1、薄膜物理與技術： 石市委： ： 物理與材料科學學院安徽大學教師郵箱院系真空蒸發鍍膜真空蒸發鍍膜 第二章 薄膜的性質和結構主要決定于薄膜的成核與生長過程，實際上受許多淀積參數的影響，如淀積速率、粒子速度與角分布、粒子性質、襯底溫度及真空度等。因此，在氣相沉積技術中為了監控薄膜的性質與生長過程，必須對淀積參數進行有效的測量與監控。在所有沉積技術中，在所有沉積技術中，淀積速率和膜厚是最重要的薄膜淀積參數。淀積速率和膜厚是最重要的薄膜淀積參數。 一、膜厚的分類一、膜厚的分類 薄膜通常是在基板的垂直方向上所堆積的1104的原子層或分子層。在此方向上，薄膜具有微觀結構。理想的薄膜厚度是指基片表面和薄膜表面

2、之間的距離。理想的薄膜厚度是指基片表面和薄膜表面之間的距離。 圖2-30是實際表面實際表面和平均表面平均表面的示意圖。平均表面是指表面原子所有的點到這個面的距離代數相等于零，平均表面是一個兒何概念。 通常，將基片一側的表面分子的集合的平均表面稱為基 片表面Ss； 薄膜上不與基片接觸的那一側的表面的平均表面稱為薄膜形狀表面Sr； 將所測量的薄膜原子重新排列，使其密度和塊狀材料相同且均勻分布在基片表面上，這時的平均表面稱為薄膜質量等價表面Sm； 根據測量薄膜的物理性質等效為一定長度和寬度與所測量的薄膜相同尺寸的塊狀材料的薄膜，這時的平均表面稱為薄膜物性等價表面Sp。 由此可以定義： (1)形狀膜厚

3、dr是Ss和ST面之間的距離； (2)質量膜厚dm是Ss和SM面之間的距離； (3)物性膜厚dP是Ss和SP面之間的距離。形狀膜厚dT是最接近于直觀形式的膜厚，通常以m為單位。dT只與表面原子(分子)有關，并且包含著薄膜內部結構的影響；質量膜厚dM反映了薄膜中包含物質的多少，通常以gcm2為單位，它消除了薄膜內部結構的影響(如缺陷、針孔、變形等)；物性膜厚dP在實際使用上較有用，而且比較容易測量，它與薄膜內部結構和外部結構無直接關系，主要取決于薄膜的性質(如電阻率、透射率等)。三種定義的膜厚往往滿足下列不等式： TMPddd表表2-8膜厚的測試方法膜厚的測試方法膜厚定義測試手段測試方法形狀膜厚

4、機械方法光學方法其他方法觸針法，測微計法多次反射干涉法，雙光線干涉法電子顯微鏡法質量膜厚質量測定法、原子數測定法化學天平法，微量天平法扭力天平法，石英晶體振蕩法,比色法、X射線熒光法，離子探針法、放射性分析法物性膜厚電學方法光學方法電阻法、電容法、渦流法、電壓法干涉色法、橢圓偏振法、光吸收法二、稱量法二、稱量法1微量天平法 所使用的天平必須滿足專門的要求，具有足夠的靈敏度。 如果積分堆積量(質量)為m，蒸鍍膜的密度為，基片上的蒸鍍面積為A，其膜可由下式確定 （2-70）式中，一般采用塊材的密度值。mtA2. 石英晶體振蕩法 這是一種利用改變石英晶體電極的微小厚度，來調整晶體振蕩器的固有振蕩頻率

5、的方法。利用這一原理，在石英晶片電極上淀積薄膜，然后測其固有頻率的變化就可求出質量膜厚。由于此法使用簡便，精確度高，已在實際中得到廣泛應用。此法在本質上也是一種動態稱重法。 振蕩頻率變化與薄膜質量膜厚之間關系的基本公式： 2mvdfdxN df 為振蕩頻率變化， dx為質量膜厚 這種測膜厚方法的優點是測量簡單，能夠在制膜過程中連續測量膜厚。而且由于膜厚的變化是通過頻率顯示，因此，如果在輸出端引入時間的微分電路，就能測量薄膜的生長速度或蒸發速率。其缺點是，測量的膜厚始終是在石英晶體振蕩片上的薄膜厚度。并且每當改變晶片位置或蒸發源形狀時，都必須重新校正，若在濺射法中應用此法測膜厚，很容易受到電磁干

6、擾。此外，探頭(石英晶片)工作溫度一般不允許超過80，否則將會帶來很大誤差。 利用上述原理制成的石英晶體膜厚監控儀國產型號有MSB-1型、SK-lA(B)型等用于電阻或電子束蒸發設備上，監控金屬、半導體和介質薄膜的厚度。 該方法最高靈敏度是20Hz左右，換算為石英晶體的質量膜厚為1.2nm。 三、電學方法三、電學方法1電阻法 由于電阻值與電阻體的形狀有關，利用這一原理來測量膜厚的方法稱電阻法。 電阻法是測量金屬薄膜厚度最簡單的一種方法。 由于金屬導電阻的阻值隨膜厚的增加而下降，所以用電阻法可對金屬膜的淀積厚度進行監控，以制備性能符合要求的金屬薄膜。 但是，隨著薄膜厚度的減小，電阻增大的速率比預

7、料的要大。 由于材料的電阻率(或者電導率)通常是與整塊材料的形狀有關的一個確定值，如果認為薄膜的電阻率與塊材相同，則可由下式確定膜厚，即 （2-79）式中，Rs為正方形平板電阻器沿其邊方向的電阻值，該Rs值與正方形的尺寸無關，常稱為方電阻或面電阻，簡稱方阻，單位為/。方阻是在實際上經常使用的一個參數。 StR 因此，采用電橋法或歐姆表直接測試出阻值監控片上的淀積薄膜的方電阻值，便可根據式(2-79)得出膜厚值。 用電橋法測量電阻的原理如圖2-32所示。采用電阻法測量的薄膜電阻值范圍介于幾分之一歐至幾百兆歐之間，一候達到設計電阻值時，通過繼電器控制電磁閥擋板，便可立即停止蒸發淀積。使用普通儀器，

8、電阻測量精度可達1 0.1。由于準確確定薄膜的值有困難，所以用電阻法測得的膜厚仍有一定誤差。通常為5左右。 2電容法電容法 電介質薄膜的厚度可以通過測量它的電容量來確定。根據這一原理可以在絕緣基板上，按設計要求先淀積出叉指形電極對，使之形成平板形叉指電容器。當未淀積介質時，叉指電容值主要由基板的介電常數決定。而在叉指上淀積介質薄膜后，其電容值由叉指電極的間距和厚度，以及淀積薄膜的介電系數決定。只要用電容電橋測出電容值便可確定淀積的膜厚。 3電離式監控計法 電離式監控計是基于電離真空計的工作原理，在真空蒸發過程中，蒸發物的蒸氣通過一只類似B-A規式的傳感規時，與電子碰撞并被電離，所形成離子流的大

9、小與蒸氣的密度成正比。由于殘余氣體的影響，傳感規收集到的離子流由蒸發物蒸氣和殘余氣體兩部分離子流組成。 如果用一只補償規測出殘余氣體離子流的大小，并將兩個規管的離子流送到差動放大器，再通過電路補償消除殘余氣體的離子流，這樣得到的差動信號就是蒸發物質的蒸發速率信號，利用此信號可以實現蒸發速率的測量與控制。 電離式監控計只適于真空蒸發鍍膜工藝。所用傳感規實際上是經過改型的B-A真空規，其結構如圖2-33所示。差動放大器將傳感規和補償規兩個離子流之差進行放大，就成為蒸發速率信號，再將該信號送到自動平衡記錄儀，并同時通過放大調節器送到磁放大器，就可實現對蒸發電源進行自動調節，從而達到控制蒸發速率的目的

10、。 四、光學方法四、光學方法 1光吸收法光吸收法 如果強度為I0的光照射具有光吸收性的薄膜，則透過薄膜的光強度可由下式表示 （2-80）式中，t為膜厚，a是吸收系數，R為薄膜與空氣界面上的反射率。 顯然，通過測量光強度的變化，利用上式可以確定吸收薄膜的厚度。這種方法非常簡單，常用于金屬蒸發膜厚度測定，且適用于淀積過程的控制。淀積速率一定時，在半對數坐標圖上，透射光強與時間的關系是線性的。 20(1) exp()IIRat 這種方法也適用于在一定面積上薄膜厚度均勻性的檢測。但必須指出，此方法只適用于能形成連續的、薄的微晶的薄膜材料(如Ni-Fe合金等)，其他物質(如Ag)在小的厚度時(30mm)

11、，透射光強隨厚度成線性衰減。因此，只有能滿足式(280)的蒸發材料才適用。 2光干涉法光干涉法 光干涉法的理論基礎是光的干涉效應。當平行單色光照射到薄膜表面上時，從薄膜的上、下表面反射回來的兩束光在上表面相遇后，就發生干涉現象。而且，當束光入射于薄膜上時，從膜的反射光和透射光的特性將隨薄膜厚度而變化。通過測定反映反射光或透射光特性的某個參量，即可測定薄膜的厚度。 顯然，用這種方法所測量的是薄膜的光學厚度。以入射光的波長作為計量單位，精確度達10%。如果設膜的折射率n與塊材相同，則從光學厚度(nt)可求得薄膜的幾何厚度t。 如果兩束相干光的波程差等于波長的整數倍則兩束光相互加強。如果波程差等于半

12、波長的奇數倍，則兩束光相互削弱。因此，當膜層厚度相差/2(光學厚度)時，即膜層的幾何厚度相差/2n(n為薄膜材料的折射率)時，反射率相同，這就是光干涉法測膜厚的基礎。在薄膜淀積過程中如果記錄淀積膜反射率經過極值點的次數，則可監控膜層的厚度。 如果淀積一層折射率小于比較片折射率的材料，并采用單色光源，則淀積開始后，反射率將隨膜厚的增加而減小；當薄膜的光學厚度達到/4時反射率達到最小值。如果繼續淀積，則反射率隨膜厚的增加而上升，并在薄膜的光學厚度達/2時達到與監控片反射率相等的最大值。如此繼續下去，下一個最小值在3/4處，最大值在處，。反射率的變化規律如圖2-35中的曲線1、2所示。 在薄膜淀積過

13、程中如果記錄淀積膜反射率經過極值點的次數，則可監控膜層的厚度。并且還應在反射率達到某一極值時，中斷淀積過程。如果淀積中經過極值點的次數m次，則薄膜的光學厚度恰好等于m/4。 需要指出，金屬薄膜在可見光范圍內吸收性很強，無法觀察出極值點。因此，這種方法不適用于測定或監控金屬薄膜。 3等厚干涉條紋法等厚干涉條紋法 如果在楔形薄膜上產生單色干涉光，在一定厚度下就能滿足最大和最小的干涉條件。因此，能觀察到明暗相間的平行條紋。這已成為膜厚測量的標準方法。如果厚度不規則，則干涉條紋也呈現不規則的形狀。 圖2-36是這種測量方法的示意圖。產生干涉的膜層是由一小角度的兩塊光學平板之間的空氣隙所形成，其中一塊蒸

14、鍍有被測薄膜，并在其表面上形成臺階，兩塊平板上都蒸鍍有相同材料的金屬薄膜。由于兩者之間間隔很小，于是干涉條紋就非常窄。如圖2-37所示，如果L是條紋間距，L是條紋的位移，則薄膜厚度可由下式給出 （2-82）式中，是單色光的波長。 2LtL五、觸針法五、觸針法 這種方法在針尖上鑲有曲率半徑為幾微米的藍寶石或金剛石的觸針，使其在薄膜表面上移動時，由于試祥的臺階會引起觸針隨之作階梯式上下運動。再采用機械的、光學的或電學的方法，放大觸針所運動的距離并轉換成相應的讀數，該讀數所表征的距離即為薄膜厚度。例如，觸針鉆石探頭半徑為0.00254mm，測試時與樣品的接觸壓力約0.1g。 常用的電學放大法有以下幾

15、種： 1. 差動變壓器法 利用差動變壓器法放大觸針上下運動距離的原理如圖238(a)所示。圖中線圈2和線圈3的輸出反相連接。由于鐵芯被觸針牽動隨觸針上下移動，此時，線圖2和線圈3輸出差動電信號，放大此信號并顯示相應于觸針運動距離的數值。 2阻抗放大法 阻抗放大法的原理如圖238(b)所示。由于觸針上下運動使電感器的間隙4發生相應的變化時，感抗隨之變化，導至線圈阻抗改變。再利用放大電路放大并顯示該阻抗的變化量，即可表征觸針上下運動的距離。 3 壓電元件法 壓電元件法是利用壓電材料的壓電效應來放大并顯示觸針上下運動的距離。由于觸針上下運動。作用在壓電晶體元件的壓力將隨之改變，從而導致元件的電參數亦

16、隨之改變。放大并顯示該電參數的變化量，即可表征觸針上下運動的數值。 觸針式膜厚測量法廣泛用于硬質膜厚的測量，其精度比多光束干涉法精確。但應注意以下幾個方面應注意以下幾個方面，因為它直接影響觸針法的應用與精度： (1)由于觸針尖端的面積非常小，會穿透鋁膜等易受損傷的軟質膜，并在其上劃出道溝，從而產生極大的誤差； (2)基片表面的起伏或不平整所造成的“噪聲”亦會引起誤差； (3)被測薄膜與基片之間，必須要有膜-基臺階存在，才能進行測量。 習題二什么是飽和蒸氣壓？蒸發溫度？克-克方程及其意義？蒸發速率、溫度變化對其的影響？平均自由程與碰撞幾率的概念？ 膜厚的定義？監控方法？試簡述分子束外延技術（MBE）的主要特點及其主要用途。 在小面積圓形基片上用點源蒸發鍍膜。設源基距為基片直徑的2倍，試求出基片上膜厚的最大相對偏差。現有一球形玻璃泡，欲在其內表面蒸鍍