CN100356135C - 薄膜厚度量测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种薄膜厚度量测装置，用以测量一薄膜待测物的厚度，其中该薄膜待测物至少具有一非导电材料或该薄膜待测物置于一非电解质流体中，其包含一探针、一控制单元、一承载单元、一电源供应单元以及一侦测单元。其中，控制单元控制移动探针与薄膜待测物相接触，承载单元用以承载薄膜待测物，电源供应单元与探针以及承载单元电连接，且探针、薄膜待测物、承载单元以及电源供应单元形成一回路，而侦测单元量测回路的电流，亦即是通过薄膜待测物的一穿隧电流。
Description
技术领域
本发明涉及一种量测装置，特别是一种量测薄膜厚度的量测装置。
背景技术
近年来随工业的发展，人类的工艺技术日异月新，薄膜厚度更已达到奈米等级。为了观察以及测量各类极微小元件，各类量测工具纷纷问世，例如，扫描穿隧显微仪(Scanning Tunneling Microscope)便是其中一项量测工具。
如图1所示，扫描穿隧显微仪是将探针11设置于极接近导电待测物12的表面，并保持一极小间隙H。此时，电子可由探针11的针尖穿隧到导电待测物12表面，产生穿隧效应。由于电子穿隧的机率与探针11及导电待测物12表面的距离呈现一指数关系，因此探针11与导电待测物12表面的距离可由穿隧电流推算出。其中，扫描穿隧显微仪受限于穿隧效应的材质限制，仅能量测导电材料，而无法量测非导电材料。
一般而言，扫描穿隧显微仪以三种方法扫描待测物：固定穿隧电流法、固定探针高度法以及电流密度取像法。其中，利用固定穿隧电流值的方式即可同时锁定探针和待测物表面的间距，因此当探针在待测物表面扫描时，为保持固定的穿隧电流值(或锁定探针和待测物表面的间距)，探针必须随待测物表面的起伏而调整其高度，并以探针的高度变化来反映出待测物样品表面的形貌；另外，利用固定高度来扫描导电待测物表面时，待测物表面的高低变化会影响探针和待测物表面的间距，所以穿隧电流值也随之改变，此法是直接以穿隧电流值的大小来反映出待测物样品表面的形貌；再者，电流密度取像法保持一定的探针与样品间的距离，并引进偏压调变，然后记录不同偏压所产生的穿隧电流，于量测时，将某一偏压在扫描范围内各点的电流组合起来，即构成电流密度分布图，并藉以推测出待测物样品表面的形貌。不论如何，以上三种方法仅能量测待测物表面情况，无法量测待测物的厚度。
有鉴于此，如何提供一种量测装置，以期能够量测非导电材料所构成的薄膜的厚度，正是当前的重要课题之一。
发明内容
有鉴于上述课题，本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提供一种能够量测非导电薄膜的厚度的薄膜厚度量测装置。
为达上述目的，本发明提供一种薄膜厚度量测装置，其中该薄膜待测物至少具有一非导电材料或该薄膜待测物置于一非电解质流体中，包含一探针、一控制单元、一承载单元、一电源供应单元以及一侦测单元。在本发明中，控制单元控制移动探针与薄膜待测物相接触，承载单元用以承载薄膜待测物，电源供应单元与探针以及承载单元电连接，且探针、薄膜待测物、承载单元以及电源供应单元形成一回路，侦测单元量测回路的电流，其等于通过薄膜待测物的一穿隧电流。
承上所述，因依本发明的薄膜厚度量测装置是将薄膜待测物置放于探针及承载单元间，所以薄膜待测物的厚度即为探针与承载单元间的距离，此时，再以电源供应单元提供探针及承载单元一固定电位差，使探针及承载单元间发生穿隧效应并产生一穿隧电流，因此所测得的穿隧电流大小相对反映出薄膜待测物的厚度，故利用本发明的薄膜厚度量测装置能够顺利量测出非导电薄膜的厚度。
附图说明
图1为一示意图，显示现有扫描穿隧显微镜的作用原理；
图2为一示意图，显示依本发明较佳实施例的薄膜厚度量测装置；
图3为一示意图，显示依本发明另一较佳实施例的薄膜厚度量测装置。
图中符号说明
11探针
12导电待测物
H极小间距
21薄膜待测物
22探针
23承载单元
24电源供应单元
25侦测单元
251放大器
252电流计
26控制单元
27运算单元
28显示单元
31薄膜待测物
311非导电薄膜
312导电基板
32探针
33承载单元
331非导电部
332导电部
34电源供应单元
35侦测单元
351放大器
352电流计
36控制单元
37运算单元
38显示单元
具体实施方式
以下将参照相关附图，说明依本发明较佳实施例的薄膜厚度量测装置，其中相同的元件将以相同的参照符号加以说明。
请参阅图2所示，依本发明较佳实施例的薄膜厚度量测装置包含一探针22、一控制单元26、一承载单元23、一电源供应单元24以及一侦测单元25。
在本实施例中，探针22可以是钨所制成，控制单元26控制一机械手臂或一步进器，藉以操纵探针22的位移，使探针22能与一薄膜待测物21接触并不毁损。承载单元23可以是由铜或银等导电材质所制成的底座，其承载薄膜待测物21，并与薄膜待测物21以及电源供应单元24电连接；另外，承载单元23亦可由非导电材质如塑料所构成，并具有一导电部贯穿其中，其导电部分别与薄膜待测物21及电源供应单元24电连接。电源供应单元24可以是一交流电源供应器或一直流电源供应器，并与探针22以及承载单元23电连接，因此探针22、薄膜待测物21、承载单元23、侦测单元25以及电源供应单元24形成一回路。
侦测单元25量测回路的电流，为有效侦测回路的电流大小，侦测单元25包含一放大器251以及一电流计252，其中，放大器251可以是一低杂讯操作型放大器，电流计252可以是一个微电流计。
在本实施例中，薄膜厚度量测装置可以更包含一运算单元27以及一显示单元28，其中，运算单元27可以是个人计算机、微处理器、机械式计算器或是具数据处理能力的计算器；显示单元28可以是显示器、打印装置或是任何能够输出资料的仪器设备。
当利用薄膜厚度量测装置来量测薄膜待测物21的厚度时，由于薄膜待测物21极薄，故探针22与承载单元23间的距离极小，因此在探针22与承载单元23之间会发生穿隧效应，并产生一穿隧电流，以使探针22、薄膜待测物21、承载单元23、侦测单元25以及电源供应单元24形成一回路，侦测单元25量测回路的电流，其等于通过薄膜待测物21的穿隧电流。
在本实施例中，为有效侦测穿隧电流的大小，侦测单元25以放大器251将所侦测的穿隧电流放大，再由电流计252判断已放大的穿隧电流。接着，运算单元27依据电流计252所量测已放大的穿隧电流，计算出探针22与承载单元23间的距离，亦即是薄膜待测物21的厚度。最后，显示单元28显示运算单元27的计算结果，故使用者可以取得薄膜待测物21的厚度。
承上所述，薄膜待测物21由非导电材料所构成，另外，其亦可由一导电基板以及一非导电薄膜组合成，其中非导电薄膜形成于导电基板上。此外，薄膜待测物21亦可先置于一非电解质流体中，再利用本发明的薄膜厚度量测装置进行厚度量测。
为使本发明的内容更容易理解，以下将举一实例，以说明使用本发明较佳实施例的薄膜厚度量测装置的流程。
请参阅图2所示，依本发明较佳实施例的薄膜厚度量测装置将薄膜待测物21置于承载单元23之上，其中薄膜待测物21由非导电材料所构成，承载单元23由导电材料所构成；控制单元26操纵探针22与薄膜待测物21保持接触。电源供应单元24与承载单元23以及侦测单元25电连接，电源供应单元24、侦测单元25、探针22、薄膜待测物21以及承载单元23形成一回路。
由于薄膜待测物21厚度极薄，探针22与承载单元23间的距离极小使得探针22与承载单元23之间发生穿隧效应，并产生一穿隧电流。在本实施例中，为有效侦测穿隧电流的大小，侦测单元25包含一放大器251以及一电流计252，以便利用放大器251将所侦测的穿隧电流放大，再由电流计252判断已放大的穿隧电流。接着，运算单元27依据电流计252所量测已放大的穿隧电流，计算出探针22与承载单元23间的距离以及薄膜待测物21的厚度。最后，显示单元28显示运算单元27的计算结果，亦即是薄膜待测物21的厚度。
另外，如图3所示，在依本发明另一较佳实施例的薄膜厚度量测装置中，其包含一探针32、一承载单元33、一控制单元36、一电源供应单元34、一侦测单元35、一运算单元37以及一显示单元38，其中探针32、控制单元36、电源供应单元34、侦测单元35、运算单元37以及显示单元38与前述的探针22、控制单元26、电源供应单元24、侦测单元25、运算单元27以及显示单元28相同，故在此不再赘述。
与图2所示不同的是，承载单元33主要由非导电材料所构成，其具有一非导电部331以及一导电部332；在本实施例中，导电部332与薄膜待测物31以及电源供应单元34电连接。于此，薄膜待测物31包含一非导电薄膜311以及一导电基板312，非导电薄膜311形成于导电基板312上，导电基板312与承载单元33的导电部332电连接，非导电薄膜311与探针32相接。
在本实施例中，控制单元36操纵移动探针32与非导电薄膜311保持接触。电源供应单元34与承载单元33的导电部332以及侦测单元35电连接，此时，电源供应单元34、侦测单元35、探针32、非导电薄膜311、导电基板312以及承载单元33的导电部332会形成一回路。
由于非导电薄膜311厚度极薄，所以探针32与导电基板312间的距离极小，使得探针32与导电基板312之间发生穿隧效应，并产生一穿隧电流。为有效侦测穿隧电流的大小，侦测单元35包含一放大器351以及一电流计352，以便利用放大器351将所侦测的穿隧电流放大，再由电流计352判断已放大的穿隧电流。接着，运算单元37依据电流计352所量测已放大的穿隧电流，计算探针32与导电基板312间的距离以及非导电薄膜311的厚度。最后，显示单元38显示运算单元37的计算结果，亦即是非导电薄膜311的厚度。
综上所述，因依本发明的薄膜厚度量测装置将薄膜待测物置放于探针及承载单元间，所以薄膜待测物的厚度即为探针与承载单元间的距离，此时，再以电源供应单元提供探针及承载单元一固定电位差，使探针及承载单元间发生穿隧效应并产生一穿隧电流，因此所测得的穿隧电流大小相对反映出薄膜待测物的厚度，故利用本发明的薄膜厚度量测装置能够顺利量测出非导电薄膜的厚度。
以上所述仅为举例性，而非为限制性。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于权利要求书的范围中。
Claims (8)
1、一种薄膜厚度量测装置，用以测量一薄膜待测物的厚度，其中该薄膜待测物至少具有一非导电材料或该薄膜待测物置于一非电解质流体中，其特征在于，包含：
一探针；
一控制单元，其控制移动该探针与该薄膜待测物相接触；
一承载单元，其用以承载该薄膜待测物；
一电源供应单元，其与该探针以及该承载单元电连接，其中该探针、该薄膜待测物、该承载单元以及该电源供应单元形成一回路；以及
一侦测单元，其量测该回路的电流，其等于通过该薄膜待测物的一穿隧电流。
2、如权利要求1所述的薄膜厚度量测装置，其中，当该薄膜待测物至少具有该非导电材料时，该非导电材料为一非导电薄膜，且该薄膜待测物更包含一导电基板，该非导电薄膜形成于该导电基板上，其中该导电基板与该承载单元连接，该非导电薄膜与该探针连接。
3、如权利要求1所述的薄膜厚度量测装置，其中，该承载单元由导电材料所构成。
4、如权利要求1所述的薄膜厚度量测装置，其中，该承载单元由非导电材料所构成，且具有一导电部，该导电部分别与该薄膜待测物以及该电源供应单元电连接。
5、如权利要求1所述的薄膜厚度量测装置，其中，该电源供应单元提供该承载单元与该探针间的一固定电位差。
6、如权利要求1所述的薄膜厚度量测装置，其中，该侦测单元包含一放大器以及一电流计。
7、如权利要求1所述的薄膜厚度量测装置，其中，更包含：
一运算单元，其依据该穿隧电流计算出该薄膜待测物的厚度。
8、如权利要求7所述的薄膜厚度量测装置，其中，更包含：
一显示单元，其显示该薄膜待测物的厚度。
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