膜厚的测量与监控.pptx

,膜厚和淀积速率的测量与监控,XXX,2016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,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1 104 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dr：是Ss 和ST 面之间的距离，单位m 质量膜厚dm：是Ss 和SM 面之间的距离，单位gcm2 物性膜厚dP : 是Ss 和SP 面之间的距离,膜厚的分类,膜厚的分类,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2g 。,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。,石英晶片的固有振动频率f，与厚度t之间的关系： = = 对上式求导可得： = ,石英晶体振荡法,振荡频率变化与薄膜质量膜厚之间关系的基本公式： = ,df 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 2.65gcm3。,若在蒸镀时石英晶体上接收的沉积厚度（质量膜厚）为dx，则相应的晶体厚度变化为： = ,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）,原理：通过测量通过薄膜光强度的变化，可以确定吸收薄膜的厚度 如果强度为I0的光照射具有光吸收性的薄膜，则透过薄膜的光强度可由下式表示 t 膜厚 吸收系数 R薄膜与空气界面上的反射率 适用范围：常用于金属蒸发膜厚度测定，且适用于淀积过程的控制。也适用于在一定面积上薄膜厚度均匀性的检测 局限：此方法只适用于能形成连续的、薄的微晶的薄膜材料(如Ni-Fe合金等)，其他物质(如Ag)在小的厚度时(30mm)，透射光强随厚度成线性衰减。因此，只有能满足上式的蒸发材料才适用。,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1,2） nt=/4 反射率达到最小值 nt=/2 反射率达到最大值,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,例如：设计淀积2m厚的SiO薄膜，已知SiO的折射率n2.0，监控片的折射率n=1.5，单色光的波长 1 m，并假设薄膜的吸收为零，则 =nt N淀积薄膜的折射率 t淀积薄膜厚度 nt淀积薄膜的光学厚度 入射光波长 M系数(m=0,1,2,),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,由于两者之间间隔很小，于是干涉条纹就非常窄。如果L是条纹间距，L是条纹的位移，则薄膜厚度可由下式给出 = 是单色光的波长,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