石英晶体振荡法监控膜厚研究.doc

石英晶体振荡法监控膜厚研究 占美琼 张东平 杨 健 贺洪波 邵建达 范正修 (中国科学院上海光学精密机械研究所 ,上海市 8002211 信箱 ,上海 201800) 摘 要 给出了石英晶体振荡法监控膜厚的基本原理 ,在相同的工艺条件下分别用光电极值法和 石英晶体振荡法监控膜厚 ,对制备的增透膜的反射光谱曲线进行了比较 ,并对石英晶体振荡法的监 控结果做了误差分析 1 结果表明 :石英晶体振荡法不仅膜厚监控精度高 ,而且能监控沉积速率 ,获 得稳定的膜层折射率 ,从而有效地控制薄膜的光学性能 1 关键词 光学薄膜 ;石英晶体振荡法 ;光电极值法 ;工具因子 ;误差 中图分类号 文献标识码 O484 A 式中 , A 是晶体被镀面积 ,ρf 是膜层密度 ,ρQ 为石英 密度 ,其值为 2 . 65 g/ cm2 ,Δdf 是沉积薄膜的厚度 , 得 到 0 引言 对于光学薄膜来说 ,厚度是除折射率之外最重 要的参数 ,因此准确控制薄膜的厚度就成为制备光 学薄膜的关键1 1 目前薄膜制备过程中厚度的实时 监控 ,大都采用光电极值法和石英晶体振荡法 1 光 电极值法由于在极值点附近光信号对薄膜厚度变化 最不灵敏 ,要及时准确地判断极值点比较困难 ,而且 只能控制 1/ 4 波长或其整数倍厚度的膜层 1 随着光 学薄膜应用的日趋广泛 ,对薄膜的要求越来越高 ,为 了满足这些要求 ,需要设计任意厚度的膜系 ,这就提 出了非 1/ 4 波长膜层厚度的控制问题 ,采用石英晶 体振荡法监控膜厚 ,该问题就可以迎刃而解 1 这种 方法监控膜厚具有操作简单 ,灵敏度高的优点 ,而且 可以实现自动控制 1 Δ d =ρfΔ df / ρQ 将式 (4) 代入式 (2) ,得到 Δf Q = - NρfΔ df / d2ρQ 再将式 (1) 代入后得到 Δf Q = - f ρ2 fΔdf / NρQ = ( - (4) (5) f 2 ρQ f / NρQ)Δ df (6) 由于 f Q 是石英晶体的固有谐振频率 ,ρf 对既定材料 是已知的 , 在膜层不是很厚 , 石英晶体的固有谐振频 率变化不是很大时 , 可以近似地把 f ρ2 / Nρ 看成常 Q f Q 数 1 于是式 (6) 表达的石英晶体频率的变化 Δf Q 与 淀积薄膜的厚度Δdf 为线性关系 1 所以可以借助检 测石英晶体固有谐振频率的变化 , 实现对膜厚的监 控 1 显然随着镀膜时膜层厚度的增加 , 频率单调地 线性下降 , 观察方便 , 不会出现光电极值法监控系统 中控制信号的起伏 1 这种计算膜厚的方法假定了沉 积的膜层没有改变石英晶体的谐振频率 , 而实际上 沉积的膜层已经改变了石英晶体的谐振频率 , 由单 一材 料 的 振 荡 模 式 变 成 二 种 材 料 的 混 合 振 荡 模 1 石英晶体振荡法监控膜厚的原理 石英晶体振荡法监控膜厚 ,主要是利用了石英 晶体的压电效应和质量负荷效应 ,通过测定其固有 谐振频率或与固有谐振频率有关的参量变化来监控 淀积薄膜的厚度2 1 其基本原理3 如下 : 石英晶体压电效应的固有谐振频率与厚度的关 系为 [2 ] 式 , 考虑到这一点 , 石英晶控仪采用了声阻抗法测 厚的公式 , 即 Δ df = (ρQ/ ρf ) N (τ/πR Z ) · f Q = N / d ( 1) arctan[ R Ztanπ(τ- τQ) / τ] (7) 式中 , f Q 是石英晶体的固有谐振频率 , N 是频率常 数 ,其值为 1670 kHz·mm , d 是晶体厚度 1 对式 (1) 微 分 , 得 式中 ,τ是沉积薄膜后石英晶体的谐振周期 ,τQ 是 石英晶体的固有谐振周期 , R Z 是石英晶体与膜层的 声阻抗比值 1 定义 τ= 1/ f ,τQ = 1/ f Q ,Δf = f Q - f 式中 ,Δf 是沉积薄膜后石 英 晶 体 谐 振 频 率 的 变 化 量 , f 是沉积薄膜后石英晶体的谐振频率 1 则式 ( 7) Δf Q = - NΔ d/ d2 再利用下列关系式 Δm = AρfΔ df = AρQΔd (2) (3) 国3 家 863 高技术计划课题的资助项目 (863280422)  理论上石英晶振片的寿命从 99 % ( 没有沉积薄膜的 晶振片的寿命) 降到 0 ,对应的频率下降 1 . 5 MHz ( 没 有沉积薄膜的晶振片的谐振频率是 6 MHz) ,实际使 用中石英晶振片的寿命最多只能降到 90 % ,因此相 应地可以计算出Δf / f Q 2 . 5 % ,此时有πΔf / f Q νπ/ 2 , 所以式 (8) 可以用泰勒级数展开 ,并