膜厚的测量与监控.pptx

2—5 膜厚和淀积速率的测量与监控XXX2016年9月20日引言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膜厚粒子性质角分布衬底温度淀积速率粒子速度引言“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。”薄膜的分类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膜厚的分类G：实际表面 P：平均表面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μm质量膜厚dm：是Ss 和SM 面之间的距离，单位μg／cm2物性膜厚dP : 是Ss 和SP 面之间的距离膜厚的分类表2-8膜厚的测试方法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 光吸收法称重法微量天平法（质量膜厚） 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。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1—2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：??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=1670kHz?mm?m ——为淀积物质的密度? ——是石英晶体的密度 ?＝2.65g／cm3。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。 电学方法电阻法原理：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