技術(shù)支持
石英晶體測厚儀使用常識
1. 晶振儀怎么測量薄膜厚度
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相應(yīng)衰減，石英晶體膜厚儀就是通過測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
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)膜料時用鍍銀鋁合金的晶振片為好。
4.膜厚儀測量范圍是多少
一個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測量范圍是幾個晶片測量厚度的累加。
5.膜厚監(jiān)控儀與膜厚控制儀的區(qū)別
監(jiān)控儀是實時測量膜層的厚度和速率，到達(dá)設(shè)定值自動關(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，自動對蒸發(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
晶振片測量的是膜層幾何厚度，光學(xué)厚度=幾何厚度×折射率，鍍膜時如果認(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，按照一個晶片測量10μm厚度的氧化物膜，膜層可以超過一百層。
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蒸發(fā)源距離一樣時工具因子是1，當(dāng)距離不一樣時就要改變工具因子的系數(shù)，工具因子=實際厚度÷顯示厚度，準(zhǔn)確的工具因子系數(shù)確定請見后面的“晶體測厚厚度校正和測量理論”描述；
在實際工作中可以用簡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.晶體測厚厚度校正和測量理論
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：對大多數(shù)實際應(yīng)用來說，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量）于探頭鄰近處，這樣在晶片和襯底上會累積相同的厚度。
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，用手動控制方法進(jìn)行一次短沉積（1000?-5000?）。
5、沉積完成后，取下測試襯底，用一臺多束干涉儀或一個觸針型輪廓儀測量薄膜厚度。
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。對于其他材料，可以按下面的公式計算其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
實驗室結(jié)果指出材料在薄膜形態(tài)的Z值與塊體非常接近。然后，對于高壓制備的材料，薄膜的Z值比塊體略小。
對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)行一次短時沉積（1000-5000?）。
3、確定襯底上薄膜的實際厚度（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)與實際厚度相符。
注意：對于多層沉積（如兩層），用于第二層的Z值由兩層的相對厚度確定，對于大多數(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試襯底。
2、進(jìn)行一次短時沉積并確定實際厚度。
3、根據(jù)下列關(guān)系計算工具因子。
工具因子=TF1 * Tm/Tx
其中Tm=襯底托架上薄膜的實際厚度
Tx=儀器上厚度讀數(shù)
TF1=原來的工具因子
4、 四舍五入計算工具因子為最近的工具因子。
5、 如果計算正確，在編程時輸入新工具因子后，Tm會等于Tx。
第四節(jié) 測量理論
石英晶體膜厚監(jiān)控儀已經(jīng)用于三個截然不同的領(lǐng)域：A.頻率測量技術(shù)。B.周期測量技術(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測量沉積的薄膜厚度，這種諧振器后來發(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
實驗已經(jīng)表明，為了保持厚度測量的合理精度，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量技術(shù)，厚度計算采用如下方程：
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。對于一個小的頻率偏移，方程（1）和方程（2）是很相似的。
但對方程（2）的有效性測試指出，對大部分材料，對大部分鍍膜材料，晶體偏移至fg的5%時就開始出現(xiàn)顯著的誤差。用石英晶片厚度監(jiān)視器測量鍍膜速率時，在標(biāo)明的時間內(nèi)誤差甚至變的更為嚴(yán)重，因為厚度誤差是一個隨時間變化的函數(shù)，速率是厚度對時間的導(dǎo)數(shù)。隨著晶體設(shè)計的發(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)。對他們的原始解法進(jìn)一步的研究導(dǎo)出一個簡單的厚度-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。實驗結(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）的另一個重要性是，首先從理論觀點可以理解為“周期測量”技術(shù)或方程（2）的有效性。通過一種簡單的代數(shù)計算，可以容易地證明方程（2）是在Z=1時的特例，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算。聲阻抗比率可作為一個獨立的材料常數(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。
常用材料參數(shù)表
Code Formula Density Z-Ratio Material Name
001 Ag 10.50 0.53 Silveer
002 AgBr 6.47 1.18 Silver Bromide
003 AgCl 5.56 1.32 Silver Chloride
004 Al 2.70 1.08 Aluminum
005 Al2O3 3.97 0.34 Aluminum Oxide
006 Al4C3 2.36 1.00 Aluminum Carbide
007 AlF3 3.07 1.00 Aluminum Fluoride
008 AlN 3.26 1.00 Aluminum Nitride
009 AlSb 4.36 0.74 Aluminum Antimonide
010 As 5.73 0.97 Arsenic
011 As2Se3 4.75 1.00 Arsenic Selenide
012 Au 19.30 0.38 Gold
013 B 2.37 0.39 Boron
014 B2O3 1.82 1.00 Boron Oxide
015 B4C 2.37 1.00 Boron Carbide
016 BN 1.86 1.00 Boron Nitride
017 Ba 3.50 2.10 Barium
018 BaF2 4.89 0.79 Barium Fluoride
019 BaN2O6 3.24 1.26 Barium Nitrate
020 BaO 5.72 1.00 Barium Oxide
021 BaTiO3 6.00 0.46 Barium Titanate (Tetr)
022 BaTiO3 6.04 0.41 Barium Titanate(Cubic)
023 Be 1.85 0.54 Beryllium
024 BeF2 1.99 1.00 Beryllium Fluoride
025 BeO 3.01 1.00 Beryllium Oxide
026 Bi 9.80 0.79 Bismuth
027 Bi2O3 8.90 1.00 Bismuth Oxide
028 Bi2S3 7.39 1.00 Bismuth Trisulphide
029 Bi2Se3 6.82 1.00 Bismuth Selenide
030 Bi2Te3 7.70 1.00 Bismuth Telluride
031 BiF3 5.32 1.00 Bismuth Fiuoride
032 C 2.25 3.26 Carbon (Graphite)
033 C 3.52 0.22 Carbon (Diamond)
034 C8H8 1.10 1.00 Parlyene(Union Carbon)
035 Ca 1.55 2.62 Calcium
036 CaF2 3.18 0.78 Calcium Fluoride
037 CaO 3.35 1.00 Calcium Oxide
038 CaO-SiO2 2.90 1.00 Calcium Silicate (3)
039 CaSO4 2.96 0.96 Calcium Sulfate
040 CaTiO3 4.10 1.00 Calcium Titanate
041 CaWO4 6.06 1.00 Calcium Tungstate
042 Cd 8.64 0.68 Cadmium
043 CdF2 6.64 1.00 Cadmium Fluoride
044 CdO 8.15 1.00 Cadmium Oxide
045 CdS 4.83 1.02 Cadmium Sulfide
046 CdSe 5.81 1.00 Cadmium Selenide
047 CdTe 6.20 0.98 Cadmium Telluride
048 Ce 6.78 1.00 Cerium
049 CeF3 6.16 1.00 Cerium(III) Fluoride
050 CeO2 7.13 1.00 Cerium Oxide
051 Co 8.90 0.34 Cobalt
052 CoO 6.44 0.41 Cobalt Oxide
053 Cr 7.20 0.31 Chromium
054 Cr2O3 5.21 1.00 Chromium (III) Oxide
055 Cr3C2 6.68 1.00 Chromium Carbide
056 CrB 6.17 1.00 Chromium Boride
057 Cs 1.87 1.00 Cesium
058 Cs2SO4 4.24 1.21 Cesium Sulfate
059 CsBr 4.46 1.41 Cesium Bromide
060 CsCl 3.99 1.40 Cesium Chloride
061 CsI 4.52 1.54 Cesium Iodide
062 Cu 8.93 0.44 Copper
063 Cu2O 6.00 1.00 Copper Oxide
064 Cu2S 5.60 0.69 Copper (I) Sulfide (Alpha)
065 Cu2S 5.80 0.67 Copper (I) Sulfide (Beta)
066 CuS 4.60 0.82 Copper (II) Sulfide
067 Dy 8.55 0.60 Dysprosium
068 Dy2O3 7.81 1.00 Dysprosium Oxide
069 Er 9.05 0.74 Erbium
070 Er2O3 8.64 1.00 Erbium Oxide
071 Eu 5.26 1.00 Europium
072 EuF2 6.50 1.00 Europium Fluoride
073 Fe 7.86 0.35 Iron
074 Fe2O3 5.24 1.00 Iron Oxide
075 FeO 5.70 1.00 Iron Oxide
076 FeS 4.84 1.00 Iron Sulphide
077 Ga 5.93 0.59 Gallium
078 Ga2O3 5.88 1.00 Gallium Oxide (B)
079 GaAs 5.31 1.59 Gallium Arsenide
080 GaN 6.10 1.00 Gallium Nitride
081 GaP 4.10 1.00 Gallium Phosphide
082 GaSB 5.60 1.00 Gallium Antimonide
083 Gd 7.89 0.67 Gadolinium
084 Gd2O3 7.41 1.00 Gadolinium Oxide
085 Ge 5.35 5.16 Germanium
086 Ge3N2 5.20 1.00 Germanium Nitride
087 GeO2 6.24 1.00 Germanium Oxide
088 GeTe 6.20 1.00 Germanium Telluride
089 Hf 13.09 0.36 Hafnium
090 HfB2 10.50 1.00 Hafnium Boride
091 HfC 12.20 1.00 Hafnium Carbide
092 HfN 13.80 1.00 Hafnium Nitride
093 HfO2 9.68 1.00 Hafnium Oxide
094 HfSi2 7.20 1.00 Hafnium Silicide
095 Hg 13.46 0.74 Mercury
096 Ho 8.80 0.58 Holminum
097 Ho2O3 8.41 1.00 Holminum Oxide
098 In 7.30 0.84 Indium
099 In2O3 7.18 1.00 Indium Sesquioxide
100 In2Se3 5.70 1.00 Indium Selenide
101 In2Te3 5.80 1.00 Indium Telluride
102 InAs 5.70 1.00 Indium Arsenide
103 InP 4.80 1.00 Indium Phosphide
104 InSb 5.76 0.77 Indium Antimonide
105 Ir 22.40 0.13 Iridium
107A K 0.86 10.19 Potassium
107 KBr 2.75 1.89 Potassium Bromide
108 KCl 1.98 2.05 Potassium Chloride
109 KF 2.48 1.00 Potassium Fluoride
110 KI 3.13 2.08 Potassium Iodide
111 La 6.17 0.92 Lanthanum
112 La2O3 6.51 1.00 Lanthanum Oxide
113 LaB6 2.61 1.00 Lanthanum boride
114 LaF3 5.94 1.00 Lanthanum Fluoride
115 Li 0.53 5.90 Lithium
116 LiBr 3.47 1.23 Lithium Bormide
117 LiF 2.64 0.78 Lithium Fluoride
118 LiNbO3 4.70 0.46 Lithium Niobate
119 Lu 9.84 1.00 Lutetium
120 Mg 1.74 1.61 Magnesium
121 MgAl2O4 3.60 1.00 Magnesium Aluminate
122 MgAl2O6 8.00 1.00 Spinel
123 MgF2 3.18 0.64 Magnesium Fluoride
124 MgO 3.58 0.41 Magnesium Oxide
125 Mn 7.20 0.38 Manganese
126 MnO 5.39 0.47 Manganese Oxide
127 MnS 3.99 0.94 Manganese (II) Sulfide
128 Mo 10.20 0.26 Molybdenum
129 Mo2C 9.18 1.00 Molybdenum Carbide
130 MoB2 7.12 1.00 Molybdenum Boride
131 MoO3 4.70 1.00 Molybdenum Oxide
132 MoS2 4.80 1.00 Molybdenum Disulfide
133 Na 0.97 4.80 Sodium
134 Na3AlF6 2.90 1.00 Cryolite
135 Na5Al3F14 2.90 1.00 Chiolite
136 NaBr 3.20 1.00 Sodium Bromide
137 NaCl 2.17 1.57 Sodium Chloride
138 NaClO3 2.16 1.57 Sodium Chlorate
139 NaF 2.56 0.95 Sodium Fluoride
140 NaNO3 2.27 1.19 Sodium Nitrate
141 Nb 8.58 0.49 Niobium (Columbium)
142 Nb2O3 7.50 1.00 Niobium Trioxide
143 Nb2O5 4.47 1.00 Niobium (V) Oxide
144 NbB2 6.97 1.00 Niobium Boride
145 NbC 7.82 1.00 Niobium Carbide
146 NbN 8.40 1.00 Niobium Nitride
147 Nd 7.00 1.00 Neodynium
148 Nd2O3 7.24 1.00 Neodynium Oxide
149 NdF3 6.51 1.00 Neodynium Fluoride
150 Ni 8.91 0.33 Nickel
151 NiCr 8.50 1.00 Nichrome
152 NiCrFe 8.50 1.00 Inconel
153 NiFe 8.70 1.00 Permalloy
154 NiFeMo 8.90 1.00 Supermalloy
155 NiO 7.45 1.00 Nickel Oxide
156 P3N5 2.51 1.00 Phosphorus Nitride
157 Pb 11.30 1.13 Lead
158 PbCl2 5.85 1.00 Lead Chloride
159 PbF2 8.24 0.66 Lead Fluoride
160 PbO 9.53 1.00 Lead Oxide
161 PbS 7.50 0.57 Lead Sulfide
162 PbSe 8.10 1.00 Lead Selenide
163 PbSnO3 8.10 1.00 Lead Stannate
164 PbTe 8.16 0.65 Lead Telluride
165 Pd 12.04 0.36 Palladium
166 PdO 8.31 1.00 Palladium Oxide
167 Po 9.40 1.00 Polonium
168 Pr 6.78 1.00 Praseodymium
169 Pr2O3 6.88 1.00 Praseodymium Oxide
170 Pt 21.40 0.25 Platinum
171 PtO2 10.20 1.00 Platinum Oxide
172 Ra 5.00 1.00 Radium
173 Rb 1.53 2.54 Rubidium
174 RbI 3.55 1.00 Rubidium Iodide
175 Re 21.04 0.15 Rhenium
176 Rh 12.41 0.21 Rhodium
177 Ru 12.36 0.18 Ruthenium
178 S8 2.07 2.29 Sulphur
179 Sb 6.62 0.77 Antimony
180 Sb2O3 5.20 1.00 Antimony Trioxide
181 Sb2S3 4.64 1.00 Antimony Trisulfide
182 Sc 3.00 0.91 Scandium
183 Sc2O3 3.86 1.00 Scandium Oxide
184 Se 4.81 0.86 Selenium
185 Si 2.32 0.71 Silicon
186 Si3N4 3.44 1.00 Silicon Nitride
187 SiC 3.22 1.00 Silicon Carbide
188 SiO 2.13 0.87 Silicon (II) Oxide
189 SiO2 2.65 1.00 Silicon Dioxide
190 Sm 7.54 0.89 Samarium
191 Sm2O3 7.43 1.00 Samarium Oxide
192 Sn 7.30 0.72 Tin
193 SnO2 6.95 1.00 Tin Oxide
194 SnS 5.08 1.00 Tin Sulfide
195 SnSe 6.18 1.00 Tin Selenide
196 SnTe 6.44 1.00 Tin Telluride
197 Sr 2.60 1.00 Strontium
198 SrF2 4.28 0.73 Strontium Fluoride
199 SrO 4.99 0.52 Strontium Oxide
200 Ta 16.60 0.26 Tantalum
201 Ta2O5 8.20 0.30 Tantalum (V) Oxide
202 TaB2 11.15 1.00 Tantalum Boride
203 TaC 13.90 1.00 Tantalum Carbide
204 TaN 16.30 1.00 Tantalum Nitride
205 Tb 8.27 0.66 Terbium
206 Tc 11.50 1.00 Technetium
207 Te 6.25 0.90 Tellurium
208 TeO2 5.99 0.86 Tellurium Oxide
209 Th 11.69 0.48 Thorium
210 ThF4 6.32 1.00 Thorium (IV) Fluoride
211 ThO2 9.86 0.28 Thorium Dioxide
212 ThOF2 9.10 1.00 Thorium Oxyfluoride
213 Ti 4.50 0.63 Titanium
214 Ti2O3 4.60 1.00 Titanium Sesquioxide
215 TiB2 4.50 1.00 Titanium Boride
216 TiC 4.93 1.00 Titanium Carbide
217 TiN 5.43 1.00 Titanium Nitride
218 TiO 4.90 1.00 Titanium Oxide
219 TiO2 4.26 0.40 Titanium (IV) Oxide
220 Tl 11.85 1.55 Thallium
221 TlBr 7.56 1.00 Thallium Bromide
222 TlCl 7.00 1.00 Thallium Chloride
223 TlI 7.09 1.00 Thallium Iodide
224 U 19.05 0.24 Uranium
225 U3O8 8.30 1.00 Tri Uranidum Octoxide
226 U4O9 10.97 0.35 Uranium Oxide
227 UO2 10.97 0.29 Uranium Dioxide
228 V 5.96 0.53 Vanadium
229 V2O5 3.36 1.00 Vanadium Pentoxide
230 VB2 5.10 1.00 Vanadium Boride
231 VC 5.77 1.00 Vanadium Carbide
232 VN 6.13 1.00 Vanadium Nitride
233 VO2 4.34 1.00 Vanadium Dioxide
234 W 19.30 0.16 Tungsten
235 WB2 10.77 1.00 Tungsten Boride
236 WC 15.60 0.15 Tungsten Carbide
237 WO3 7.16 1.00 Tungsten Trioxide
238 WS2 7.50 1.00 Tungsten Disulphide
239 WSi2 9.40 1.00 Tungsten Silicide
240 Y 4.34 0.84 Yttrium
241 Y2O3 5.01 1.00 Yttrium Oxide
242 Yb 6.98 1.13 Ytterium
243 Yb2O3 9.17 1.00 Yttrium Oxide
244 Zn 7.04 0.51 Zinc
245 Zn3Sb2 6.30 1.00 Zinc Antimonide
246 ZnF2 4.95 1.00 Zinc Fluoride
247 ZnO 5.61 0.56 Zinc Oxide
248 ZnS 4.09 0.78 Zinc Sulfide
249 ZnSe 5.26 0.72 Zinc Selenide
250 ZnTe 6.34 0.77 ZincTelluride
251 Zr 6.49 0.60 Zirconium
252 ZrB2 6.08 1.00 Zirconium Boride
253 ZrC 6.73 0.26 Zirconium carbide
254 ZrN 7.09 1.00 Zirconium Nitride
255 ZrO2 5.60 1.00 Zirconium Oxide
256 MgO3Al2O3 8.00 1.00 Spine
257 NiFeMo 8.50 1.00 Supermalloy
2. 晶振片知識
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)膜料時用鍍銀鋁合金的晶振片為好。
4.膜厚儀測量范圍是多少
一個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測量范圍是幾個晶片測量厚度的累加。
5.膜厚監(jiān)控儀與膜厚控制儀的區(qū)別
監(jiān)控儀是實時測量膜層的厚度和速率，到達(dá)設(shè)定值自動關(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，自動對蒸發(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
晶振片測量的是膜層幾何厚度，光學(xué)厚度=幾何厚度×折射率，鍍膜時如果認(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，按照一個晶片測量10μm厚度的氧化物膜，膜層可以超過一百層。
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蒸發(fā)源距離一樣時工具因子是1，當(dāng)距離不一樣時就要改變工具因子的系數(shù)，工具因子=實際厚度÷顯示厚度，準(zhǔn)確的工具因子系數(shù)確定請見后面的“晶體測厚厚度校正和測量理論”描述；
在實際工作中可以用簡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.晶體測厚厚度校正和測量理論
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：對大多數(shù)實際應(yīng)用來說，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量）于探頭鄰近處，這樣在晶片和襯底上會累積相同的厚度。
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，用手動控制方法進(jìn)行一次短沉積（1000?-5000?）。
5、沉積完成后，取下測試襯底，用一臺多束干涉儀或一個觸針型輪廓儀測量薄膜厚度。
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。對于其他材料，可以按下面的公式計算其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
實驗室結(jié)果指出材料在薄膜形態(tài)的Z值與塊體非常接近。然后，對于高壓制備的材料，薄膜的Z值比塊體略小。
對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)行一次短時沉積（1000-5000?）。
3、確定襯底上薄膜的實際厚度（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)與實際厚度相符。
注意：對于多層沉積（如兩層），用于第二層的Z值由兩層的相對厚度確定，對于大多數(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試襯底。
2、進(jìn)行一次短時沉積并確定實際厚度。
3、根據(jù)下列關(guān)系計算工具因子。
工具因子=TF1 * Tm/Tx
其中Tm=襯底托架上薄膜的實際厚度
Tx=儀器上厚度讀數(shù)
TF1=原來的工具因子
4、 四舍五入計算工具因子為最近的工具因子。
5、 如果計算正確，在編程時輸入新工具因子后，Tm會等于Tx。
第四節(jié) 測量理論
石英晶體膜厚監(jiān)控儀已經(jīng)用于三個截然不同的領(lǐng)域：A.頻率測量技術(shù)。B.周期測量技術(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測量沉積的薄膜厚度，這種諧振器后來發(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
實驗已經(jīng)表明，為了保持厚度測量的合理精度，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量技術(shù)，厚度計算采用如下方程：
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。對于一個小的頻率偏移，方程（1）和方程（2）是很相似的。
但對方程（2）的有效性測試指出，對大部分材料，對大部分鍍膜材料，晶體偏移至fg的5%時就開始出現(xiàn)顯著的誤差。用石英晶片厚度監(jiān)視器測量鍍膜速率時，在標(biāo)明的時間內(nèi)誤差甚至變的更為嚴(yán)重，因為厚度誤差是一個隨時間變化的函數(shù)，速率是厚度對時間的導(dǎo)數(shù)。隨著晶體設(shè)計的發(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)。對他們的原始解法進(jìn)一步的研究導(dǎo)出一個簡單的厚度-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。實驗結(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）的另一個重要性是，首先從理論觀點可以理解為“周期測量”技術(shù)或方程（2）的有效性。通過一種簡單的代數(shù)計算，可以容易地證明方程（2）是在Z=1時的特例，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算。聲阻抗比率可作為一個獨立的材料常數(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。
常用材料參數(shù)表
Code Formula Density Z-Ratio Material Name
001 Ag 10.50 0.53 Silveer
002 AgBr 6.47 1.18 Silver Bromide
003 AgCl 5.56 1.32 Silver Chloride
004 Al 2.70 1.08 Aluminum
005 Al2O3 3.97 0.34 Aluminum Oxide
006 Al4C3 2.36 1.00 Aluminum Carbide
007 AlF3 3.07 1.00 Aluminum Fluoride
008 AlN 3.26 1.00 Aluminum Nitride
009 AlSb 4.36 0.74 Aluminum Antimonide
010 As 5.73 0.97 Arsenic
011 As2Se3 4.75 1.00 Arsenic Selenide
012 Au 19.30 0.38 Gold
013 B 2.37 0.39 Boron
014 B2O3 1.82 1.00 Boron Oxide
015 B4C 2.37 1.00 Boron Carbide
016 BN 1.86 1.00 Boron Nitride
017 Ba 3.50 2.10 Barium
018 BaF2 4.89 0.79 Barium Fluoride
019 BaN2O6 3.24 1.26 Barium Nitrate
020 BaO 5.72 1.00 Barium Oxide
021 BaTiO3 6.00 0.46 Barium Titanate (Tetr)
022 BaTiO3 6.04 0.41 Barium Titanate(Cubic)
023 Be 1.85 0.54 Beryllium
024 BeF2 1.99 1.00 Beryllium Fluoride
025 BeO 3.01 1.00 Beryllium Oxide
026 Bi 9.80 0.79 Bismuth
027 Bi2O3 8.90 1.00 Bismuth Oxide
028 Bi2S3 7.39 1.00 Bismuth Trisulphide
029 Bi2Se3 6.82 1.00 Bismuth Selenide
030 Bi2Te3 7.70 1.00 Bismuth Telluride
031 BiF3 5.32 1.00 Bismuth Fiuoride
032 C 2.25 3.26 Carbon (Graphite)
033 C 3.52 0.22 Carbon (Diamond)
034 C8H8 1.10 1.00 Parlyene(Union Carbon)
035 Ca 1.55 2.62 Calcium
036 CaF2 3.18 0.78 Calcium Fluoride
037 CaO 3.35 1.00 Calcium Oxide
038 CaO-SiO2 2.90 1.00 Calcium Silicate (3)
039 CaSO4 2.96 0.96 Calcium Sulfate
040 CaTiO3 4.10 1.00 Calcium Titanate
041 CaWO4 6.06 1.00 Calcium Tungstate
042 Cd 8.64 0.68 Cadmium
043 CdF2 6.64 1.00 Cadmium Fluoride
044 CdO 8.15 1.00 Cadmium Oxide
045 CdS 4.83 1.02 Cadmium Sulfide
046 CdSe 5.81 1.00 Cadmium Selenide
047 CdTe 6.20 0.98 Cadmium Telluride
048 Ce 6.78 1.00 Cerium
049 CeF3 6.16 1.00 Cerium(III) Fluoride
050 CeO2 7.13 1.00 Cerium Oxide
051 Co 8.90 0.34 Cobalt
052 CoO 6.44 0.41 Cobalt Oxide
053 Cr 7.20 0.31 Chromium
054 Cr2O3 5.21 1.00 Chromium (III) Oxide
055 Cr3C2 6.68 1.00 Chromium Carbide
056 CrB 6.17 1.00 Chromium Boride
057 Cs 1.87 1.00 Cesium
058 Cs2SO4 4.24 1.21 Cesium Sulfate
059 CsBr 4.46 1.41 Cesium Bromide
060 CsCl 3.99 1.40 Cesium Chloride
061 CsI 4.52 1.54 Cesium Iodide
062 Cu 8.93 0.44 Copper
063 Cu2O 6.00 1.00 Copper Oxide
064 Cu2S 5.60 0.69 Copper (I) Sulfide (Alpha)
065 Cu2S 5.80 0.67 Copper (I) Sulfide (Beta)
066 CuS 4.60 0.82 Copper (II) Sulfide
067 Dy 8.55 0.60 Dysprosium
068 Dy2O3 7.81 1.00 Dysprosium Oxide
069 Er 9.05 0.74 Erbium
070 Er2O3 8.64 1.00 Erbium Oxide
071 Eu 5.26 1.00 Europium
072 EuF2 6.50 1.00 Europium Fluoride
073 Fe 7.86 0.35 Iron
074 Fe2O3 5.24 1.00 Iron Oxide
075 FeO 5.70 1.00 Iron Oxide
076 FeS 4.84 1.00 Iron Sulphide
077 Ga 5.93 0.59 Gallium
078 Ga2O3 5.88 1.00 Gallium Oxide (B)
079 GaAs 5.31 1.59 Gallium Arsenide
080 GaN 6.10 1.00 Gallium Nitride
081 GaP 4.10 1.00 Gallium Phosphide
082 GaSB 5.60 1.00 Gallium Antimonide
083 Gd 7.89 0.67 Gadolinium
084 Gd2O3 7.41 1.00 Gadolinium Oxide
085 Ge 5.35 5.16 Germanium
086 Ge3N2 5.20 1.00 Germanium Nitride
087 GeO2 6.24 1.00 Germanium Oxide
088 GeTe 6.20 1.00 Germanium Telluride
089 Hf 13.09 0.36 Hafnium
090 HfB2 10.50 1.00 Hafnium Boride
091 HfC 12.20 1.00 Hafnium Carbide
092 HfN 13.80 1.00 Hafnium Nitride
093 HfO2 9.68 1.00 Hafnium Oxide
094 HfSi2 7.20 1.00 Hafnium Silicide
095 Hg 13.46 0.74 Mercury
096 Ho 8.80 0.58 Holminum
097 Ho2O3 8.41 1.00 Holminum Oxide
098 In 7.30 0.84 Indium
099 In2O3 7.18 1.00 Indium Sesquioxide
100 In2Se3 5.70 1.00 Indium Selenide
101 In2Te3 5.80 1.00 Indium Telluride
102 InAs 5.70 1.00 Indium Arsenide
103 InP 4.80 1.00 Indium Phosphide
104 InSb 5.76 0.77 Indium Antimonide
105 Ir 22.40 0.13 Iridium
107A K 0.86 10.19 Potassium
107 KBr 2.75 1.89 Potassium Bromide
108 KCl 1.98 2.05 Potassium Chloride
109 KF 2.48 1.00 Potassium Fluoride
110 KI 3.13 2.08 Potassium Iodide
111 La 6.17 0.92 Lanthanum
112 La2O3 6.51 1.00 Lanthanum Oxide
113 LaB6 2.61 1.00 Lanthanum boride
114 LaF3 5.94 1.00 Lanthanum Fluoride
115 Li 0.53 5.90 Lithium
116 LiBr 3.47 1.23 Lithium Bormide
117 LiF 2.64 0.78 Lithium Fluoride
118 LiNbO3 4.70 0.46 Lithium Niobate
119 Lu 9.84 1.00 Lutetium
120 Mg 1.74 1.61 Magnesium
121 MgAl2O4 3.60 1.00 Magnesium Aluminate
122 MgAl2O6 8.00 1.00 Spinel
123 MgF2 3.18 0.64 Magnesium Fluoride
124 MgO 3.58 0.41 Magnesium Oxide
125 Mn 7.20 0.38 Manganese
126 MnO 5.39 0.47 Manganese Oxide
127 MnS 3.99 0.94 Manganese (II) Sulfide
128 Mo 10.20 0.26 Molybdenum
129 Mo2C 9.18 1.00 Molybdenum Carbide
130 MoB2 7.12 1.00 Molybdenum Boride
131 MoO3 4.70 1.00 Molybdenum Oxide
132 MoS2 4.80 1.00 Molybdenum Disulfide
133 Na 0.97 4.80 Sodium
134 Na3AlF6 2.90 1.00 Cryolite
135 Na5Al3F14 2.90 1.00 Chiolite
136 NaBr 3.20 1.00 Sodium Bromide
137 NaCl 2.17 1.57 Sodium Chloride
138 NaClO3 2.16 1.57 Sodium Chlorate
139 NaF 2.56 0.95 Sodium Fluoride
140 NaNO3 2.27 1.19 Sodium Nitrate
141 Nb 8.58 0.49 Niobium (Columbium)
142 Nb2O3 7.50 1.00 Niobium Trioxide
143 Nb2O5 4.47 1.00 Niobium (V) Oxide
144 NbB2 6.97 1.00 Niobium Boride
145 NbC 7.82 1.00 Niobium Carbide
146 NbN 8.40 1.00 Niobium Nitride
147 Nd 7.00 1.00 Neodynium
148 Nd2O3 7.24 1.00 Neodynium Oxide
149 NdF3 6.51 1.00 Neodynium Fluoride
150 Ni 8.91 0.33 Nickel
151 NiCr 8.50 1.00 Nichrome
152 NiCrFe 8.50 1.00 Inconel
153 NiFe 8.70 1.00 Permalloy
154 NiFeMo 8.90 1.00 Supermalloy
155 NiO 7.45 1.00 Nickel Oxide
156 P3N5 2.51 1.00 Phosphorus Nitride
157 Pb 11.30 1.13 Lead
158 PbCl2 5.85 1.00 Lead Chloride
159 PbF2 8.24 0.66 Lead Fluoride
160 PbO 9.53 1.00 Lead Oxide
161 PbS 7.50 0.57 Lead Sulfide
162 PbSe 8.10 1.00 Lead Selenide
163 PbSnO3 8.10 1.00 Lead Stannate
164 PbTe 8.16 0.65 Lead Telluride
165 Pd 12.04 0.36 Palladium
166 PdO 8.31 1.00 Palladium Oxide
167 Po 9.40 1.00 Polonium
168 Pr 6.78 1.00 Praseodymium
169 Pr2O3 6.88 1.00 Praseodymium Oxide
170 Pt 21.40 0.25 Platinum
171 PtO2 10.20 1.00 Platinum Oxide
172 Ra 5.00 1.00 Radium
173 Rb 1.53 2.54 Rubidium
174 RbI 3.55 1.00 Rubidium Iodide
175 Re 21.04 0.15 Rhenium
176 Rh 12.41 0.21 Rhodium
177 Ru 12.36 0.18 Ruthenium
178 S8 2.07 2.29 Sulphur
179 Sb 6.62 0.77 Antimony
180 Sb2O3 5.20 1.00 Antimony Trioxide
181 Sb2S3 4.64 1.00 Antimony Trisulfide
182 Sc 3.00 0.91 Scandium
183 Sc2O3 3.86 1.00 Scandium Oxide
184 Se 4.81 0.86 Selenium
185 Si 2.32 0.71 Silicon
186 Si3N4 3.44 1.00 Silicon Nitride
187 SiC 3.22 1.00 Silicon Carbide
188 SiO 2.13 0.87 Silicon (II) Oxide
189 SiO2 2.65 1.00 Silicon Dioxide
190 Sm 7.54 0.89 Samarium
191 Sm2O3 7.43 1.00 Samarium Oxide
192 Sn 7.30 0.72 Tin
193 SnO2 6.95 1.00 Tin Oxide
194 SnS 5.08 1.00 Tin Sulfide
195 SnSe 6.18 1.00 Tin Selenide
196 SnTe 6.44 1.00 Tin Telluride
197 Sr 2.60 1.00 Strontium
198 SrF2 4.28 0.73 Strontium Fluoride
199 SrO 4.99 0.52 Strontium Oxide
200 Ta 16.60 0.26 Tantalum
201 Ta2O5 8.20 0.30 Tantalum (V) Oxide
202 TaB2 11.15 1.00 Tantalum Boride
203 TaC 13.90 1.00 Tantalum Carbide
204 TaN 16.30 1.00 Tantalum Nitride
205 Tb 8.27 0.66 Terbium
206 Tc 11.50 1.00 Technetium
207 Te 6.25 0.90 Tellurium
208 TeO2 5.99 0.86 Tellurium Oxide
209 Th 11.69 0.48 Thorium
210 ThF4 6.32 1.00 Thorium (IV) Fluoride
211 ThO2 9.86 0.28 Thorium Dioxide
212 ThOF2 9.10 1.00 Thorium Oxyfluoride
213 Ti 4.50 0.63 Titanium
214 Ti2O3 4.60 1.00 Titanium Sesquioxide
215 TiB2 4.50 1.00 Titanium Boride
216 TiC 4.93 1.00 Titanium Carbide
217 TiN 5.43 1.00 Titanium Nitride
218 TiO 4.90 1.00 Titanium Oxide
219 TiO2 4.26 0.40 Titanium (IV) Oxide
220 Tl 11.85 1.55 Thallium
221 TlBr 7.56 1.00 Thallium Bromide
222 TlCl 7.00 1.00 Thallium Chloride
223 TlI 7.09 1.00 Thallium Iodide
224 U 19.05 0.24 Uranium
225 U3O8 8.30 1.00 Tri Uranidum Octoxide
226 U4O9 10.97 0.35 Uranium Oxide
227 UO2 10.97 0.29 Uranium Dioxide
228 V 5.96 0.53 Vanadium
229 V2O5 3.36 1.00 Vanadium Pentoxide
230 VB2 5.10 1.00 Vanadium Boride
231 VC 5.77 1.00 Vanadium Carbide
232 VN 6.13 1.00 Vanadium Nitride
233 VO2 4.34 1.00 Vanadium Dioxide
234 W 19.30 0.16 Tungsten
235 WB2 10.77 1.00 Tungsten Boride
236 WC 15.60 0.15 Tungsten Carbide
237 WO3 7.16 1.00 Tungsten Trioxide
238 WS2 7.50 1.00 Tungsten Disulphide
239 WSi2 9.40 1.00 Tungsten Silicide
240 Y 4.34 0.84 Yttrium
241 Y2O3 5.01 1.00 Yttrium Oxide
242 Yb 6.98 1.13 Ytterium
243 Yb2O3 9.17 1.00 Yttrium Oxide
244 Zn 7.04 0.51 Zinc
245 Zn3Sb2 6.30 1.00 Zinc Antimonide
246 ZnF2 4.95 1.00 Zinc Fluoride
247 ZnO 5.61 0.56 Zinc Oxide
248 ZnS 4.09 0.78 Zinc Sulfide
249 ZnSe 5.26 0.72 Zinc Selenide
250 ZnTe 6.34 0.77 ZincTelluride
251 Zr 6.49 0.60 Zirconium
252 ZrB2 6.08 1.00 Zirconium Boride
253 ZrC 6.73 0.26 Zirconium carbide
254 ZrN 7.09 1.00 Zirconium Nitride
255 ZrO2 5.60 1.00 Zirconium Oxide
256 MgO3Al2O3 8.00 1.00 Spine
257 NiFeMo 8.50 1.00 Supermalloy