[精選]01190660_薄膜材料與技術(shù)_09級(jí)_第5章_薄膜表征.pptx

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1、薄膜厚度及沉積率表征方法的主要分類：5.1.1氣相原子密度法一、測(cè)量原理(如右圖所示，與電離真空計(jì)類似)：1、氣相原子進(jìn)入探頭?燈絲熱電子轟擊?電離；2、電場(chǎng)作用下：電離出的電子→陽極、離子→陰極(收集極)；3、收集極電流Ii和陽極電流Ie滿足：Ii?nIe沉積速率()滿足：膜厚D滿足：此處：n—?dú)庀嗔Ｗ用芏龋?—膜材料密度；a—常數(shù)。二、特點(diǎn)：1、膜厚測(cè)量的相對(duì)誤差≈10%；2、測(cè)量結(jié)果和蒸發(fā)源溫度及殘余氣體氣壓有關(guān)(分別影響a和Ii)。5薄膜表征5.1薄膜的厚度/沉積速率1、測(cè)量原理：調(diào)整線圈電流，使薄膜增重引起的重

2、力力矩和線圈所產(chǎn)生磁場(chǎng)與吸鐵間的磁場(chǎng)力達(dá)到平衡，即可換算出薄膜質(zhì)量，而薄膜厚度滿足：2、特點(diǎn)：靈敏度很高(<0.01?g)，可測(cè)單層原子膜厚。5.1.3石英晶體振蕩法1、測(cè)量原理：基于石英晶體薄片的固有振蕩頻率隨其質(zhì)量變化而改變的物理現(xiàn)象，石英晶體的固有頻率滿足：式中：v—厚度方向彈性波波速；Dq—石英晶體的厚度。當(dāng)薄膜沉積使其厚度發(fā)生微小變化?Dq時(shí)，固有頻率的變化?f滿足：式中：Df—薄膜的厚度；?f—薄膜材料的密度；A—石英晶片的面積；?0—石英晶體的密度。5薄膜表征5.1薄膜厚度/沉積速率5.1.2微平衡稱

3、重法微平衡稱重法的測(cè)量原理示意圖石英晶體振蕩法的測(cè)量原理示意圖1、測(cè)量原理：?由(5-4)式可知：沉積過程中隨著薄膜厚度的增加，石英晶片的固有頻率也在不斷變化，測(cè)得其故有頻率的變化?f，即可由式(5-5)實(shí)時(shí)測(cè)得薄膜厚度Df：2、特點(diǎn)：1）測(cè)量的靈敏度與石英晶體薄片的厚度有關(guān)，越薄越靈敏！由式(5-3)可知：Dq??f0?由式(5-5)可知：f0??Df的測(cè)量靈敏度??！■如固有頻率f0=6MHz時(shí)，若頻率變化的測(cè)量精度為1Hz，則可測(cè)得1.2×10-8g的質(zhì)量變化！此時(shí)假設(shè)基片面積為1cm2，沉積材料為Al，則厚度

4、靈敏度相當(dāng)于0.05nm！2）應(yīng)用廣泛、主要用于實(shí)時(shí)測(cè)量沉積率?實(shí)現(xiàn)鍍膜過程自動(dòng)控制！3）環(huán)境溫度變化會(huì)造成石英晶體固有頻率發(fā)生變化?要求恒溫環(huán)境?需要冷卻系統(tǒng)！4）式(5-5)只是近似成立，且薄膜的有效面積不完全等于石英片面積?測(cè)量結(jié)果需要標(biāo)定和校正！5薄膜表征5.1薄膜厚度/沉積速率5.1.3石英晶體振蕩法石英晶體振蕩法的測(cè)量原理示意圖1、光的干涉條件(不考慮半波損失)：1）什么是光的干涉：指滿足一定條件的兩列相干光波相遇疊加，在疊加區(qū)域某些點(diǎn)的光振動(dòng)始終加強(qiáng)、某些點(diǎn)始終減弱，即干涉區(qū)域內(nèi)光強(qiáng)產(chǎn)生穩(wěn)定空間分布的現(xiàn)

5、象。?光的干涉現(xiàn)象是光學(xué)干涉法測(cè)量薄膜厚度的基礎(chǔ)！2）相干光：?概念：頻率、振動(dòng)方向相同，且光程差恒定的兩束光；?獲得：把同一光源發(fā)出的光束分為兩束，再使之相遇！3）光程差：設(shè)薄膜的厚度和折射率分別是Df和nf，入射單色光波長為?，空氣的折射率n0≈1，則P點(diǎn)處反射光ADP與折-反射光CEP間的光程差?滿足:式中：?—折射角，滿足：4）干涉條件：?干涉極大條件——?是?的整數(shù)倍，即：?=N?；?干涉極小條件——?=(N+1/2)?！可見：利用光的干涉實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜厚度的測(cè)量，需要設(shè)計(jì)出對(duì)光強(qiáng)空間分布變化的具體測(cè)量方法！

6、5薄膜表征5.1薄膜厚度/沉積速率5.1.4光學(xué)干涉法光的干涉現(xiàn)象及其實(shí)現(xiàn)薄膜厚度測(cè)量的原理2、透明薄膜的等傾干涉測(cè)量：1）測(cè)量原理：基片不透明且具有一定反射率時(shí)，光的干涉條件為：式中：N—干涉級(jí)數(shù)；?—光的波長；nf—薄膜的折射率；?'—干涉極值出現(xiàn)的角度。2）分析：?薄膜的折射率nf已知：則直接由干涉極值出現(xiàn)的角度?'即可擬合出N和膜厚D；?如果nf未知：可假定一個(gè)nf的初始值，由一系列干涉極值出現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的入射角?'擬合出nf。3）實(shí)際測(cè)量過程：?利用波長?已知的單色光入射到薄膜表面，并由光接收器測(cè)量反射回來的干涉光

7、強(qiáng)；?在薄膜沉積過程中，膜厚D在不斷變化，如果沉積速率不變，將可以觀測(cè)到干涉光強(qiáng)周期性變化；?每次光強(qiáng)變化對(duì)應(yīng)的膜厚變化可表示為：由此即可推算薄膜的沉積速率和厚度。5薄膜表征5.1薄膜厚度/沉積速率5.1.4光學(xué)干涉法等傾干涉測(cè)量透明薄膜厚度原理課本P234圖6.43、不透明薄膜的等厚干涉測(cè)量：1）測(cè)量條件：?薄膜沉積后形成臺(tái)階；?薄膜表面放置參考玻璃片，實(shí)現(xiàn)半反半透。2）具體實(shí)現(xiàn)：?在薄膜的臺(tái)階處沉積高反射率Al/Ag金屬層；??薄膜表面反光率???干涉條紋銳度和測(cè)量精度！?在薄膜上覆蓋一塊平板玻璃片?實(shí)現(xiàn)分光效

8、果！3）測(cè)量原理：?單色光照射下，玻璃片和薄膜之間光的反射導(dǎo)致干涉現(xiàn)象發(fā)生，此時(shí)干涉極大條件為：薄膜與玻璃片之間的距離S引起的光程差?為波長?的整數(shù)倍，即：此處：?ph—光在玻璃片和薄膜表面發(fā)生兩次反射時(shí)造成的相移。?從玻璃片表面反射和從薄膜表面的反射都是向空氣反射，其相移之和為?+?，因此干涉極大條件可寫作：?玻璃