【精品课件】薄膜厚度的监控
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石英晶体监控的有效精度取决于电子线路的稳定性、所用晶体的温度系数、石英 晶体传感探头的特定结构以及相对于蒸发或溅射源的合理位置。一般情况下，利 用石英晶体监控可以达到2～3％左右的物理厚度精度，对于大多数光学薄膜设计 是足够了。
Hale Waihona Puke Baidu
石英晶体监控有三个非常实际的优点：1是装置简单，没有通光孔的窗 口，没有光学系统安排等麻烦；2是信号容易判读，随着膜厚的增加， 频率线性地下降，与薄膜是否透明无关；3是它还可以记录沉积速率， 这些特点使它很适合于自动控制；对于小于8分之一光学波长厚度也具 有较高的控制精度。
石英晶体振荡器的预期灵敏度可高达10-9g/cm2，对于密度为1g/cm3的 材料，其对应的物理厚度大致为0.01nm。但是，实际所能达到的灵敏度 大致只有10-7 g/cm2，另外由于膜层密度与块材的不同，使得物理厚度 的测量精度受到限制。
原理：
石英晶体的压电效应的固有频率不仅取决于晶体的几何尺寸和切割类型， 而且还与厚度d相关，即：f=N/d，N是与晶体的几何尺寸和切割类型相 关的频率常数。对于AT切割的石英晶体，N=fd＝1670Kc.mm。AT切 割的晶体的振动频率对质量的变化特别敏感，但对于温度变化（在－40 度到90度范围温度系数大致在10－6/度），这个特性使得石英晶体特别 适合于薄膜的质量控制。
四、目视法
最早的光学控制方法是利用眼睛作为接收器，目视观察薄膜干涉色的变化来控制 介质膜的厚度。
晶体振荡膜厚仪实例
用途：适用于一般物理气相沉积（PVD）过程， 可精密的检测镀膜过程中每秒0.1埃的速率变化， 并准确的掌握每一埃的沉积厚度。
STM-100/MF膜厚监控器
Sycon instruments pany
特点： 1、可预先输入储存多组镀膜参数，便于操作者读取应用 2、搭配感测头选择器使用，可同时监测4～8个感测点的镀膜 速率及膜厚 3、内设RS-232电脑接口，可与计算机通信工作 4、配备Bipolar高清晰度类比信号输出端子，可连接记录仪 使用
测量薄膜电阻变化来控制金属膜厚度是最简单的一种膜厚监控方法。右图是用 惠斯顿电桥测量薄膜电阻率的例子。用这种方法可以测量电阻从1欧姆到几百 兆欧姆的电阻，若加上直流放大器，电阻率的控制精度可达0.01%。
但是随着薄膜厚度的增加，电阻减小 要比预期的慢，导致的原因是膜层的 边界效应、薄膜与块材之间的结构差 异以及残余气体的影响。因此，用该 方法对膜厚监控的精度很难高于5％。 就是这样，电阻法在电学镀膜中还是 常被使用的。
在薄膜沉积过程中要监控薄膜的厚度，首先要能够测量薄膜的厚度。 目前薄膜厚度在线测量的方法主要有：测量电阻法、质量法、反射透 射光谱法和椭圆偏振光谱法等等，它们通过测量这些物理参量来实现 膜厚的监控。
在以上的方法中，电阻法最容易实现，而质量法应用最广，光学监控 方法主要应用于光学镀膜领域。
二、电阻法
薄膜厚度的监控
一、概述
在制备薄膜的过程中，除了应当选择合适的薄膜材料和沉积工艺外， 还要精确控制薄膜沉积过程中的厚度。薄膜的厚度可以有三种说法， 它们是几何厚度、光学厚度和质量厚度。几何厚度就是薄膜的物理厚 度，物理厚度与薄膜的折射率的乘积就是光学厚度。而质量厚度是指 单位面积上的膜质量，当薄膜的密度已知时，就可以从质量厚度转换 计算出膜的几何厚度。一般情况下，薄膜厚度的误差控制在2％以内， 有时可能达5～10％。薄膜厚度的监控必须在允许的误差范围之内。
该方法的缺点是：晶体直接测量薄膜的质量而不是光学厚度，对于监控 密度和折射率显著依赖于沉积条件的薄膜材料，要得到良好的重复性比 较困难。另外它也不同于光学极值法和波长调制法，具有厚度自动补偿 机理。
值得注意的是在实际使用中，针对薄膜密度与块材密度的不同或不知膜 层的密度，对石英晶体膜厚测量仪的测量的膜厚要进行校正。校正的方 法是先镀一层厚度较厚的薄膜，通过一定的方法（请问可以用那些方法 可以测量薄膜的厚度？）测出该膜层的厚度，然后与晶体振荡器测量的 值进行比较修正。
STC-200/SQ 膜厚控制器
用途：除精确的沉积速率和膜厚显示外，并可以回传信号到电子枪电源供应 器或蒸发源，实现闭回路的自动镀膜速率及膜厚控制
特点： 1、操作简单，可单键完成Sing-layer镀膜程序 2、配合外部界面与PLC/PC连线，可达到全自动Multi-layer镀膜程序 3、内设RS-232计算机接口，可以与电脑连线工作 4、配备Bipolar高清晰度信号输出端子，可连接记录仪使用 5、内建程序记录器，可提供前次操作数据，便于查询修正 6、全功能显示器，监控镀膜中各项数据变化，随时掌握沉积速率、厚度、输 出功率及时间变化，并有同步曲线图显示动态流程
用电桥法测量薄膜的电阻率 V－被测膜，U－电压，O－平衡指示器 R1,R2,R3－电阻器。
三、石英晶体振荡法
石英晶体振荡法测量薄膜厚度的原理是石英晶体振荡的频率会随着晶体 上薄膜质量的变化而变化。因此，它是一种薄膜质量测量方法，它也被 称为质量微天平。由于它是通过测量沉积的膜层的质量来测量沉积材料 的厚度，因此，不论是金属材料、半导体材料、氧化物等等的任何材料 都能使用，它是使用最广泛的膜厚监控方法。
将石英振荡频率对厚度求微分可得：Δf=-NΔd/(d2)，它的意义是，若石英 厚度d改变Δd，则振动频率变化Δf。负号表示频率随厚度的增加而减小。厚 度Δd的质量改变为Δm，薄膜密度为ρ＝m/v，则有：
从上式可以看出，晶体振荡器的频率的改变与薄膜质量的改变成正比，因此，可 以测量薄膜的质量。
上式表明，Δf与f的平方成正比。如果晶体的基频f越高，控制灵敏度也越高，这 要求晶体的厚度足够小。在沉积过程中，晶体振荡的频率不断下降，根据上面公 式计算的厚度变化时，f应修正为晶体与沉积薄膜质量的共振频率。随着膜厚的 增加，石英晶体的灵敏度降低，通常频率的最大变化不得超过几千赫，不然振荡 器工作将不稳定，甚至停止振荡。为了保证振荡器工作稳定和保持较高的灵敏度， 晶体上的膜层镀到一定厚度后就要清洗，或更换晶体头。
Hale Waihona Puke Baidu
石英晶体监控有三个非常实际的优点：1是装置简单，没有通光孔的窗 口，没有光学系统安排等麻烦；2是信号容易判读，随着膜厚的增加， 频率线性地下降，与薄膜是否透明无关；3是它还可以记录沉积速率， 这些特点使它很适合于自动控制；对于小于8分之一光学波长厚度也具 有较高的控制精度。
石英晶体振荡器的预期灵敏度可高达10-9g/cm2，对于密度为1g/cm3的 材料，其对应的物理厚度大致为0.01nm。但是，实际所能达到的灵敏度 大致只有10-7 g/cm2，另外由于膜层密度与块材的不同，使得物理厚度 的测量精度受到限制。
原理：
石英晶体的压电效应的固有频率不仅取决于晶体的几何尺寸和切割类型， 而且还与厚度d相关，即：f=N/d，N是与晶体的几何尺寸和切割类型相 关的频率常数。对于AT切割的石英晶体，N=fd＝1670Kc.mm。AT切 割的晶体的振动频率对质量的变化特别敏感，但对于温度变化（在－40 度到90度范围温度系数大致在10－6/度），这个特性使得石英晶体特别 适合于薄膜的质量控制。
四、目视法
最早的光学控制方法是利用眼睛作为接收器，目视观察薄膜干涉色的变化来控制 介质膜的厚度。
晶体振荡膜厚仪实例
用途：适用于一般物理气相沉积（PVD）过程， 可精密的检测镀膜过程中每秒0.1埃的速率变化， 并准确的掌握每一埃的沉积厚度。
STM-100/MF膜厚监控器
Sycon instruments pany
特点： 1、可预先输入储存多组镀膜参数，便于操作者读取应用 2、搭配感测头选择器使用，可同时监测4～8个感测点的镀膜 速率及膜厚 3、内设RS-232电脑接口，可与计算机通信工作 4、配备Bipolar高清晰度类比信号输出端子，可连接记录仪 使用
测量薄膜电阻变化来控制金属膜厚度是最简单的一种膜厚监控方法。右图是用 惠斯顿电桥测量薄膜电阻率的例子。用这种方法可以测量电阻从1欧姆到几百 兆欧姆的电阻，若加上直流放大器，电阻率的控制精度可达0.01%。
但是随着薄膜厚度的增加，电阻减小 要比预期的慢，导致的原因是膜层的 边界效应、薄膜与块材之间的结构差 异以及残余气体的影响。因此，用该 方法对膜厚监控的精度很难高于5％。 就是这样，电阻法在电学镀膜中还是 常被使用的。
在薄膜沉积过程中要监控薄膜的厚度，首先要能够测量薄膜的厚度。 目前薄膜厚度在线测量的方法主要有：测量电阻法、质量法、反射透 射光谱法和椭圆偏振光谱法等等，它们通过测量这些物理参量来实现 膜厚的监控。
在以上的方法中，电阻法最容易实现，而质量法应用最广，光学监控 方法主要应用于光学镀膜领域。
二、电阻法
薄膜厚度的监控
一、概述
在制备薄膜的过程中，除了应当选择合适的薄膜材料和沉积工艺外， 还要精确控制薄膜沉积过程中的厚度。薄膜的厚度可以有三种说法， 它们是几何厚度、光学厚度和质量厚度。几何厚度就是薄膜的物理厚 度，物理厚度与薄膜的折射率的乘积就是光学厚度。而质量厚度是指 单位面积上的膜质量，当薄膜的密度已知时，就可以从质量厚度转换 计算出膜的几何厚度。一般情况下，薄膜厚度的误差控制在2％以内， 有时可能达5～10％。薄膜厚度的监控必须在允许的误差范围之内。
该方法的缺点是：晶体直接测量薄膜的质量而不是光学厚度，对于监控 密度和折射率显著依赖于沉积条件的薄膜材料，要得到良好的重复性比 较困难。另外它也不同于光学极值法和波长调制法，具有厚度自动补偿 机理。
值得注意的是在实际使用中，针对薄膜密度与块材密度的不同或不知膜 层的密度，对石英晶体膜厚测量仪的测量的膜厚要进行校正。校正的方 法是先镀一层厚度较厚的薄膜，通过一定的方法（请问可以用那些方法 可以测量薄膜的厚度？）测出该膜层的厚度，然后与晶体振荡器测量的 值进行比较修正。
STC-200/SQ 膜厚控制器
用途：除精确的沉积速率和膜厚显示外，并可以回传信号到电子枪电源供应 器或蒸发源，实现闭回路的自动镀膜速率及膜厚控制
特点： 1、操作简单，可单键完成Sing-layer镀膜程序 2、配合外部界面与PLC/PC连线，可达到全自动Multi-layer镀膜程序 3、内设RS-232计算机接口，可以与电脑连线工作 4、配备Bipolar高清晰度信号输出端子，可连接记录仪使用 5、内建程序记录器，可提供前次操作数据，便于查询修正 6、全功能显示器，监控镀膜中各项数据变化，随时掌握沉积速率、厚度、输 出功率及时间变化，并有同步曲线图显示动态流程
用电桥法测量薄膜的电阻率 V－被测膜，U－电压，O－平衡指示器 R1,R2,R3－电阻器。
三、石英晶体振荡法
石英晶体振荡法测量薄膜厚度的原理是石英晶体振荡的频率会随着晶体 上薄膜质量的变化而变化。因此，它是一种薄膜质量测量方法，它也被 称为质量微天平。由于它是通过测量沉积的膜层的质量来测量沉积材料 的厚度，因此，不论是金属材料、半导体材料、氧化物等等的任何材料 都能使用，它是使用最广泛的膜厚监控方法。
将石英振荡频率对厚度求微分可得：Δf=-NΔd/(d2)，它的意义是，若石英 厚度d改变Δd，则振动频率变化Δf。负号表示频率随厚度的增加而减小。厚 度Δd的质量改变为Δm，薄膜密度为ρ＝m/v，则有：
从上式可以看出，晶体振荡器的频率的改变与薄膜质量的改变成正比，因此，可 以测量薄膜的质量。
上式表明，Δf与f的平方成正比。如果晶体的基频f越高，控制灵敏度也越高，这 要求晶体的厚度足够小。在沉积过程中，晶体振荡的频率不断下降，根据上面公 式计算的厚度变化时，f应修正为晶体与沉积薄膜质量的共振频率。随着膜厚的 增加，石英晶体的灵敏度降低，通常频率的最大变化不得超过几千赫，不然振荡 器工作将不稳定，甚至停止振荡。为了保证振荡器工作稳定和保持较高的灵敏度， 晶体上的膜层镀到一定厚度后就要清洗，或更换晶体头。