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(guò)程中，除了應(yīng)當(dāng)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(guò)程中的厚度。薄膜的厚度可以有三種說(shuō)法，它們是幾何厚度、光學(xué)厚度和質(zhì)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(xué)厚度。而質(zhì)量厚度是指單位面積上的膜質(zhì)量，當(dāng)薄膜的密度已知時(shí)，就可以從質(zhì)量厚度轉(zhuǎn)換計(jì)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(nèi)，有時(shí)可能達(dá)5～10％。薄膜厚度的監(jiān)控必須在允許的誤差范圍之內(nèi)?！镌诒∧こ练e過(guò)程中要監(jiān)控薄膜的厚度，首先要能夠測(cè)量薄膜的厚度。目前薄膜厚度在線測(cè)量的方法主要有：測(cè)量電阻法、質(zhì)量法、反射透射光譜法和橢圓偏振光譜法等等，它們通過(guò)測(cè)量這些物理參量來(lái)實(shí)現(xiàn)膜厚的監(jiān)控?！镌谝陨系姆椒ㄖ?，電阻法最容易實(shí)現(xiàn)，而質(zhì)量法應(yīng)用最廣，光學(xué)監(jiān)控方法主要應(yīng)用于光學(xué)鍍膜領(lǐng)域。電阻法測(cè)量薄膜電阻變化來(lái)控制金屬膜厚度是最簡(jiǎn)單的一種膜厚監(jiān)控方法。下圖是用惠斯頓電橋測(cè)量薄膜電阻率的例子。用這種方法可以測(cè)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(dá)0.01%。但是隨著薄膜厚度的增加，電阻減小要比預(yù)期的慢，導(dǎo)致的原因是膜層的邊界效應(yīng)、薄膜與塊材之間的結(jié)構(gòu)差異以及殘余氣體的影響。因此，用該方法對(duì)膜厚監(jiān)控的精度很難高于5％。就是這樣，電阻法在電學(xué)鍍膜中還是常被使用的。

用電橋法測(cè)量薄膜的電阻率V－被測(cè)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(guò)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(guò)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(shù)、石英晶體傳感探頭的特定結(jié)構(gòu)以及相對(duì)于蒸發(fā)或?yàn)R射源的合理位置。一般情況下，利用石英晶體監(jiān)控可以達(dá)到2～3％左右的物理厚度精度，對(duì)于大多數(shù)光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)是足夠了。石英晶體振蕩法★石英晶體監(jiān)控有三個(gè)非常實(shí)際的優(yōu)點(diǎn)：1.是裝置簡(jiǎn)單，沒(méi)有通光孔的窗口，沒(méi)有光學(xué)系統(tǒng)安排等麻煩；2.是信號(hào)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(wú)關(guān)；3.是它還可以記錄沉積速率，這些特點(diǎn)使它很適合于自動(dòng)控制；對(duì)于小于8分之一光學(xué)波長(zhǎng)厚度也具有較高的控制精度?！镌摲椒ǖ娜秉c(diǎn)是：

晶體直接測(cè)量薄膜的質(zhì)量而不是光學(xué)厚度，對(duì)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(fù)性比較困難。另外它也不同于光學(xué)極值法和波長(zhǎng)調(diào)制法，具有厚度自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)理?！镏档米⒁獾氖窃趯?shí)際使用中，針對(duì)薄膜密度與塊材密度的不同或不知膜層的密度，對(duì)石英晶體膜厚測(cè)量?jī)x的測(cè)量的膜厚要進(jìn)行校正。校正的方法是先鍍一層厚度較厚的薄膜，通過(guò)一定的方法（測(cè)出該膜層的厚度，然后與晶體振蕩器測(cè)量的值進(jìn)行比較修正。晶體振蕩膜厚儀實(shí)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(guò)程，可精密的檢測(cè)鍍膜過(guò)程中每秒0.1埃的速率變化，并準(zhǔn)確的掌握每一埃的沉積厚度。特點(diǎn)：1、可預(yù)先輸入儲(chǔ)存多組鍍膜參數(shù)，便于操作者讀取應(yīng)用2、搭配感測(cè)頭選擇器使用，可同時(shí)監(jiān)測(cè)4～8個(gè)感測(cè)點(diǎn)的鍍膜速率及膜厚3、內(nèi)設(shè)RS-232電腦接口，可與計(jì)算機(jī)通信工作4、配備Bipolar高清晰度類比信號(hào)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(qiáng)度是隨薄膜厚度的變化而變化的，當(dāng)薄膜的光學(xué)厚度在四分之一和二分之一光學(xué)波長(zhǎng)厚度時(shí)，薄膜的透射、反射光譜會(huì)出現(xiàn)極值，右圖時(shí)不同折射率材料的薄膜的反射、透射率隨光學(xué)厚度的變化曲線。

★在光路中設(shè)置一個(gè)單色儀或窄帶干涉濾光片，測(cè)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(guò)程中出現(xiàn)極值點(diǎn)的次數(shù)來(lái)控制四分之一波長(zhǎng)整數(shù)倍膜層的方法稱為極值法。

★由于在極值點(diǎn)附近，膜厚的變化對(duì)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(jìn)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(jìn)行的；第三種是半直接控制，它是在鍍有預(yù)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(dòng)進(jìn)行膜厚誤差的補(bǔ)償（在控制波長(zhǎng)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(zhǎng)定位精度。右圖是膜層厚度誤差的補(bǔ)償解釋圖。當(dāng)鍍A層時(shí)，由于膜厚的不準(zhǔn)導(dǎo)致誤差δA，但是在鍍下一層B時(shí)可以通過(guò)極值補(bǔ)償將此誤差減小，當(dāng)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(huì)積累變得很大。極值法過(guò)正控制：由于極值法的固有精度不高，在極值處監(jiān)控信號(hào)對(duì)于膜厚的變化不夠靈敏。所以有經(jīng)驗(yàn)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(zhuǎn)值處，其目的是故意產(chǎn)生一個(gè)一致性的過(guò)正量，以減小判斷膜厚的隨機(jī)誤差，該方法就是過(guò)正控制。波長(zhǎng)調(diào)制法波長(zhǎng)調(diào)制法比極值法的控制精度更高，它不是測(cè)量控制片的反射率（透射率），而是測(cè)量反射（透射）率對(duì)波長(zhǎng)的導(dǎo)數(shù)。在極值點(diǎn)，反射率曲線的導(dǎo)數(shù)為零。這樣在控制四分之一波長(zhǎng)或其整數(shù)倍厚度膜層的精確方法。下圖是波長(zhǎng)調(diào)制法監(jiān)控示意圖。由光源發(fā)出白光，透過(guò)（當(dāng)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(dòng)狹縫出射的單色光被光電倍增管接收，然后經(jīng)電路系統(tǒng)顯示。振動(dòng)狹縫的作用就相當(dāng)于對(duì)從單色儀來(lái)的光進(jìn)行對(duì)波長(zhǎng)的導(dǎo)數(shù)。任意厚度的監(jiān)控方法和裝置★在經(jīng)典的薄膜系統(tǒng)，不管采用幾種介質(zhì)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(zhǎng)或其整數(shù)倍厚度。這很大程度上是由于傳統(tǒng)的解析設(shè)計(jì)方法都是以各層厚度為1/4波長(zhǎng)或其整數(shù)倍為前提的，無(wú)疑這種厚度整齊的膜系對(duì)于制備和監(jiān)控是方便的，前面的方法已成功地用來(lái)監(jiān)控這些膜系。但是隨著光學(xué)薄膜的應(yīng)用日益廣泛，對(duì)薄膜的特性不斷提出新的要求，用經(jīng)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(jì)算機(jī)自動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)，為了增加設(shè)計(jì)參數(shù)，通常把各層厚度作為校正參數(shù)，因而設(shè)計(jì)得到的各類膜系，其厚度幾乎都是不規(guī)整的?！锶我夂穸鹊谋∧は到y(tǒng)具有許多優(yōu)良的光學(xué)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(zhǎng)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