1. 晶振儀怎么測(cè)量薄膜厚度
石英晶體監(jiān)控膜厚是利用了石英晶體的壓電效應(yīng)和質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)，當(dāng)晶片上鍍了某種膜層使晶片的厚度增加，則晶片的固有頻率會(huì)相應(yīng)衰減，石英晶體膜厚儀就是通過(guò)測(cè)量頻率或與頻率有關(guān)參數(shù)的變化而監(jiān)控淀積薄膜的厚度。
2. 晶振片知識(shí)
膜厚儀常用的是6MHz AT切割石英晶振片，厚度約0.28mm、直徑14mm。晶振片的兩個(gè)表面均鍍有電極，一面為雙錨圖案，一面鍍滿，也有兩面都鍍滿；電極材料有金、銀和銀鋁合金。
3. 如何選擇晶振片
這要看您鍍什么膜料，如果是鍍Al、Cu、Au等應(yīng)力非常小的膜層就用鍍金的晶振片；如果是鍍Ni、Cr、Ti、不銹鋼等應(yīng)力偏大的膜層就用鍍銀或鍍銀鋁合金的晶振片；鍍SiO2、TiO2、AiO3、MgF2等光學(xué)膜料時(shí)用鍍銀鋁合金的晶振片為好。
4.膜厚儀測(cè)量范圍是多少
一個(gè)晶片使用到它固有振蕩頻率的90%基本就到他的壽命了，鍍Au膜可達(dá)到6μm厚度，鍍氧化物膜可達(dá)到10μm厚度，但在實(shí)際使用中與膜層材質(zhì)、膜層結(jié)合力、空間環(huán)境等等有很大關(guān)系；膜厚儀采用雙探頭或多探頭時(shí)測(cè)量范圍是幾個(gè)晶片測(cè)量厚度的累加。
5.膜厚監(jiān)控儀與膜厚控制儀的區(qū)別
監(jiān)控儀是實(shí)時(shí)測(cè)量膜層的厚度和速率，到達(dá)設(shè)定值自動(dòng)關(guān)閉擋板或蒸發(fā)源；控制儀是與蒸發(fā)源形成閉環(huán)控制，自動(dòng)對(duì)蒸發(fā)源進(jìn)行選擇，控制速率的穩(wěn)定、可一鍵鍍制復(fù)雜的光學(xué)和金屬多層薄膜。
6.幾何厚度與光學(xué)厚度的關(guān)系
晶振片測(cè)量的是膜層幾何厚度，光學(xué)厚度=幾何厚度×折射率，鍍膜時(shí)如果認(rèn)為折射率不變就能很方便的算出光學(xué)厚度了；如果鍍可見光范圍的膜系，按照一個(gè)晶片測(cè)量10μm厚度的氧化物膜，膜層可以超過(guò)一百層。
7.工具因子是什么？如何快速確定工具因子系數(shù)
工具因子是監(jiān)控探頭與被鍍工件到蒸發(fā)源距離的系數(shù)；
當(dāng)監(jiān)控探頭與被鍍工件相對(duì)蒸發(fā)源距離一樣時(shí)工具因子是1，當(dāng)距離不一樣時(shí)就要改變工具因子的系數(shù)，工具因子=實(shí)際厚度÷顯示厚度，準(zhǔn)確的工具因子系數(shù)確定請(qǐng)見后面的“晶體測(cè)厚厚度校正和測(cè)量理論”描述；
在實(shí)際工作中可以用簡(jiǎn)單的方法初步確定工具因子系數(shù)，即：工具因子=探頭到蒸發(fā)源距離2÷基片到蒸發(fā)源距離2。
8.晶體測(cè)厚厚度校正和測(cè)量理論
本章主要內(nèi)容如下：
第一節(jié) 確定密度
第二節(jié) 確定Z比率
第三節(jié) 確定工具因子
第四節(jié) 測(cè)量理論
附：表1 常用材料的密度和Z值
第一節(jié) 確定密度
注意：對(duì)大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，材料密度值是足夠精確的（見表1）
按照下列步驟確定密度值。
1、放一片襯底（帶合適掩模以便厚度測(cè)量）于探頭鄰近處，這樣在晶片和襯底上會(huì)累積相同的厚度。
2、設(shè)置沉積材料的密度值。
3、設(shè)置Z比率為1.000，工具因子為1.00。
4、在探頭內(nèi)安放一片新的晶片，用手動(dòng)控制方法進(jìn)行一次短沉積（1000Å-5000Å）。
5、沉積完成后，取下測(cè)試襯底，用一臺(tái)多束干涉儀或一個(gè)觸針型輪廓儀測(cè)量薄膜厚度。
6、用下面的方程確定新的密度值：
密度（g/cm3）=D1Tx/Tm
其中D1=初始密度值（設(shè)置）
Tx=膜厚儀上厚度讀數(shù)值
Tm=測(cè)量厚度值
第二節(jié) 確定Z比率
表1給出了常用材料的Z 值列表。對(duì)于其他材料，可以按下面的公式計(jì)算其Z值。
Z=（dgμg/dfμf）1/2=8.84X105(dfμf)1/2
其中df=沉積材料的密度（g/cm3）
μf=沉積材料的切變模量（dynes/cm2）
dg=石英晶片密度（2.648g/cm3）
μg=石英晶片密度（2.95X104dynes/cm2）
很多材料的密度和切變模量可以在許多手冊(cè)上找到，假如不知道材料的切變模量，可以用切變波速（Vf）代替： μf=Vf2df
實(shí)驗(yàn)室結(jié)果指出材料在薄膜形態(tài)的Z值與塊體非常接近。然后，對(duì)于高壓制備的材料，薄膜的Z值比塊體略小。
對(duì)于需要更精確校正的應(yīng)用，建議采用下面直接方法。
1、晶片壽命即將結(jié)束（即在晶片已承受了較厚的沉積物），取已校正的材料密度和工具因子為1。
2、在探頭附近放一片新的襯底，進(jìn)行一次短時(shí)沉積（1000-5000Å）。
3、確定襯底上薄膜的實(shí)際厚度（同密度校正方法一樣）。
4、在編程內(nèi)調(diào)整Z比率值，使厚度讀數(shù)與實(shí)際厚度相符。
注意：對(duì)于多層沉積（如兩層），用于第二層的Z值由兩層的相對(duì)厚度確定，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，以下三條規(guī)則能提供合理的精度。
*假如第一層厚度大于第二層厚度，兩層均采用第一層材料的Z值。
*假如第一層厚度小于第二層厚度，兩層均采用第二次材料的Z值。
*假如兩層厚度相當(dāng)，采用兩個(gè)Z值的加權(quán)平均作為第二層以及后續(xù)層的Z值。
第三節(jié) 確定工具因子
1、系統(tǒng)襯底包架上放上一片測(cè)試襯底。
2、進(jìn)行一次短時(shí)沉積并確定實(shí)際厚度。
3、根據(jù)下列關(guān)系計(jì)算工具因子。
工具因子=TF1 * Tm/Tx
其中Tm=襯底托架上薄膜的實(shí)際厚度
Tx=儀器上厚度讀數(shù)
TF1=原來(lái)的工具因子
4、 四舍五入計(jì)算工具因子為最近的工具因子。
5、 如果計(jì)算正確，在編程時(shí)輸入新工具因子后，Tm會(huì)等于Tx。
第四節(jié) 測(cè)量理論
石英晶體膜厚監(jiān)控儀已經(jīng)用于三個(gè)截然不同的領(lǐng)域：A.頻率測(cè)量技術(shù)。B.周期測(cè)量技術(shù)。C.Z-匹配技術(shù)。
Sauerbrey[Sauerbrey,G.Z.,Physik,155:206(1959)]曾用石英晶體諧振器來(lái)測(cè)量沉積的薄膜厚度，這種諧振器后來(lái)發(fā)展成為一種商業(yè)元件。厚度-頻率關(guān)系由下式給出：
Tf=(Ngdg/dffg2)(fg-fc) (1)
Ng= fg X Ig=AT切割石英晶片的頻率常數(shù)（167X103Hzcm）
其中Tf=薄膜厚度（cm）
df=薄膜密度（g/cm3）
Ig=石英晶片的厚度（cm）
fc=沉積后石英晶片的共振頻率（Hz）
dg=石英密度（2.60g/cm3）
fg=起始石英晶片的共振頻率（Hz）=6X106 Hz
實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，為了保持厚度測(cè)量的合理精度，允許的最大頻率偏移限制在大約fg的2%。
石英晶體在監(jiān)視器中使用了周期測(cè)量技術(shù)，厚度計(jì)算采用如下方程：
Tf=(Ngdg/dffg)（tc-tg） (2)
在此方程中tc=1/fc及tg=1/fg分別是沉積的起始的晶體振蕩周期。對(duì)于一個(gè)小的頻率偏移，方程（1）和方程（2）是很相似的。
但對(duì)方程（2）的有效性測(cè)試指出，對(duì)大部分材料，對(duì)大部分鍍膜材料，晶體偏移至fg的5%時(shí)就開始出現(xiàn)顯著的誤差。用石英晶片厚度監(jiān)視器測(cè)量鍍膜速率時(shí)，在標(biāo)明的時(shí)間內(nèi)誤差甚至變的更為嚴(yán)重，因?yàn)楹穸日`差是一個(gè)隨時(shí)間變化的函數(shù)，速率是厚度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。隨著晶體設(shè)計(jì)的發(fā)展和提高，即使在晶片表面上有大量的沉積材料，驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)也允許石英晶體維持振蕩。在很多情況下，有可能獲得超過(guò)fg的15%的頻率偏移。此外，利用現(xiàn)代微機(jī)可以很容易地完成復(fù)雜而精確的數(shù)學(xué)計(jì)算。Miller和Bolef[Miller.J.G. and Bolef,D.I.,J.Appl.Phys., 39:4589 and 5815(1968)]最早把石英-薄膜復(fù)合物作為一維復(fù)合物振蕩器來(lái)處理。他們的研究結(jié)果指出，沉積薄膜的彈性應(yīng)當(dāng)與頻率偏移相關(guān)。對(duì)他們的原始解法進(jìn)一步的研究導(dǎo)出一個(gè)簡(jiǎn)單的厚度-頻率方程，其形式為：
Tf=(Ngdg/PidffcZ)tan-1{Ztan[Pi(fg-fc)/fg]} (3)
其中Z=（dgμg/dfμf）1/2是聲阻抗比率，μf和μg分別是沉積薄膜和石英晶片的切變模量。方程（3）表明，不同彈性的材料服從不同的厚度-頻率關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，如果已知沉積材料的密度和Z值，在確定鍍膜厚度方面，方程（3）是非常精確的。
方程（3）的另一個(gè)重要性是，首先從理論觀點(diǎn)可以理解為“周期測(cè)量”技術(shù)或方程（2）的有效性。通過(guò)一種簡(jiǎn)單的代數(shù)計(jì)算，可以容易地證明方程（2）是在Z=1時(shí)的特例，即石英=石英。
FDC-S膜厚控制儀采用方程（3）的近似形式用于厚度計(jì)算。聲阻抗比率可作為一個(gè)獨(dú)立的材料常數(shù)編程到儀器中。在晶體頻率的500KHz-1MHz偏移，及Z比率直到1.99范圍內(nèi)，厚度和速率都可獲得優(yōu)于2%的重復(fù)性。
