膜厚分布与监控技术

1、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 /4 ( =520 nm) 4 nm, 不同颜色 渐变滤色片 膜厚均匀现 的重要性 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 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 (c

2、m)，其中p的 单位是Pa。当p = 1.310-3Pa时，L500 cm。L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 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 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=dAscos, 所以有 比例关系 s M

3、d 一一. 点蒸发源点蒸发源 22 4 cos 4r dA r dA M dM sc e s 22 4 cos 4r M r dA dA dM ec s s 2 0 4 rtRdAdtRM m t A me e 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： h l s s dA dM d 2/3222 )(44 cos lh hM r M d ee 2 0 4 h M t e 2/322 )(4lh hm t d t 时间 2/32 0 )/(1 1 hlt t 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

4、，即遵守克努曾定律 2 coscos r M dA dM e s s 当 =时 根据面蒸发源示意图有： r h coscos 所以 222 2 2 )( coscos lh Mh r M d ee 222 2 )(lh mh t d t 时间 2 0 h m t 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。 2/32 0 )/(1 1 hlt t 22 0 )/(1 1 hlt t 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. 实际源的蒸汽

5、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: 23, 6 22 0 )/(1 1 hlt t 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； 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 能对两个以上蒸发源同时获得良好的均应性. b) 基

6、片平面旋转 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 薄膜厚度的测量薄膜厚度的测量 石英晶体振荡法 气相原子密度法 微平衡称重法 光学干涉法 实时监测 光学干涉法 球痕仪球痕法 粗糙度仪划针法 原子力显微法 非原位测定 )( )( 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（10-810-6N），通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微

7、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。 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）。 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

8、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。

9、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 12)-(5 b D ydy D 非原位测量 光的干涉条件 ： 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。 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！ 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

10、射率 n01，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： 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 6)-(5 cos2)( fff DnANBCABn 7)-(5 sinsin sin sin 0 f f n n n 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 极值控制法 11 1012 2 1012 2 1201 0 2 4 cos2)(1 dn

11、 rrrr tt n n T t10 t12 r10 r12 透射率 反射率 极值控制法示意图 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 )。 ei IIn 1)-(5 1 00 t I Ia dt I Ia

12、 dtD e i t e i t 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 ( 0.01g)，可测单层原子膜厚。 2)-(5 A m D 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。 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(2.65103kg/m3) 2/1 )( 2 c d n f Q 质量负载效

13、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 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。 石英晶体振荡器法石英晶体

14、振荡器法 u基于适应晶体片的固有振动频率随其质量的变化而变化的物基于适应晶体片的固有振动频率随其质量的变化而变化的物 理现象。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将其与电子技术相结合，不仅可实现沉积速度、厚度的检测，将其与

15、电子技术相结合，不仅可实现沉积速度、厚度的检测， 还可反过来控制物质蒸发或溅射的速率，从而实现对于薄膜还可反过来控制物质蒸发或溅射的速率，从而实现对于薄膜 沉积过程的自动控制。沉积过程的自动控制。 椭圆偏振测量（椭偏术）是研究两媒质界面或薄椭圆偏振测量（椭偏术）是研究两媒质界面或薄 膜中发生的现象及其特性的一种光学方法，其膜中发生的现象及其特性的一种光学方法，其原原 理理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射 时出现的偏振变换时出现的偏振变换。 椭圆偏振测量的应用范围很广，如半导体、光学掩膜、椭圆偏振测量的应用范围很广，如半导体、光学掩膜、 圆晶、金属

16、、介电薄膜、玻璃圆晶、金属、介电薄膜、玻璃( (或镀膜或镀膜) )、激光反射镜、激光反射镜、 大面积光学膜、有机薄膜等，也可用于介电、非晶半导大面积光学膜、有机薄膜等，也可用于介电、非晶半导 体、聚合物薄膜、用于薄膜生长过程的实时监测等测量。体、聚合物薄膜、用于薄膜生长过程的实时监测等测量。 结合计算机后，具有可手动改变入射角度、实时测量、结合计算机后，具有可手动改变入射角度、实时测量、 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 实验原理：实验原理： 在一光学材料上镀各向同性的单层介质膜后，光线的反在一光学材料上镀各向同性的单层介质膜后，光线的反 射和折射在一般情况下会同时存在的。通常，设介质层射和折射在一般情况下会同时存在的。通常，设介质层 为为n1、n2、n3，1为入射角，那么在为入射角，那么在1、2介质交界面和介质交界面和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。 椭偏仪测量椭偏仪测量薄膜