膜厚的测量与监控

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2016/10/26,#,膜厚和,淀积速率的测量与监控,XXX,2019,年,9,月,20,日,25,薄膜的性质和结构主要决定于薄膜的成核与生长过程，实际上受许多淀积参数的影响,真空度,粒子速度,膜厚,淀积速率,引言,衬底温度,粒子性质,角,分布,“,”,本节将,着重介绍,薄膜厚度的测定和监控方法,。,沉积速率,的测定与监控，只要是能在制膜过程中有,连续反映,膜厚能力的测试方法，再计及时间间隔，都可以用来作为沉积速率测定与监控的方法。,引言,基本概念,薄膜,在基板的垂直方向上所堆积的,1,10,4,的原子层或分子层,厚度,是,指两个完全平整的平行平面之间的距离，是一个可观测到实体的尺寸。因此，这个概念是一个几何概念,。,理想,的薄膜厚度是指基片表面和薄膜表面之间的,距离,薄膜的分类,薄膜具有微观结构,膜厚既是一个宏观概念，又是微观上的实体线度,平均,表面,平均表面是指表面原子所有的点到这个面的距离代数相等于零，平均表面是一个儿何概念。,膜厚,的分类,G,：实际表面,P,：平均表面,基片,表面,Ss,：,基片一侧的表面分子的集合的平均表面,薄膜形状,表面,Sr,：,薄膜,上不与基片接触的那一侧的表面的平均,表面,薄膜质量等价表面,Sm,:,将,所测量的薄膜原子重新排列，使其密度和块状材料相同且均匀分布在基片表面,上的平均表面,薄膜物性等价表面,Sp,:,根据,测量薄膜的物理性质等效为一定长度和宽度与所测量的薄膜相同尺寸的块状材料的,薄膜的,平均表面,膜厚,的分类,形状膜厚,d,r,：,是,S,s,和,S,T,面,之间的,距离，单位,m,质量膜,厚,d,m,：,是,S,s,和,S,M,面,之间的,距离，单位,g,cm,2,物性膜厚,d,P,:,是,S,s,和,S,P,面,之间的距离,膜厚,的分类,膜厚,的分类,膜厚定义,测试手段,测试方法,形状膜厚,机械方法,光学方法,其他方法,触针法 测微计法,多次反射干涉法,双光线干涉法,电子显微镜法,质量膜厚,质量测定法,原子数测定法,化学天平法 微量天平法 扭力天平法 石英晶体振荡法,比色法,X,射线荧光法,离子探针法,放射性分析法,物性膜厚,电学方法,光学方法,电阻法 电容法 涡流法 电压法,干涉色法 椭圆偏振法 光吸收法,表,2-8,膜厚的测试方法,称重法,微量天平法（质量膜厚）,天平,必须满足专门的要求,：,具有,足够的,灵敏度,机械,上是,刚性,的,在,较高温度下易于除气并有非周期性的,阻尼,特性,方法：,将微量天平设置在,真空室,内，把蒸镀的,基片吊在天平横梁的一端,，测出随薄膜的淀积而产生的,天平倾斜,，进而求出薄膜的,积分堆积量,，然后换算为膜厚。由此便可得到质量膜厚。,微量天平法,膜厚,：,如果积分堆积,量（质量,）,为,m,，,蒸,镀膜的密度,为,，基片,上的蒸镀面积为,A,，,其,膜厚为：,一般,采用块材的密度值。,膜厚误差：,在一定的面积内，测定,面积,A,的,误差可以保持很,小，并,可忽略。因此厚度部分的误差为,：,如果,处理得当，测定质量的误差可为,土,2,g,。,微量天平法,优点：,灵敏度高,而且能测定淀积质量的,绝对值,能在,比较广的范围内,选择基片,材料,能在淀积过程中,跟踪质量的,变化,缺点：,刚淀积的薄膜暴露在大气时，会,立即吸附水气,等，吸气后的重量变化可能比微量天平的精度,大,12,个数量级,。,另,一个问题是不能在一个基片上,测定膜厚的分布,，因为所得到的是整个面积,A,上的,平均,厚度,。,薄膜,的,实际密度不等于块材密度,时，这一等效厚度也就不是真正的厚度。通常由前面公式得到的厚度值稍小于实际的厚度值。,石英晶体振荡法,原理,:,这,是一种利用改变石英晶体电极的微小厚度，来调整晶体振荡器的固有振荡频率的方法,。,方法：,利用,这一原理，在,石英晶片电极上淀积薄膜,，然后,测其固有频率的变化,就可求出质量膜厚,。,石英晶体振荡法,d,f,振荡,频率,变化,dx,质量,膜,厚,N,频率常数,N=1670kHzmm,m,为,淀积物质的,密度,是,石英晶体的,密度,2.65g,cm,3,。,石英晶体振荡法,优点,：测量,简单，能够在制膜过程中,连续测量膜厚,。,由于,膜厚的变化是通过频率显示，因此，如果在输出端引入时间的微分电路，就能,测量薄膜的生长速度或蒸发速率,。,缺点,：测量的膜厚,始终是在石英晶体振荡片上,的薄膜,厚度,并且,每当改变晶片位置或蒸发源形状时，都必须重新校正,，,若,在溅射法中应用此法测膜厚，很容易,受到电磁干扰,。此外,，,探头,(,石英晶片,),工作温度一般,不允许超过,80,，否则将会带来很大误差。,原理：,由于,电阻值与,电阻体的形状,有关，利用这一原理来测量膜厚的方法称电阻法,。由于,金属导电膜的,阻值随膜厚的增加而下降,，所以用电阻法可对,金属膜的淀积厚度进行监控,，以制备性能符合要求的金属,薄膜。,电学方法,电阻法,电阻法,由于材料的电阻率,(,或者电导率,),通常是与整块材料的形状有关的一个确定值，如果认为薄膜的电阻率与块材相同，则可由下式确定膜厚，即,Rs,正方形,平板电阻器沿其边方向的,电阻值,该,Rs,值与正方形的尺寸无关，常称为方电阻或面电阻，简称方阻，单位为,/,。方阻是在实际上经常使用的一个参数。,电阻法,局限性,随着,薄膜,厚度的减小,，电阻增大的,速率,比预料的要,大,。,原因,:1),由于薄膜界面上的,散射,2,),薄膜的结构与大块材料的结构,不同,3,),附着和被吸附的残余气体对电阻的,影响。,此外,，超薄薄膜的电导率会发生变化，是因为这种薄膜是,不连,的,以,岛状结构形式存在，其特性与连续薄膜完全不一样,。,电容法,原理：,电介质,薄膜的厚度可以通过,测量它的电容量,来确定,。,方法：,根据,这一原理可以在绝缘基板上，按设计要求先,淀积出叉指形电极对,，使之形成平板形叉指电容器。当未淀积介质时，叉指电容值主要由基板的介电常数决定。而在叉指上淀积介质薄膜后，其电容值由叉指电极的间距和厚度，以及淀积薄膜的介电系数决定。只要用,电容电桥测出电容值便可确定淀积的膜厚,。,电离式监控计法,原理示意图,光学方法（物性薄膜）,光吸收法,光,干涉法,原理：,光,干涉法的理论基础是,光的干涉效应,。当,平行单色光,照射到薄膜表面上时，从,薄膜的上、下表面反射回来的两束光在上表面相遇后，就发生干涉现象,。而且，当,束光入射于薄膜上时，从,膜的反射光和透射光的特性将随薄膜厚度而变化,。通过测定反映反射光或透射光特性的某个参量，即可测定薄膜的厚度。,上表面,下表面,光,干涉法,如果两束相干光的波程,差,等于,波长的整数倍,则两束光相互,加强,。如果波程,差,等于,半波长的奇数倍,，则两束光相互,削弱,。因此，当膜层,厚度相差,/2,(,光学厚度,),时，即膜层的几何厚度相差,/2n,(,n,为薄膜材料的折射率,),时，反射率相同，这就是光干涉法测膜厚的基础,。,光,干涉法,薄膜折射率,比较,片折射率（,曲线,4,5,）,nt=/4,反射率达到,最,大,值,nt=/2,反射率达到,最,小,值,光,干涉法,在薄膜淀积过程,中记录,淀积膜反射率经过极值点的次数,，则可,监控膜层的厚度,。并且还应在反射率达到某一极值时，中断淀积过程。,如果,淀积中经过极值点的次数为,m,次，则薄膜的光学厚度恰好,等于,m,4,光,干涉法,m,=16,若只计算最大值，只需注意观察到第,8,个最大值即可,等厚干涉法,如果在,楔形,薄膜上产生单色干涉光，在一定厚度下就能满足最大和最小的干涉条件。因此，能观察到,明暗相间的平行条纹,。这已成为膜厚测量的标准方法。如果厚度不规则，则干涉条纹也呈现不规则的形状。,原理,等厚干涉条纹法,触针法,这种方法在针尖上镶有,曲率半径为几微米,的蓝宝石或金刚石的,触针,，使其在薄膜表面上移动时，由于试祥的台阶会,引起触针随之作阶梯式上下运动,。再采用机械的、光学的或电学的方法，放大触针所运动的距离并转换成相应的读数，该读数所表征的距离即为薄膜,厚度。,原理,触针法,1.,差动变压器法,利用,差动变压器法放大触针上下运动距离,的原理如图,238(a),所示。图中线圈,2,和线圈,3,的输出反相连接。由于铁芯被触针牵动随触针上下移动，此时，,线圈,2,和线圈,3,输出,差动电信号,，放大此信号并显示相应于触针运动距离的数值。,触针法,2.,阻抗,放大法,阻抗,放大法的原理如图,238(b),所示。由于触针上下运动使电感器的,间隙,d,发生,相应的变化时，感抗随之变化，导至线圈阻抗改变,。再利用放大电路放大并显示该阻抗的变化量，即可表征触针上下运动的距离。,d,触针法,3.,压电,元件,法,压电,元件法是,利用压电材料的压电效应来放大并显示触针上下运动的距离,。由于触针上下运动。作用在压电晶体元件的压力将随之改变，从而导致元件的,电参数亦随之改变,。放大并显示该电参数的变化量，即可表征触针上下运动的数值。,触针法,触针式膜厚测量法广泛用于硬质膜厚的测量，其,精度比多光束干涉法精确,。但应,注意以下几个方面,，因为它直接影响触针法的应用与精度,：,由于,触针尖端的面积非常小,，会,穿透铝膜,等易受损伤的软质膜，并在其上划出道沟，从而产生极大的误差,；,基片,表面的起伏或不平整,所造成的“噪声”亦会引起误差；,被,测薄膜与基片之间，必须要有,膜,-,基台阶存在,，才能进行测量。,谢 谢,XXX,膜厚和,淀积速率的测量与监控,XXX,2019,年,9,月,20,日,25,