= f2‑ꢀf0；然后，放置第三标准样品于载物基片，测得近场微波系统的第三谐振频率为f3，第三谐振频率变化量为δf3= f3‑ꢀf0；…，依此类推，放置第n标准样品于载物基片，测得近场微波系统的第n谐振频率为fn，第n谐振频率变化量为δfn=fn‑ꢀf0；其中，第二标准样品、第三标准样品、…、第n标准样品的厚度依次分别对应为d2、d3、…、dn，n为正整数；步骤4，基于d1、d2、…、dn以及δf1、δf2、…、δfn，通过数据插值的拟合方式，得到δf=δf(d)曲线；其中，δf表示谐振频率变化量，d表示标准样品的厚度；步骤5，测试样品的目标厚度为dt，其中，dt∈[dmin,dmax]，dmin为允许的最小厚度，dmax为允许的最大厚度；基于步骤4中δf=δf(d)曲线，得到允许的最小谐振频率变化量δfmin=δf(dmin)和允许的最大谐振频率变化量δfmax=δf(dmax)；步骤6，按照步骤2的方式，放置测试样品k于载物基片，测得近场微波系统的谐振频率为fk，测试样品k对应的谐振频率变化量为δfk=fk‑ꢀf0；如果δfmin≤δfk≤δfmax，则测试样品k通过检验。[0007]d0的确定方法为：探针置于载物基片上方，并且载物基片上没有放置样品，纵向向探针方向移动载物基片，使得载物基片和探针的针尖之间的距离小于或等于百分之一波长时停止移动，此时载物基片和探针的针尖之间的距离等于h1；继续纵向向探针方向移动载物基片，使得载物基片和探针的针尖之间的距离等于h2为止；令距离差δh=h1-h2；然后，探针置于没有放置样品的载物基片上方，此时d0等于（2～100）δh。[0008]所述谐振腔为四分之一波长同轴谐振腔。[0009]所述探针为金属探针。[0010]一种利用近场微波检验薄膜厚度的装置，包括：位移台；载物基片，其置于位移台上；谐振腔；探针，其与谐振腔耦合，其位于载物基片上方，其针尖朝向载物基片；网络分析仪，其用于向谐振腔发射微波信号以及接收谐振腔所反馈的微波信号；当通过位移台纵向移动载物基片与探针的针尖之间的距离至固定距离d0时，其测得近场微波系统空载时的谐振频率为f0；在载物基片与探针的针尖之间的距离至固定距离d0时，放置第一标准样品于载物基片，第一标准样品位于载物基片与探针的针尖之间，第一标准样品的厚度为d1，其用于测得近场微波系统的第一谐振频率为f1；然后按照前述方式，放置第二标准样品于载物基片，测得近场微波系统的第二谐振频率为f2，再放置第三标准样品于载物基片，其用于测得近场微波系统的第三谐振频率为f3，…，依此类推，放置第n标准样品于载物基片，其用于测得近场微波系统的第n谐振频率为fn；其中，第二标准样品、第三标准样品、…、第n标准样品的厚度依次分别对应为d2、d3、…、dn，n为正整数；按照前述方式，放置测试样品k于载物基片，其用于测得近场微波系统的谐振频率为fk；计算控制处理单元，其用于计算得到第一谐振频率变化量为δf1= f1‑ꢀf0，第二谐振频率变化量为δf2= f2‑ꢀf0，第三谐振频率变化量为δf3= f3‑ꢀf0，…，第n谐振频率变化量为δfn=fn‑ꢀf0，测试样品k对应的谐振频率变化量为δfk=fk‑ꢀf0；其用于基于d1、d2、…、dn以及δf1、δf2、…、δfn，通过数据插值的拟合方式，得到δf=δf(d)曲线，其中，δf表示谐振频率变化量，d表示标准样品的厚度；当测试样品的目标厚度为dt，其中，dt∈[dmin,dmax]，dmin为允许的最小厚度，dmax为允许的最大厚度时，其用于基于δf=δf(d)曲线，得到允许的最小谐振频率变化量δfmin=δf(dmin)和允许的最大谐振频率变化量δfmax=δf(dmax)；如果δfmin≤δfk≤δfmax，其用于发出测试样品k通过检验的信息。[0011]d0的确定方法为：探针置于载物基片上方，并且载物基片上没有放置样品，纵向向探针方向移动载物基片，使得载物基片和探针的针尖之间的距离小于或等于百分之一波长时停止移动，此时载物基片和探针的针尖之间的距离等于h1；继续纵向向探针方向移动载物基片，使得载物基片和探针的针尖之间的距离等于h2为止；令距离差δh=h1-h2；然后，探针置于没有放置样品的载物基片上方，此时d0等于（2～100）δh。[0012]所述谐振腔为四分之一波长同轴谐振腔。[0013]所述探针为金属探针。[0014]本发明与现有技术相比，具有以下有益技术效果：本发明的方法对样品比如薄膜进行无损害、非接触式的检测未知厚度样品是否满足要求。由于样品比如薄膜与探针的相互作用，即两者之间产生微弱干扰，利用微扰理论可得到同轴谐振腔随着空间位置的变化而变化的谐振频率、品质因数和反射系数参数，通过多次测量即可建立厚度参数数据库，最后通过反演匹配出谐振频率相应的薄膜厚度是否满足要求。不同于传统的厚度检验方法，需要先对测试样品进行预处理或者进行接触式测量，则可能会导致一定的伤害。[0015]这种方法具有操作简单快速检测的特点。与传统检测方法不同，不需要把薄膜刮下来或者对样品进行切割等复杂的操作。设备使用也更简单更具有普适性。[0016]本技术为非接触测试方法，对测试样品无损伤，测试响应速度快，普适性强。附图说明[0017]图1为本发明的方法流程图。[0018]图2为本发明的装置结构示意图。具体实施方式[0019]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了相互排斥的特质和/或步骤以外，均可以以任何方式组合，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换，即，除非特别叙述，每个特征为一系列等效或类似特征中的一个实施例而已。[0020]参见图1，本发明众多实施例中的一种利用近场微波检验薄膜厚度的方法，其检验装置包括载物基片、谐振腔及与谐振腔耦合的探针，探针位于载物基片上方，探针的针尖朝向载物基片，包括以下步骤：步骤1，纵向移动载物基片与探针的针尖之间的距离至固定距离d0，近场微波系统空载时的谐振频率记为f0；步骤2，在步骤1近场微波系统基础上，放置第一标准样品于载物基片，第一标准样品位于载物基片与探针的针尖之间，第一标准样品的厚度为d1，测得近场微波系统的第一谐振频率为f1，第一谐振频率变化量为δf1= f1‑ꢀf0；步骤3，按照步骤2的方式，放置第二标准样品于载物基片，测得近场微波系统的第二谐振频率为f2，第二谐振频率变化量为δf2= f2‑ꢀf0；然后，放置第三标准样品于载物基片，测得近场微波系统的第三谐振频率为f3，第三谐振频率变化量为δf3= f3‑ꢀf0；…，依此类推，放置第n标准样品于载物基片，测得近场微波系统的第n谐振频率为fn，第n谐振频率变化量为δfn=fn‑ꢀf0；其中，第二标准样品、第三标准样品、…、第n标准样品的厚度依次分别对应为d2、d3、…、dn，n为正整数；即，第二标准样品的厚度为d2，第三标准样品的厚度为d3，…，依此类推，第n标准样品的厚度为dn；步骤4，基于d1、d2、…、dn以及δf1、δf2、…、δfn，通过数据插值的拟合方式，得到δf=δf(d)曲线；其中，δf表示谐振频率变化量，d表示标准样品的厚度；步骤5，测试样品的目标厚度为dt，其中，dt∈[dmin,dmax]，dmin为允许的最小厚度，dmax为允许的最大厚度；基于步骤4中δf=δf(d)曲线，得到允许的最小谐振频率变化量δfmin=δf(dmin)和允许的最大谐振频率变化量δfmax=δf(dmax)；步骤6，按照步骤2的方式，放置测试样品k于载物基片，测得近场微波系统的谐振频率为fk，测试样品k对应的谐振频率变化量为δfk=fk‑ꢀf0；如果δfmin≤δfk≤δfmax，则测试样品k通过检验。测试样品k合格则通过检验，继续后续流程，否则，剔除不合格的测试样品k。[0021]在一些实施例中，d0的确定方法为：探针置于载物基片上方，并且载物基片上没有放置样品，纵向向探针方向移动载物基片，使得载物基片和探针的针尖之间的距离小于或等于百分之一波长时停止移动，此时载物基片和探针的针尖之间的距离等于h1；继续纵向向探针方向移动载物基片，使得载物基片和探针的针尖之间的距离等于h2为止；令距离差δh=h1-h2；然后，探针置于没有放置样品的载物基片上方，此时d0等于（2～100）δh。[0022]在一些实施例中，谐振腔为四分之一波长同轴谐振腔。[0023]在一些实施例中，探针为金属探针。[0024]参见图2，本发明的一种利用近场微波检验薄膜厚度的装置，其用于实现述方法，包括谐振腔1、探针2、位移台4、网络分析仪5、计算控制处理单元6、载物基片7。[0025]样品3包括调试系统样品、标准样品、测试样品。样品3置于载物基片7上，载物基片7置于位移台上。位移台4可以为三维电动位移台，带动样品3移动，改变样品3与探针2的垂直相对位置。探针2与谐振腔1耦合，其位于载物基片上方，其针尖朝向载物基片。[0026]谐振频率对探针2正下方样品3微小局部区域高度的变化非常敏感，谐振频率的变化，可以用于表征测试样品的厚度。[0027]所述谐振腔1优选四分之一波长同轴谐振腔，也可以为四分之三波长、四分之五波长等同轴谐振腔。[0028]所述探针2优选金属探针，也可以为碳纳米管探针、硅探针等。[0029]网络分析仪5用于向谐振腔发射微波信号以及接收谐振腔所反馈的微波信号。当通过位移台纵向移动载物基片与探针的针尖之间的距离至固定距离d0时，网络分析仪5测得近场微波系统空载时的谐振频率为f0；在载物基片与探针的针尖之间的距离至固定距离d0时，放置第一标准样品于载物基片，第一标准样品位于载物基片与探针的针尖之间，第一标准样品的厚度为d1，网络分析仪5用于测得近场微波系统的第一谐振频率为f1；然后按照前述方式，放置第二标准样品于载物基片，网络分析仪5测得近场微波系统的第二谐振频率为f2，再放置第三标准样品于载物基片，网络分析仪5用于测得近场微波系统的第三谐振频率为f3，…，依此类推，放置第n标准样品于载物基片，网络分析仪5用于测得近场微波系统的第n谐振频率为fn；其中，第二标准样品、第三标准样品、…、第n标准样品的厚度依次分别对应为d2、d3、…、dn，n为正整数；按照前述方式，放置测试样品k于载物基片，网络分析仪5用于测得近场微波系统的谐振频率为fk。[0030]计算控制处理单元6用于计算得到第一谐振频率变化量为δf1= f1‑ꢀf0，第二谐振频率变化量为δf2= f2‑ꢀf0，第三谐振频率变化量为δf3= f3‑ꢀf0，…，第n谐振频率变化量为δfn=fn‑ꢀf0，测试样品k对应的谐振频率变化量为δfk=fk‑ꢀf0；计算控制处理单元6用于基于d1、d2、…、dn以及δf1、δf2、…、δfn，通过数据插值的拟合方式，得到δf=δf(d)曲线，其中，δf表示谐振频率变化量，d表示标准样品的厚度；当测试样品的目标厚度为dt，其中，dt∈[dmin,dmax]，dmin为允许的最小厚度，dmax为允许的最大厚度时，计算控制处理单元6用于基于δf=δf(d)曲线，得到允许的最小谐振频率变化量δfmin=δf(dmin)和允许的最大谐振频率变化量δfmax=δf(dmax)；如果δfmin≤δfk≤δfmax，计算控制处理单元6用于发出测试样品k通过检验的信息。[0031]计算控制处理单元6可以但不限于为计算机。计算控制处理单元6还可以用于控制位移台4带动样品3移动，改变样品3与探针2的垂直相对位置。[0032]谐振腔1和网络分析仪5之间采用微波电缆线进行连接，微波电缆线数量可以为1根、2根，或者多根；网络分析仪5与计算机之间采用数据线进行连接。[0033]网络分析仪5用于向谐振腔1发射微波信号，通过谐振腔1后，微波信号沿探针2进入谐振腔1和样品3之间；然后，微波信号从谐振腔1和样品3之间返回谐振腔，通过微波电缆线反馈回网络分析仪5；反馈回来的s参数传送给计算控制处理单元6即计算机进行数据分析和记录，可以获得测试样品厚度和标样厚度的关系，判断测试样品是否通过检验。[0034]以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围。









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