1、膜膜厚测量与监控厚测量与监控复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件沈杰沈杰复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件膜厚测量与监控膜厚测量与监控尺寸效应尺寸效应测量方法测量方法探针法探针法(台阶仪台阶仪)光学法光学法电学法电学法监控方法监控方法石英晶体振荡石英晶体振荡法法光学极值法光学极值法复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件尺寸效应尺寸效应薄膜的电阻率、电阻温度系数、磁阻、霍尔系数、热电系数、光学反射率、趋肤效应等性质都与膜厚相关。尺寸尺寸效应效应：当薄膜厚度小到一定程度时薄膜性质随着薄膜厚度的改变而变化。复旦大学材
2、料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件探针法探针法台阶仪台阶仪制作台阶：掩模、刻蚀测量台阶：将金刚石或蓝宝石触针均匀地滑过基片-薄膜处的台阶(一般可移动样品)，触针在台阶处产生上下的机械移动，然后用机械的、电学的或光学的方法放大移动距离，进行读数。测量精度针尖压强大，划坏较软的薄膜。(In、Sn等)基片的粗糙度仪器震动影响复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件探针法探针法探针复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件探针法探针法台阶测量曲线复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件光学法光学法干涉等厚干涉等波
3、长干涉光谱透射光谱反射光谱 椭偏仪吸收复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件多光束干涉多光束干涉Calculated variation of reflectance(on air side)with normalized thickness(n,d/)for films of various refractive indices on a glass substrate of index 1.5.复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件多光束干涉多光束干涉(a)Schematic view of experimental arrangemen
4、t required to produce multiple beam Fizeau fringes,(b)Fringe displacement at step.复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件多光束干涉多光束干涉等厚干涉入射光:波长单色光制作台阶精度高:1nm复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件多光束干涉多光束干涉等波长干涉入射白光复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件光谱法光谱法反射光谱法复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件反射光谱反射光谱法法反射光谱测量复旦大学材料科学系复
5、旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件反射反射光谱光谱法法(a)Reflectivity vs wavelength for 442.8-nm thick Nb2O5 film on fused silica.(b)n and k vs wavelength for Nb2O5.复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件透射光谱法透射光谱法投射光谱法投射光谱法适用于弱吸收或透明介质1 21 22102202exp()1exp(2)2()16()2 cos(4/)sin(4/)exp(4/)st titrrinik dnTtnn n nkABCndDndkd复旦大学材
6、料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件透射光谱法透射光谱法222202022212121020111221121221(),(),162cos(4/)()(),()()4/4/;4/(2)2()ssssknnknnDCn n nTCCC CndCnnnn Cnnnnwhenndmn dmn dmdnn 复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件透射光谱法透射光谱法220max21220min212maxminmax121min122maxmin016()16()1/1/ssCn n nTCCn n nTCCTTTCCCTCCCTT复旦大学材料科学系复旦大学
7、材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件透射光谱法透射光谱法22121222max0min0001222maxmin0042220220maxmin0maxmin22220()()11;1616()()()()114420()22ssssssssssCCCCTn n nTn n nnnnn nnnnC CTTn n nn n nnC nn nnnTTCn nTTnCCn n复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件椭圆偏振法椭圆偏振法Reflection of a light beam from a surface.Refraction,reflection,and pol
8、arizationeffects are shown.复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件椭圆偏振法椭圆偏振法Experimental arrangement in ellipsometry.In null ellipsometry a quarter-wave plate is held in a fixed position prior to reflection.The polarizer and analyzer are rotated to obtain the null.复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件椭圆偏振法椭圆偏振法
9、,minmaxexp()()tan()tansin2sin2sintan2tan2cosp sp sp spppsssrirexpiexp iraa 复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件光吸收法光吸收法20(1)exp()1log()IIRddT复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件电学法电学法电阻法电阻法dR复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件电学法电学法电容法电容法3.6SdC复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件电学法电学法品质因数法品质因数法0001fLQfRCR复旦大学材料科学
10、系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件膜厚监控方法膜厚监控方法气相密度法气相密度法(电离规电离规)平衡法平衡法(微量天平微量天平)石英晶体振荡石英晶体振荡法法光学监控光学监控(极值法极值法)波长调制波长调制(振动狭缝振动狭缝)法法双波长法双波长法复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件气相密度法气相密度法A ionization gauge for monitoring film thickness via the measurement of vapor density.f-filament,c-collector electrode,Ii-ion curr
11、ent,Ie-ionizing electron current 128()ieisourceeII nMdZMun cL dAdtLITLuCIm复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件平衡法平衡法Microbalance for monitoring film thickness复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件石英晶体振荡法石英晶体振荡法Quartz crystal with AT cutPractical construction of a quartz thickness monitor复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料
12、与器件薄膜材料与器件石英晶体振荡法石英晶体振荡法AT切割:减小温度影响频率常数C=1665 kHz mm,f=14 MHz质量灵敏度Cf222/2/1qqqqqqqffffffqqqffffqqfqffffvdC ddfmfdAdmd AddfffdCdfffdCCfCCdfC 复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件光学光学监控监控An example of optical thickness monitor inside a sputter system复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件光学监控光学监控波长调制波长调制(振动狭缝振动狭缝)法法：由光源发出的白光透过监控片入射单色仪的入射狭缝。由单色仪狭缝出射的单色光被光电接受元件接受，再由电子学系统显示。复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件光学监控光学监控复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系薄膜材料与器件薄膜材料与器件光学监控光学监控双波长法双波长法1212100212121111()()2/|()()|()()112kkkkkkTkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkTTn dTTsTTn dn dTTTTn dn dTT
