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薄膜物理膜厚的测量与监控.ppt

薄膜物理膜厚的测量与监控

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2018-05-30 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《薄膜物理膜厚的测量与监控ppt》,可适用于市场营销领域

薄膜物理与技术:石市委:swshiahueducn:物理与材料科学学院安徽大学教师邮箱院系真空蒸发镀膜第二章mdash膜厚和淀积速率的测量与监控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如淀积速率、粒子速度与角分布、粒子性质、衬底温度及真空度等。因此在气相沉积技术中为了监控薄膜的性质与生长过程必须对淀积参数进行有效的测量与监控。在所有沉积技术中淀积速率和膜厚是最重要的薄膜淀积参数。一、膜厚的分类薄膜通常是在基板的垂直方向上所堆积的~的原子层或分子层。在此方向上薄膜具有微观结构。理想的薄膜厚度是指基片表面和薄膜表面之间的距离。图是实际表面和平均表面的示意图。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。通常将基片一侧的表面分子的集合的平均表面称为基片表面Ss薄膜上不与基片接触的那一侧的表面的平均表面称为薄膜形状表面Sr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这时的平均表面称为薄膜质量等价表面Sm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这时的平均表面称为薄膜物性等价表面Sp。由此可以定义:()形状膜厚dr是Ss和ST面之间的距离()质量膜厚dm是Ss和SM面之间的距离()物性膜厚dP是Ss和SP面之间的距离。形状膜厚dT是最接近于直观形式的膜厚通常以mum为单位。dT只与表面原子(分子)有关并且包含着薄膜内部结构的影响质量膜厚dM反映了薄膜中包含物质的多少通常以mug/cm为单位它消除了薄膜内部结构的影响(如缺陷、针孔、变形等)物性膜厚dP在实际使用上较有用而且比较容易测量它与薄膜内部结构和外部结构无直接关系主要取决于薄膜的性质(如电阻率、透射率等)。三种定义的膜厚往往满足下列不等式:表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、光吸收法二、称量法.微量天平法所使用的天平必须满足专门的要求具有足够的灵敏度。如果积分堆积量(质量)为m蒸镀膜的密度为rho基片上的蒸镀面积为A其膜可由下式确定()式中rho一般采用块材的密度值。石英晶体振荡法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。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。由于此法使用简便精确度高已在实际中得到广泛应用。此法在本质上也是一种动态称重法。振荡频率变化与薄膜质量膜厚之间关系的基本公式:df为振荡频率变化dx为质量膜厚这种测膜厚方法的优点是测量简单能够在制膜过程中连续测量膜厚。而且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。其缺点是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℃否则将会带来很大误差。利用上述原理制成的石英晶体膜厚监控仪国产型号有MSB型、SKlA(B)型等用于电阻或电子束蒸发设备上监控金属、半导体和介质薄膜的厚度。该方法最高灵敏度是Hz左右换算为石英晶体的质量膜厚为nm。三、电学方法.电阻法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。电阻法是测量金属薄膜厚度最简单的一种方法。由于金属导电阻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。但是随着薄膜厚度的减小电阻增大的速率比预料的要大。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()式中Rs为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Omega□。方阻是在实际上经常使用的一个参数。因此采用电桥法或欧姆表直接测试出阻值监控片上的淀积薄膜的方电阻值便可根据式()得出膜厚值。用电桥法测量电阻的原理如图所示。采用电阻法测量的薄膜电阻值范围介于几分之一欧至几百兆欧之间一候达到设计电阻值时通过继电器控制电磁阀挡板便可立即停止蒸发淀积。使用普通仪器电阻测量精度可达plusmn%~plusmn%。由于准确确定薄膜的rho值有困难所以用电阻法测得的膜厚仍有一定误差。通常为>plusmn%左右。.电容法电介质薄膜的厚度可以通过测量它的电容量来确定。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。.电离式监控计法电离式监控计是基于电离真空计的工作原理在真空蒸发过程中蒸发物的蒸气通过一只类似BA规式的传感规时与电子碰撞并被电离所形成离子流的大小与蒸气的密度成正比。由于残余气体的影响传感规收集到的离子流由蒸发物蒸气和残余气体两部分离子流组成。如果用一只补偿规测出残余气体离子流的大小并将两个规管的离子流送到差动放大器再通过电路补偿消除残余气体的离子流这样得到的差动信号就是蒸发物质的蒸发速率信号利用此信号可以实现蒸发速率的测量与控制。电离式监控计只适于真空蒸发镀膜工艺。所用传感规实际上是经过改型的BA真空规其结构如图所示。差动放大器将传感规和补偿规两个离子流之差进行放大就成为蒸发速率信号再将该信号送到自动平衡记录仪并同时通过放大调节器送到磁放大器就可实现对蒸发电源进行自动调节从而达到控制蒸发速率的目的。四、光学方法.光吸收法如果强度为I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()式中t为膜厚a是吸收系数R为薄膜与空气界面上的反射率。显然通过测量光强度的变化利用上式可以确定吸收薄膜的厚度。这种方法非常简单常用于金属蒸发膜厚度测定且适用于淀积过程的控制。淀积速率一定时在半对数坐标图上透射光强与时间的关系是线性的。这种方法也适用于在一定面积上薄膜厚度均匀性的检测。但必须指出此方法只适用于能形成连续的、薄的微晶的薄膜材料(如NiFe合金等)其他物质(如Ag)在小的厚度时(~mm)透射光强随厚度成线性衰减。因此只有能满足式(mdash)的蒸发材料才适用。.光干涉法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mdash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。显然用这种方法所测量的是薄膜的光学厚度。以入射光的波长lambda作为计量单位精确度达plusmn。如果设膜的折射率n与块材相同则从光学厚度(nt)可求得薄膜的几何厚度t。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lambda(光学厚度)时即膜层的几何厚度相差lambdan(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。在薄膜淀积过程中如果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。如果淀积一层折射率小于比较片折射率的材料并采用单色光源则淀积开始后反射率将随膜厚的增加而减小当薄膜的光学厚度达到lambda时反射率达到最小值。如果继续淀积则反射率随膜厚的增加而上升并在薄膜的光学厚度达lambda时达到与监控片反射率相等的最大值。如此继续下去下一个最小值在lambda处最大值在lambda处helliphellip。反射率的变化规律如图中的曲线、所示。在薄膜淀积过程中如果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m次则薄膜的光学厚度恰好等于mlambda。需要指出金属薄膜在可见光范围内吸收性很强无法观察出极值点。因此这种方法不适用于测定或监控金属薄膜。.等厚干涉条纹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。图是这种测量方法的示意图。产生干涉的膜层是由一小角度的两块光学平板之间的空气隙所形成其中一块蒸镀有被测薄膜并在其表面上形成台阶两块平板上都蒸镀有相同材料的金属薄膜。由于两者之间间隔很小于是干涉条纹就非常窄。如图所示如果L是条纹间距DeltaL是条纹的位移则薄膜厚度可由下式给出()式中lambda是单色光的波长。五、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。例如触针钻石探头半径为mm测试时与样品的接触压力约g。常用的电学放大法有以下几种: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mdash(a)所示。图中线圈和线圈的输出反相连接。由于铁芯被触针牵动随触针上下移动此时线图和线圈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。.阻抗放大法阻抗放大法的原理如图mdash(b)所示。由于触针上下运动使电感器的间隙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。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ldquo噪声rdquo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。习题二什么是饱和蒸气压?蒸发温度?克克方程及其意义?蒸发速率、温度变化对其的影响?平均自由程与碰撞几率的概念?膜厚的定义?监控方法?试简述分子束外延技术(MBE)的主要特点及其主要用途。在小面积圆形基片上用点源蒸发镀膜。设源mdash基距为基片直径的倍试求出基片上膜厚的最大相对偏差。现有一球形玻璃泡欲在其内表面蒸镀铝膜蒸发源是一小平面状铝片。试证明将蒸发源置于玻璃泡底部就能得到厚度均匀分布的膜层。当小平面源为球形工作架的一部分时在内球体表面上的膜厚分布是均匀的。当时厚度与角无关对于一定半径R的球形工作架其内表面膜厚取决于材料性质、R的大小及蒸发量。小平面源与基板相对位置

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