利用石英晶体对膜层厚度检测的研究

利用石英晶体对膜层厚度检测的研究
摘要本文详细阐述了利用石英晶体谐振器检测蒸镀薄膜膜层厚度和速率的基本原理及优势。

结合石英晶体压电特性，推导出原料与不同材料结合时的谐振频率变化和蒸镀层材料之间质量与频率关系，从而推算出精确膜厚。

为各领域探测蒸镀材料厚度提供精确的测量支持。

关键词石英晶体谐振器；蒸镀膜层；质量负荷效应
前言
石英晶体具有压电效应，石英晶体的固有谐振频率与其厚度在一定变化范围内存在线性关系，可将这种特质应用到蒸镀膜层探测中对蒸镀膜厚度和速率进行探测，确定蒸镀膜层复合系统中谐振频率变化和蒸镀材料质量之间的关系。

因此探究石英晶体谐振器探测蒸镀膜层的特性具有重要意义。

1 石英晶体的特有性能
石英晶体主要特性有两个：压电效应、质量负荷效应。

压电效应：石英晶体是离子型结构，其结晶点阵是有规则分布的。

当有外力作用到石英晶体使其产生机械形变时，石英自身会产生极化现象，成为压电效应。

例如当外加1*105帕压强时，石英表面会出现正负电荷，产生约0.5V的电压。

质量负荷效应：同时石英晶体也具有逆压电效应，对其外加电场时，会使产生机械形变，我们称这种现象为电致伸缩。

当外加为交变电场时，石英晶体会产生伸长或缩短的形变，其频率与外加电场频率有关。

同时，石英晶体的谐振频率与几何尺寸、切割类型，晶片厚度均有关系。

当其他参数一定时，可以通过更改石英晶片的厚度，相应的调整频率。

所以，通常我们在石英晶片上蒸镀镀一层金属薄膜，增加晶片厚度，此时，晶片的谐振频率会发生改变，逐渐变小。

这个改变被称为质量负荷效应。

2 石英晶体谐振器探测蒸镀膜层特性的原理分析
石英晶体的谐振频率与蒸镀的膜层厚度有关。

随着膜厚增加，频率逐渐减小。

因此利用石英晶体制作而成的谐振器可以对蒸镀膜的厚度以及蒸镀速率进行精准的监测。

石英晶体谐振频率与厚度的关系，在一定范围内可以等效为线性关系，具体如下：
对于在石英晶片上蒸镀一种材料的情况来说，可以把石英晶片与蒸镀材料当作一个复合声学谐振系统。

此时，可以将蒸镀的膜层厚度等效成石英晶片的厚度，
从而计算整个谐振器系统的频率，当然我们也就可以通过监控石英晶体的频率变化，来计算出膜层的实际厚度。

所以，对（1）式求导可得：
根据公式按照谐振器频率的变化，利用计算机对膜层面密度和厚度进行实时监控。

就可以通过检测石英晶片谐振频率的变化，实现对膜厚的实时监控。

石英晶片监控频率可以弥补光学监控系统的缺陷，不会出现光学监控系统中信号的起伏，通过膜层厚度与频率的线性关系可以很容易微分算出出蒸镀速率。

膜材的折射率、均匀重复性等指标与镀膜时的镀膜速率有很大关系，因此为了保证产品的稳定性、一致性，在监控频率中使用石英晶体法来监控淀积速率使不二的选择。

3 利用石英晶体谐振器探测蒸镀膜层特性的具体实施方法
一般情况下，需要测试单层膜蒸镀厚度，都是在真空密闭的环境中检测膜厚。

首先选择右旋的石英晶块，切成AT切晶片，AT切切割面平行于电轴，并与光轴绕顺时针方向呈约35°15′的夹角，这个切型的晶片频率对温度变化并不敏感，但对质量变化极其敏感。

在在-40～90℃的温区范围内，温度系数大约是±10-6/℃量级。

因此，AT且的这些特性使其更适合做薄膜蒸镀中的膜厚监控。

晶片磨成圆形，厚度约为0.2mm，平面倒角，直径厚度比约为φ/t=70。

石英晶片两面分别鍍以金属层，两面镀已不同电极方便测量。

如图：
在膜层探测头内，石英晶片放置在晶体座内部，正面电极膜的周边和镀银的紫铜探头座之间具备良好电、热接触。

谐振器正反面分别与探头座和指形弹簧边电路进行连接。

给谐振器加一个垂直电场，她发生压电效应产生了厚度切变模式的机械振动。

通常情况下，晶片固有谐振频率选定在6MHz左右。

在镀膜过程中，随着电极膜层厚度的不断增加，石英晶体的振动频率逐渐减小。

通过对石英晶体电极膜的厚度的检测与沉淀速度进行对比，对电石英晶体谐振器运行的灵敏度与准确度进行密切监测，一旦发现异常，可以及时采取措施进行处理，以此保证蒸镀膜层各项系统运行的可靠性与稳定性。

现在制备的用于测量膜厚的石英晶体有非常高的灵敏度，可以测试10-10数量级厚度的膜厚。

这种谐振器一般选用的5～10Mhz的频率范围的晶体片。

在测量过程中，谐振频率下降2%～3%后，由于电阻变大，谐振器不能稳定工作﹐便会产生跳频现象。

此时再继续使用此谐振器进行测量，可能会出现停振现象。

不同蒸镀材料对石英晶体的频率有不同的影响，也就是说在石英晶体制备过程中使用的不同材料镀膜直接影响着石英晶体运行的可靠性与稳定性。

一般情况下，在电石英晶体的电极膜层外部再加上一层材料膜，如果这些系统在运行过程中不出现任何问题或者其他异常现象，还可以保证电石英晶体的正常使用。

在电极膜层加上蒸镀一层材料膜的工作方法，在一定从程度上保证了电石英晶体振幅的敏感性与灵敏度。

对于这样的复和谐振系统，我们经过相关试验分析，通过相应的计算方法，得出不同界面处的数据信息，根据最后的石英晶体的振幅情况得出合理的设计方案。

这种方式主要就是在电石英晶体不同的界面输入声阻力，然后根据第二层膜的面密度与振幅频率变化情况，找出二者之间的内部联系，并利用相应数据结果得出电石英晶体振幅的特定原理。

4 结束语
综上所述，本文首先介绍了石英晶体的压电特性及质量负荷效应，然后通过计算分析了在蒸镀一种材料时石英晶体与蒸镀膜层频率关系，最后介绍了具体实现的过程希望能够为实际操作提供一定的参考。