薄膜厚度監(jiān)控課件

GPIntroduction

November23,2009StoneGong薄膜厚度監(jiān)控

Dated22st

NOV.2011概述★在制備薄膜的過程中，除了應當選擇合適的薄膜材料和沉積工藝外，還要精確控制薄膜沉積過程中的厚度。薄膜的厚度可以有三種說法，它們是幾何厚度、光學厚度和質量厚度。幾何厚度就是薄膜的物理厚度，物理厚度與薄膜的折射率的乘積就是光學厚度。而質量厚度是指單位面積上的膜質量，當薄膜的密度已知時，就可以從質量厚度轉換計算出膜的幾何厚度。一般情況下，薄膜厚度的誤差控制在2％以內，有時可能達5～10％。薄膜厚度的監(jiān)控必須在允許的誤差范圍之內?！镌诒∧こ练e過程中要監(jiān)控薄膜的厚度，首先要能夠測量薄膜的厚度。目前薄膜厚度在線測量的方法主要有：測量電阻法、質量法、反射透射光譜法和橢圓偏振光譜法等等，它們通過測量這些物理參量來實現膜厚的監(jiān)控?！镌谝陨系姆椒ㄖ校娮璺ㄗ钊菀讓崿F，而質量法應用最廣，光學監(jiān)控方法主要應用于光學鍍膜領域。電阻法測量薄膜電阻變化來控制金屬膜厚度是最簡單的一種膜厚監(jiān)控方法。下圖是用惠斯頓電橋測量薄膜電阻率的例子。用這種方法可以測量電阻從1歐姆到幾百兆歐姆的電阻，若加上直流放大器，電阻率的控制精度可達0.01%。但是隨著薄膜厚度的增加，電阻減小要比預期的慢，導致的原因是膜層的邊界效應、薄膜與塊材之間的結構差異以及殘余氣體的影響。因此，用該方法對膜厚監(jiān)控的精度很難高于5％。就是這樣，電阻法在電學鍍膜中還是常被使用的。

用電橋法測量薄膜的電阻率V－被測膜，U－電壓，O－平衡指示器R1,R2,R3－電阻器。石英晶體振蕩法

★如果晶體的基頻越高，控制靈敏度也越高，這要求晶體的厚度足夠小。在沉積過程中，晶體振蕩的頻率不斷下降，隨著膜厚的增加，石英晶體的靈敏度降低，通常頻率的最大變化不得超過幾千赫，不然振蕩器工作將不穩(wěn)定，甚至停止振蕩。為了保證振蕩器工作穩(wěn)定和保持較高的靈敏度，晶體上的膜層鍍到一定厚度后就要清洗，或更換晶體頭。

★石英晶體監(jiān)控的有效精度取決于電子線路的穩(wěn)定性、所用晶體的溫度系數、石英晶體傳感探頭的特定結構以及相對于蒸發(fā)或濺射源的合理位置。一般情況下，利用石英晶體監(jiān)控可以達到2～3％左右的物理厚度精度，對于大多數光學薄膜設計是足夠了。石英晶體振蕩法★石英晶體監(jiān)控有三個非常實際的優(yōu)點：1.是裝置簡單，沒有通光孔的窗口，沒有光學系統(tǒng)安排等麻煩；2.是信號容易判讀，隨著膜厚的增加，頻率線性地下降，與薄膜是否透明無關；3.是它還可以記錄沉積速率，這些特點使它很適合于自動控制；對于小于8分之一光學波長厚度也具有較高的控制精度?！镌摲椒ǖ娜秉c是：

晶體直接測量薄膜的質量而不是光學厚度，對于監(jiān)控密度和折射率顯著依賴于沉積條件的薄膜材料，要得到良好的重復性比較困難。另外它也不同于光學極值法和波長調制法，具有厚度自動補償機理。★值得注意的是在實際使用中，針對薄膜密度與塊材密度的不同或不知膜層的密度，對石英晶體膜厚測量儀的測量的膜厚要進行校正。校正的方法是先鍍一層厚度較厚的薄膜，通過一定的方法（測出該膜層的厚度，然后與晶體振蕩器測量的值進行比較修正。晶體振蕩膜厚儀實例STM-100/MF膜厚監(jiān)控器

Syconinstrumentscompany用途：適用于一般物理氣相沉積（PVD）過程，可精密的檢測鍍膜過程中每秒0.1埃的速率變化，并準確的掌握每一埃的沉積厚度。特點：1、可預先輸入儲存多組鍍膜參數，便于操作者讀取應用2、搭配感測頭選擇器使用，可同時監(jiān)測4～8個感測點的鍍膜速率及膜厚3、內設RS-232電腦接口，可與計算機通信工作4、配備Bipolar高清晰度類比信號輸出端子，可連接記錄儀使用極值法★極值法的控制原理：薄膜的透射光或反射光強度是隨薄膜厚度的變化而變化的，當薄膜的光學厚度在四分之一和二分之一光學波長厚度時，薄膜的透射、反射光譜會出現極值，右圖時不同折射率材料的薄膜的反射、透射率隨光學厚度的變化曲線。

★在光路中設置一個單色儀或窄帶干涉濾光片，測量薄膜的透射率或反射率隨薄膜沉積厚度的變化而變化；利用沉積過程中出現極值點的次數來控制四分之一波長整數倍膜層的方法稱為極值法。

★由于在極值點附近，膜厚的變化對反射或透射光譜的改變并不靈敏，這是該方法原理上固有的缺陷。極值法的控制技巧：★極值法控制通常有三種，一種是直接控制，即全部膜層自始至終直接由被鍍樣品進行控制，不換控制片；另一種是間接控制，即控制是在一系列的控制片上進行的；第三種是半直接控制，它是在鍍有預鍍層的控制片上直接監(jiān)控所有膜層?！镏苯涌刂圃诳刂普瓗V光片方面具有它的合理性，原因有：1、鄰近膜層之間能自動進行膜厚誤差的補償（在控制波長上）；2、避免因凝聚特性變化所引起的誤差，因而使窄帶濾光片獲得很高的波長定位精度。右圖是膜層厚度誤差的補償解釋圖。當鍍A層時，由于膜厚的不準導致誤差δA，但是在鍍下一層B時可以通過極值補償將此誤差減小，當然鍍完B層后，可能也還有誤差δB。即使這樣，到全部膜層鍍好后，誤差也不會積累變得很大。極值法過正控制：由于極值法的固有精度不高，在極值處監(jiān)控信號對于膜厚的變化不夠靈敏。所以有經驗的鍍膜操作者一般并不把沉積停止在理論極值處，而是停止在眼睛能分辨的反轉值處，其目的是故意產生一個一致性的過正量，以減小判斷膜厚的隨機誤差，該方法就是過正控制。波長調制法波長調制法比極值法的控制精度更高，它不是測量控制片的反射率（透射率），而是測量反射（透射）率對波長的導數。在極值點，反射率曲線的導數為零。這樣在控制四分之一波長或其整數倍厚度膜層的精確方法。下圖是波長調制法監(jiān)控示意圖。由光源發(fā)出白光，透過（當然也可以反射）控制片而照射到單色儀的入射狹縫，從單色儀振動狹縫出射的單色光被光電倍增管接收，然后經電路系統(tǒng)顯示。振動狹縫的作用就相當于對從單色儀來的光進行對波長的導數。任意厚度的監(jiān)控方法和裝置★在經典的薄膜系統(tǒng)，不管采用幾種介質材料，也不管有多少層，它們的厚度是規(guī)整的，就都是四分之一波長或其整數倍厚度。這很大程度上是由于傳統(tǒng)的解析設計方法都是以各層厚度為1/4波長或其整數倍為前提的，無疑這種厚度整齊的膜系對于制備和監(jiān)控是方便的，前面的方法已成功地用來監(jiān)控這些膜系。但是隨著光學薄膜的應用日益廣泛，對薄膜的特性不斷提出新的要求，用經典的膜系已不能滿足要求，而必須尋找任何厚度的新膜系。利用電子計算機自動設計技術，為了增加設計參數，通常把各層厚度作為校正參數，因而設計得到的各類膜系，其厚度幾乎都是不規(guī)整的。★任意厚度的薄膜系統(tǒng)具有許多優(yōu)良的光學特性，但是給厚度監(jiān)控提出了很多困難，目前任意厚度的監(jiān)控方法主要有：石英晶體監(jiān)控法，單波長透射（反射光譜）法，寬光譜掃描法，橢圓偏振光譜法。其中石英晶體監(jiān)控法