膜厚分布與監(jiān)控技術(shù)

1、膜層厚度的均勻性和實(shí)時(shí)測(cè)量2、膜厚的理論分布和計(jì)算1、實(shí)際源的蒸汽發(fā)射特性3、膜層厚度的測(cè)量膜層厚度的均勻性: 膜厚隨基板表面位置變化而變化的情況MgF2減反膜，膜厚 /4 ( =520 nm) 4 nm, 不同顏色漸變?yōu)V色片膜厚均勻現(xiàn)的重要性源的種類源的形狀源/基板之間的相對(duì)位置基板的旋轉(zhuǎn)膜厚分布MBE分子束流分布和基底溫度CVD源氣體流分布和基底溫度分布溫度決定化學(xué)反應(yīng)的速度濺射等離子體分布“流水生產(chǎn)線”重點(diǎn)討論熱蒸發(fā)情況：點(diǎn)源和面源1) 忽略蒸發(fā)原子與剩余氣體和蒸發(fā)原子之間的碰撞。 在真空中氣體分子的平均自由程為：L = 0.65 / p (cm)，其中p的單位是Pa。當(dāng)p = 1.31

2、0-3Pa時(shí)，L500 cm。L基片到蒸發(fā)源的距離，分子作直線運(yùn)動(dòng)。蒸發(fā)過(guò)程的假設(shè)：2) 蒸發(fā)源的發(fā)射特性不隨時(shí)間而變化。3) 入射到基片上的原子全部凝結(jié)成薄膜。凝結(jié)系數(shù)陰影效應(yīng)：陰影效應(yīng)：由于蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體分子直線運(yùn)動(dòng)，使薄膜由于蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體分子直線運(yùn)動(dòng)，使薄膜局部區(qū)域無(wú)法鍍膜或膜厚各處不一的現(xiàn)象局部區(qū)域無(wú)法鍍膜或膜厚各處不一的現(xiàn)象熱蒸發(fā)鍍膜的陰影效應(yīng)熱蒸發(fā)鍍膜的陰影效應(yīng)蒸發(fā)總質(zhì)量(時(shí)間t內(nèi))：其中部分蒸發(fā)質(zhì)量 落在dAs 基片上，由于dAs在球表面的投影面積為dAc, dAc=dAscos, 所以有比例關(guān)系sMd一一. 點(diǎn)蒸發(fā)源點(diǎn)蒸發(fā)源224cos4rdArdAMdMsces224cos

3、4rMrdAdAdMecss204 rtRdAdtRMmtAmee薄膜厚度：在中心點(diǎn)的膜厚： 點(diǎn)蒸發(fā)源單位時(shí)間膜厚增加分布：hlssdAdMd2/3222)(44coslhhMrMdee204 hMte2/322)(4lhhmtdt時(shí)間2/320)/(1 1hltt二面蒸發(fā)源面蒸發(fā)源其蒸氣發(fā)射特性具有方向性，發(fā)射限為半球。蒸發(fā)源的發(fā)射按所研究的方向與表面法線間夾角呈余弦分布，即遵守克努曾定律2coscosrMdAdMess當(dāng) =時(shí)根據(jù)面蒸發(fā)源示意圖有： rhcoscos所以 22222)(coscoslhMhrMdee2222)(lhmhtdt時(shí)間20hmt三. 點(diǎn)源和面源的比較：面源： 點(diǎn)源

4、： 1) 兩種源的相對(duì)膜厚分布的均勻性都不理想；2) 點(diǎn)源的膜厚分布稍均勻些；3) 在相同條件下， 面源的中心膜厚為點(diǎn)源的4倍。2/320)/(1 1hltt220)/(1 1hltt下圖表示與蒸發(fā)源平行放置于正上方的平面基片基板很小, 并放在夾具的中央.實(shí)際源的蒸汽發(fā)射特性實(shí)際源的蒸汽發(fā)射特性偏離點(diǎn)源或面源的情況點(diǎn)源，細(xì)長(zhǎng)面源溶化不粘，點(diǎn)源升華或其它，復(fù)雜電子槍n: 23, 6220)/(1 1hltt提高膜厚均勻性的措施：提高膜厚均勻性的措施：采用若干分離的小面采用若干分離的小面積蒸發(fā)源，最佳的數(shù)積蒸發(fā)源，最佳的數(shù)量量, 合理的布局和蒸發(fā)合理的布局和蒸發(fā)速率；速率；改變基片放置方式以提高厚

5、度均勻 ： a) 球面放置基片；點(diǎn)源: 點(diǎn)源位于球面夾具的球心, 可在球的內(nèi)表面鍍得厚度均應(yīng)的膜層.面源: 面源位于球面夾具的球面.唯一的蒸發(fā)源位置才能獲得良好的均應(yīng)性能對(duì)兩個(gè)以上蒸發(fā)源同時(shí)獲得良好的均應(yīng)性.b) 基片平面旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方式: (a) 基片在圓頂上，繞軸旋轉(zhuǎn); (b) 基片在鼓面上，源位于中軸線，鼓面繞中軸線旋轉(zhuǎn)；(c)行星式旋轉(zhuǎn) . c) 行星旋轉(zhuǎn)基片架薄膜厚度的測(cè)量薄膜厚度的測(cè)量石英晶體振蕩法氣相原子密度法微平衡稱重法光學(xué)干涉法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光學(xué)干涉法球痕儀球痕法粗糙度儀劃針?lè)ㄔ恿︼@微法非原位測(cè)定)( )( 非原位測(cè)量原子力顯微鏡（AFM）AFM的工作原理如圖，將一個(gè)對(duì)微弱力極敏感的

6、微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸。由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力（10-810-6N），通過(guò)在掃描時(shí)控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對(duì)應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運(yùn)動(dòng)。利用光學(xué)檢測(cè)法或隧道電流檢測(cè)法，可測(cè)得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。1、測(cè)量原理：直徑很小的觸針 (探針) 在一定載荷作用下滑 過(guò)被測(cè)薄膜表面，同時(shí)記錄下觸針在垂直方 向的位移大小并描繪樣品表面輪廓，在薄膜 邊緣處輪廓的突變即薄膜的厚度（實(shí)際上是 表面輪廓測(cè)量）。2、儀器特征：1）探針：一般為金剛石，頭部磨

7、成 R= 2-10 m的圓弧形；2 分辯率：1 nm (機(jī)械/光電放大位移量 103-106倍)。3、基本矛盾： 不破壞樣品表面真實(shí)形貌 探頭頭部接觸壓力 大直徑探頭有利； 能分辨表面形貌微小起伏 探頭跟隨性、分辨率 小直徑探頭有利！ 4、優(yōu)、缺點(diǎn)：1）方法簡(jiǎn)單、測(cè)量直觀；2）適合硬膜測(cè)量，容易劃傷較軟薄膜并引起測(cè)量誤差；3）對(duì)表面很粗糙的薄膜測(cè)量誤差較大。探針?lè)ǖ臏y(cè)量原理探針?lè)?(粗糙度儀)非原位測(cè)量臺(tái)階儀(Stylus Profilometer)1、測(cè)量原理：用高硬度的磨球通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在薄膜表面接觸滾動(dòng)， 待薄膜磨穿之后，測(cè)量磨坑直徑和薄膜磨穿區(qū)寬度， 進(jìn)而通過(guò)幾何關(guān)系折算出薄膜的厚度。2

8、、基本特點(diǎn)：1）簡(jiǎn)單快捷、可測(cè)多層膜內(nèi)每層厚度； 2）一定程度上還可評(píng)定磨損率及膜基結(jié)合強(qiáng)度； 3）后效測(cè)量手段、使用近似公式有一定測(cè)量誤差。3、近似公式： 磨坑直徑及磨穿區(qū)寬度 磨球直徑 Db 時(shí)， 任意一層薄膜的厚度 D 近似滿足： 式中：d 該層薄膜下表面對(duì)應(yīng)磨坑直徑； y 該層薄膜對(duì)應(yīng)的磨穿區(qū)寬度。球痕法 (Ball-Crater)球痕法的測(cè)量裝置及原理12)-(5 bDydyD非原位測(cè)量光的干涉條件 ：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)象。 概念：頻率、振動(dòng)方向相同，且光程差恒定的兩束光；

9、獲得：把同一光源發(fā)出的光束分為兩束，再使之相遇！設(shè)薄膜的厚度和折射率分別是 Df 和 nf，入射單色光波長(zhǎng)為 ， 空氣的折射率 n01，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： 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(jiàn)：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！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6)-(5 cos2)(fffDnANBCABn7)-(5 sinsin sinsin0ffnnn非原位/實(shí)時(shí)測(cè)量目視法光學(xué)干涉儀不同的膜厚對(duì)應(yīng)于不同的顏色極值控

10、制法1110122101221201024cos2)(1dnrrrrttnnTt10t12r10r12透射率反射率極值控制法示意圖氣相原子密度法測(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(yáng)極、離子陰極 (收集極)；3、收集極電流 Ii 和陽(yáng)極電流 Ie 滿足：Ii nIe 沉積速率 ( ) 滿足： 膜厚 D 滿足： 此處：n 氣相粒子密度； 膜材料密度； a 常數(shù)。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 )。eiIIn 1)-(5 100tIIadtII

11、adtDeiteit微平衡稱重法測(cè)量原理：調(diào)整線圈電流，使薄膜增重引起的重力力矩和線圈所產(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：特點(diǎn)：靈敏度很高 ( 0.01g)，可測(cè)單層原子膜厚。2)-(5 AmD石英晶振 石英晶體是離子型晶體，具有壓電效應(yīng) 壓電諧振，在晶振上加交變電壓，則晶片就產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。 石英壓電諧振效應(yīng)的固有頻率的影響因素：芯片厚度，幾何尺寸，切割類型。石英晶振n諧波數(shù)n=1，3，5，dQ石英晶體的厚度 c 切變彈性系數(shù) 石英晶體的密度(2.65103kg/m3)2/1)(2cdnfQ 質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)：在芯片上鍍上膜層，芯片厚度 增大，則芯片固有頻率減小

12、。 石英晶體膜厚監(jiān)控儀就是通過(guò)測(cè)量頻率或與頻 率有關(guān)的參量的變化而測(cè)量淀積薄膜的厚度將石英晶體沿其線膨脹系數(shù)最小的方向切割成片，并在兩端面上沉積上金屬電極。由于石英晶體具有壓電特性，因而在電路匹配的情況下，石英片上將產(chǎn)生固有頻率的電壓振蕩。將這樣一只石英振蕩器放在沉積室內(nèi)的襯底附近，通過(guò)與另一振蕩電路頻率的比較，可以很精確地測(cè)量出石英晶體振蕩器固有頻率的微小變化。在薄膜沉積的過(guò)程中，沉積物質(zhì)不斷地沉積到晶片的一個(gè)端面上，監(jiān)測(cè)振蕩頻率隨著沉積過(guò)程的變化，就可以知道相應(yīng)物質(zhì)的沉積質(zhì)量或薄膜的沉積厚度。石英晶體振蕩器法石英晶體振蕩器法u基于適應(yīng)晶體片的固有振動(dòng)頻率隨其質(zhì)量的變化而變化的物基于適應(yīng)晶體

13、片的固有振動(dòng)頻率隨其質(zhì)量的變化而變化的物理現(xiàn)象。理現(xiàn)象。u使用石英晶體振蕩器測(cè)量薄膜厚度需要注意兩個(gè)問(wèn)題使用石英晶體振蕩器測(cè)量薄膜厚度需要注意兩個(gè)問(wèn)題: 一，石英晶體的溫度變化會(huì)造成其固有頻率的漂移；一，石英晶體的溫度變化會(huì)造成其固有頻率的漂移； 二，應(yīng)采用實(shí)驗(yàn)的方法事先對(duì)實(shí)際的沉積速度進(jìn)行標(biāo)定。二，應(yīng)采用實(shí)驗(yàn)的方法事先對(duì)實(shí)際的沉積速度進(jìn)行標(biāo)定。u在大多數(shù)的情況下，這種方法主要是被用來(lái)測(cè)量沉積速度。在大多數(shù)的情況下，這種方法主要是被用來(lái)測(cè)量沉積速度。u將其與電子技術(shù)相結(jié)合，不僅可實(shí)現(xiàn)沉積速度、厚度的檢測(cè)，將其與電子技術(shù)相結(jié)合，不僅可實(shí)現(xiàn)沉積速度、厚度的檢測(cè)，還可反過(guò)來(lái)控制物質(zhì)蒸發(fā)或?yàn)R射的速率，

14、從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于薄膜還可反過(guò)來(lái)控制物質(zhì)蒸發(fā)或?yàn)R射的速率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于薄膜沉積過(guò)程的自動(dòng)控制。沉積過(guò)程的自動(dòng)控制。橢圓偏振測(cè)量（橢偏術(shù)）是研究?jī)擅劫|(zhì)界面或薄橢圓偏振測(cè)量（橢偏術(shù)）是研究?jī)擅劫|(zhì)界面或薄膜中發(fā)生的現(xiàn)象及其特性的一種光學(xué)方法，其膜中發(fā)生的現(xiàn)象及其特性的一種光學(xué)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時(shí)出現(xiàn)的偏振變換時(shí)出現(xiàn)的偏振變換。 橢圓偏振測(cè)量的應(yīng)用范圍很廣，如半導(dǎo)體、光學(xué)掩膜、橢圓偏振測(cè)量的應(yīng)用范圍很廣，如半導(dǎo)體、光學(xué)掩膜、圓晶、金屬、介電薄膜、玻璃圓晶、金屬、介電薄膜、玻璃( (或鍍膜或鍍膜) )、激光反射鏡、激光反射鏡、大面積

15、光學(xué)膜、有機(jī)薄膜等，也可用于介電、非晶半導(dǎo)大面積光學(xué)膜、有機(jī)薄膜等，也可用于介電、非晶半導(dǎo)體、聚合物薄膜、用于薄膜生長(zhǎng)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等測(cè)量。體、聚合物薄膜、用于薄膜生長(zhǎng)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等測(cè)量。結(jié)合計(jì)算機(jī)后，具有可手動(dòng)改變?nèi)肷浣嵌取?shí)時(shí)測(cè)量、結(jié)合計(jì)算機(jī)后，具有可手動(dòng)改變?nèi)肷浣嵌?、?shí)時(shí)測(cè)量、快速數(shù)據(jù)獲取等優(yōu)點(diǎn)。快速數(shù)據(jù)獲取等優(yōu)點(diǎn)。薄膜測(cè)量的橢偏儀（薄膜測(cè)量的橢偏儀（Ellipsometer）法）法實(shí)驗(yàn)原理：實(shí)驗(yàn)原理：在一光學(xué)材料上鍍各向同性的單層介質(zhì)膜后，光線的反在一光學(xué)材料上鍍各向同性的單層介質(zhì)膜后，光線的反射和折射在一般情況下會(huì)同時(shí)存在的。通常，設(shè)介質(zhì)層射和折射在一般情況下會(huì)同時(shí)存在的。通常，設(shè)介質(zhì)層為為n1、n2、n3，1為入射角，那么在為入射角，那么在1、2介質(zhì)交界面和介質(zhì)交界面和2、3介質(zhì)交界面會(huì)產(chǎn)生反射光和折射光的多光束干涉。介質(zhì)交界面會(huì)產(chǎn)生反射光和折射光的多光束干涉。橢偏儀測(cè)量橢偏儀測(cè)量薄膜厚度薄膜厚度和和折射率折射