膜厚分布与监控技术.ppt

膜层厚度的均匀性和实时测量2、膜厚的理论分布和计算1、实际源的蒸汽发射特性3、膜层厚度的测量膜层厚度的均匀性: 膜厚随基板表面位置变化而变化的情况MgF2减反膜，膜厚λ /4 (λ =520 nm) >4 nm, 不同颜色渐变滤色片膜厚均匀现的重要性2021/3/101源的种类源的形状源/基板之间的相对位置基板的旋转膜厚分布MBE分子束流分布和基底温度CVD源气体流分布和基底温度分布温度决定化学反应的速度溅射等离子体分布“流水生产线”重点讨论热蒸发情况：点源和面源2021/3/1021) 忽略蒸发原子与剩余气体和蒸发原子之间的碰撞 在真空中气体分子的平均自由程为：L = 0.65 / p (cm)，其中p的单位是Pa当p = 1.3×10-3Pa时，L≈500 cmL>>基片到蒸发源的距离，分子作直线运动蒸发过程的假设：2) 蒸发源的发射特性不随时间而变化3) 入射到基片上的原子全部凝结成薄膜凝结系数2021/3/103阴影效应：阴影效应：由于蒸发产生的气体分子直线运动，使薄膜由于蒸发产生的气体分子直线运动，使薄膜局部区域无法镀膜或膜厚各处不一的现象局部区域无法镀膜或膜厚各处不一的现象热蒸发镀膜的阴影效应热蒸发镀膜的阴影效应2021/3/104蒸发总质量(时间t内)：其中部分蒸发质量 落在dAs 基片上，由于dAs在球表面的投影面积为dAc, dAc=dAscosθ, 所以有比例关系一一. 点蒸发源点蒸发源2021/3/105薄膜厚度：在中心点的膜厚： 点蒸发源单位时间膜厚增加分布：hl2021/3/106二．面蒸发源面蒸发源其蒸气发射特性具有方向性，发射限为半球。

蒸发源的发射按所研究的方向与表面法线间夹角呈余弦分布，即遵守克努曾定律2021/3/107当 θ=φ时根据面蒸发源示意图有： 所以 2021/3/108三. 点源和面源的比较：面源： 点源： 1) 两种源的相对膜厚分布的均匀性都不理想；2) 点源的膜厚分布稍均匀些；3) 在相同条件下， 面源的中心膜厚为点源的4倍2021/3/109下图表示与蒸发源平行放置于正上方的平面基片基板很小, 并放在夹具的中央.2021/3/1010实际源的蒸汽发射特性实际源的蒸汽发射特性偏离点源或面源的情况点源，细长面源溶化不粘，点源升华或其它，复杂电子枪n: 2~3, >62021/3/1011提高膜厚均匀性的措施：提高膜厚均匀性的措施：采用若干分离的小面采用若干分离的小面积蒸发源，最佳的数积蒸发源，最佳的数量量, 合理的布局和蒸发合理的布局和蒸发速率；速率；2021/3/1012改变基片放置方式以提高厚度均匀 ： a) 球面放置基片；点源: 点源位于球面夹具的球心, 可在球的内表面镀得厚度均应的膜层.面源: 面源位于球面夹具的球面.唯一的蒸发源位置才能获得良好的均应性2021/3/1013能对两个以上蒸发源同时获得良好的均应性.b) 基片平面旋转2021/3/1014旋转方式: (a) 基片在圆顶上，绕轴旋转; (b) 基片在鼓面上，源位于中轴线，鼓面绕中轴线旋转；(c)行星式旋转 . c) 行星旋转基片架2021/3/1015薄膜厚度的测量薄膜厚度的测量2021/3/1016非原位测量原子力显微镜（AFM）AFM的工作原理如图，将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。

由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力（10-8~10-6N），通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息一束激光从一束激光从一束激光从一束激光从悬悬悬悬臂梁上反射到感知器，臂梁上反射到感知器，臂梁上反射到感知器，臂梁上反射到感知器，这样这样这样这样就能就能就能就能实时给实时给实时给实时给出高度的出高度的出高度的出高度的偏移偏移偏移偏移值值值值样样样样品表面就能品表面就能品表面就能品表面就能记录记录记录记录下来，最下来，最下来，最下来，最终终终终构建出三构建出三构建出三构建出三维维维维的表面的表面的表面的表面图图图图2021/3/10171、测量原理：直径很小的触针 (探针) 在一定载荷作用下滑 过被测薄膜表面，同时记录下触针在垂直方 向的位移大小并描绘样品表面轮廓，在薄膜 边缘处轮廓的突变即薄膜的厚度（实际上是 表面轮廓测量）。

 可同时测得薄膜的表面粗糙度及膜厚！可同时测得薄膜的表面粗糙度及膜厚！2、仪器特征：1）探针：一般为金刚石，头部磨成 R= 2-10 m的圆弧形；2 分辩率：1 nm (机械/光电放大位移量 103-106倍)3、基本矛盾：  不破坏样品表面真实形貌  探头头部接触压力  大直径探头有利；  能分辨表面形貌微小起伏  探头跟随性、分辨率  小直径探头有利！ 4、优、缺点：1）方法简单、测量直观；2）适合硬膜测量，容易划伤较软薄膜并引起测量误差；3）对表面很粗糙的薄膜测量误差较大探针法的测量原理探针法 (粗糙度仪)非原位测量台阶仪(Stylus Profilometer)1、测量原理：用高硬度的磨球通过传动机构在薄膜表面接触滚动， 待薄膜磨穿之后，测量磨坑直径和薄膜磨穿区宽度， 进而通过几何关系折算出薄膜的厚度。

2、基本特点：1）简单快捷、可测多层膜内每层厚度； 2）一定程度上还可评定磨损率及膜基结合强度； 3）后效测量手段、使用近似公式有一定测量误差3、近似公式：  磨坑直径及磨穿区宽度 << 磨球直径 Db 时， 任意一层薄膜的厚度 D 近似满足： 式中：d — 该层薄膜下表面对应磨坑直径； y — 该层薄膜对应的磨穿区宽度球痕法 (Ball-Crater)球痕法的测量装置及原理非原位测量光的干涉条件 ：1 1）什么是光的干涉：）什么是光的干涉：指满足一定条件的两列相干光波相遇叠加，在叠加 区域某些点的光振动始终加强、某些点始终减弱， 即干涉区域内光强产生稳定空间分布的现象。

 光的干涉现象是光学干涉法测量薄膜厚度的基础！光的干涉现象是光学干涉法测量薄膜厚度的基础！2 2）相干光：）相干光： 概念：频率、振动方向相同，且光程差恒定的两束光；  获得：把同一光源发出的光束分为两束，再使之相遇！3 3）光程差：）光程差：设薄膜的厚度和折射率分别是 Df 和 nf，入射单色光波长为 ， 空气的折射率 n0≈1，则 P 点处反射光ADP与折-反射光CEP 间的光程差  满足: 式中： — 折射角，满足： 4 4）干涉条件：）干涉条件： 干涉极大条件 ——  是  的整数倍，即： = N；  干涉极小条件 ——  = (N+1/2) ！可见：利用光的干涉实现对薄膜厚度的测量，需要设计出对光强空间 分布变化的具体测量方法！光学干涉法光的干涉现象及其实现薄膜厚度测量的原理非原位/实时测量目视法光学干涉仪不同的膜厚对应于不同的颜色2021/3/1021极值控制法t10t12r10r122021/3/1022透射率反射率2021/3/1023极值控制法示意图2021/3/1024气相原子密度法测量原理 (如右图所示，与电离真空计类似)：1、气相原子进入探头  灯丝热电子轰击  电离；2、电场作用下：电离出的电子→阳极、离子→阴极 (收集极)；3、收集极电流 Ii 和阳极电流 Ie 满足：Ii  nIe 沉积速率 ( ) 满足： 膜厚 D 满足： 此处：n — 气相粒子密度；  — 膜材料密度； a — 常数。

特点：1、膜厚测量的相对误差 ≈ 10%；2、测量结果和蒸发源温度及残余气体气压有关 (分别影响 a 和 Ii )微平衡称重法测量原理：调整线圈电流，使薄膜增重引起的重力力矩和线圈所产生磁场与吸铁间的磁场力达到平衡，即可换算出薄膜质量，而薄膜厚度满足：特点：灵敏度很高 (< 0.01g)，可测单层原子膜厚石英晶振•石英晶体是离子型晶体，具有压电效应•压电谐振，在晶振上加交变电压，则晶片就产生机械振动•石英压电谐振效应的固有频率的影响因素：芯片厚度，几何尺寸，切割类型2021/3/1026石英晶振n﹕谐波数﹐n=1，3，5，…dQ﹕石英晶体的厚度 c ﹕切变弹性系数 ﹕石英晶体的密度(2.65×103kg/m3)• 质量负载效应：在芯片上镀上膜层，芯片厚度 增大，则芯片固有频率减小• 石英晶体膜厚监控仪就是通过测量频率或与频 率有关的参量的变化而测量淀积薄膜的厚度2021/3/1027将石英晶体沿其线膨胀系数最小的方向切割成片，并在两端面上沉积上金属电极由于石英晶体具有压电特性，因而在电路匹配的情况下，石英片上将产生固有频率的电压振荡将这样一只石英振荡器放在沉积室内的衬底附近，通过与另一振荡电路频率的比较，可以很精确地测量出石英晶体振荡器固有频率的微小变化。

在薄膜沉积的过程中，沉积物质不断地沉积到晶片的一个端面上，监测振荡频率随着沉积过程的变化，就可以知道相应物质的沉积质量或薄膜的沉积厚度2021/3/1028石英晶体振荡器法石英晶体振荡器法u基基于于适适应应晶晶体体片片的的固固有有振振动动频频率率随随其其质质量量的的变变化化而而变变化化的的物物理理现象u使用石英晶体振荡器测量薄膜厚度需要注意两个问题使用石英晶体振荡器测量薄膜厚度需要注意两个问题: 一，石英晶体的温度变化会造成其固有频率的漂移；一，石英晶体的温度变化会造成其固有频率的漂移； 二，应采用实验的方法事先对实际的沉积速度进行标定二，应采用实验的方法事先对实际的沉积速度进行标定u在大多数的情况下，这种方法主要是被用来测量沉积速度在大多数的情况下，这种方法主要是被用来测量沉积速度u将将其其与与电电子子技技术术相相结结合合，，不不仅仅可可实实现现沉沉积积速速度度、、厚厚度度的的检检测测，，还还可可反反过过来来控控制制物物质质蒸蒸发发或或溅溅射射的的速速率率，，从从而而实实现现对对于于薄薄膜膜沉沉积过程的自动控制积过程的自动控制2021/3/1029椭椭圆圆偏偏振振测测量量（（椭椭偏偏术术））是是研研究究两两媒媒质质界界面面或或薄薄膜膜中中发发生生的的现现象象及及其其特特性性的的一一种种光光学学方方法法，，其其原原理理是是利利用用偏偏振振光光束束在在界界面面或或薄薄膜膜上上的的反反射射或或透透射射时出现的偏振变换时出现的偏振变换。

椭椭圆圆偏偏振振测测量量的的应应用用范范围围很很广广，，如如半半导导体体、、光光学学掩掩膜膜、、圆圆晶晶、、金金属属、、介介电电薄薄膜膜、、玻玻璃璃( (或或镀镀膜膜) )、、激激光光反反射射镜镜、、大大面面积积光光学学膜膜、、有有机机薄薄膜膜等等，，也也可可用用于于介介电电、、非非晶晶半半导导体体、、聚聚合合物物薄薄膜膜、、用用于于薄薄膜膜生生长长过过程程的的实实时时监监测测等等测测量量结结合合计计算算机机后后，，具具有有可可手手动动改改变变入入射射角角度度、、实实时时测测量量、、快速数据获取等优点快速数据获取等优点薄膜测量的椭偏仪（薄膜测量的椭偏仪（Ellipsometer）法）法2021/3/1030实验原理：实验原理：在在一一光光学学材材料料上上镀镀各各向向同同性性的的单单层层介介质质膜膜后后，，光光线线的的反反射射和和折折射射在在一一般般情情况况下下会会同同时时存存在在的的通通常常，，设设介介质质层层为为n1、、n2、、n3，，φ1为为入入射射角角，，那那么么在在1、、2介介质质交交界界面面和和2、、3介质交界面会产生反射光和折射光的多光束干涉介质交界面会产生反射光和折射光的多光束干涉。

2021/3/1031椭偏偏仪测量量薄膜厚度薄膜厚度和和折射率折射率 椭偏仪方法又称为偏光解析法其特点是可以同时对椭偏仪方法又称为偏光解析法其特点是可以同时对透明薄膜的光学常数和厚度进行精确的测量，缺点是原透明薄膜的光学常数和厚度进行精确的测量，缺点是原理和计算比较麻烦理和计算比较麻烦 椭偏仪不仅可以用于薄膜的光学测量，而且可以被用椭偏仪不仅可以用于薄膜的光学测量，而且可以被用于复杂环境下的薄膜生长的实时监测，从而及时获得薄于复杂环境下的薄膜生长的实时监测，从而及时获得薄膜生长速度、薄膜性能等有用的信息膜生长速度、薄膜性能等有用的信息2021/3/1032。