薄膜厚度监控
薄膜制程及薄膜厚度监控方法
製程設計
膜厚監控系統
製程控制
受製程誤差影 響之敏感度
檢討可容許之膜層 厚度允許
考慮需要怎樣的 折射率允差和厚 度均勻性
製程參數變化對光學性質之影響
製程參數
蒸度速率 溫度
光學性質
代表例
折射率 對0.1nm/s的變動 TiO2 有1%改變 物理厚度 正比於蒸度速率 折射率 物理厚度 對1℃的變動TiO2有0.2改變(在 250℃時) 對1℃的變動ZnS有0.2改變(在 170℃時)
單波長光學膜厚計
直接監控薄膜厚度變化 從最大光量或最小光量的極值確定膜厚 （1/4 膜厚 1QWOT） 從光量最大或最小的程度，可判斷折射係數變化。 單波長光學膜厚計輔以電腦控制可進行非1/4 膜厚控制
菏北猧匡拒秨﹍
path-3 > 0.5%
Yes
匡拒猧骸ì 0.5% < path-3< 5%
薄膜製程 及 薄膜厚度監控方法
譜訊光電素 薄膜厚度監控方法
光學薄膜
原理: 經由光學干涉作用而達到其效果者。 特性: 高、低折射率材料堆疊 (Sub/HLHLHL……..) 。 光干涉作用
Light Source
Reflection
形成光學薄膜
匡拒 Sensitivity( 庇稰 ) 程ぇ猧竚
path-2
纗匡ぇ猧戈
path-1
痢饯玴 t
廣波域光學膜厚計
直接監控光譜 選擇適當的評價方法 需要準確的材料特性計算
Fig. 3 Screen monitor top: heading of system & tolerance of spectral curve center left: spectral transmittance of current layer, line-measured curved, dotted line target curve. center right: transmittance vs. thickness curve. line -measured, dotted line-target bottom: indication bubles and functions keys of system operation controll
光学薄膜监控技术原理
误差传递和累积
膜层 1 2 3 4 5
设计厚度 83.7nm 119.6nm 29.9nm 159.4nm 65.9nm
含误差厚度 88.7nm 122.6nm 36.7nm 153.4nm 61.9nm
误差 5nm 3nm 7nm -6nm -4nm
误差百分比 6% 2.5%
镀制单层的MgF2，对绿光减反射，反射光是紫红色。
光学薄膜监控技术原理
★ 光学方法 光吸收法
测量薄膜透射光强度。
II0(1R)2exp(t)
式中， I 0 为入射光强度， I 透射光强度， t 膜厚， 吸收
系数， R 薄膜与空气界面的反射率。
方法简单 适合于连续薄膜
光学薄膜监控技术原理
光干涉法(光电极值法）
光学薄膜监控技术原理
形状厚度dT是接近与直观形式的厚度。 质量厚度dM反映了薄膜中质量的多少。 物性厚度dP实际使用较少。
光学薄膜监控技术原理
★目视法 目视法：目视观察薄膜干涉色的变化来控制介质膜的厚度。 基板镀膜后，入射光在薄膜的两个分界面分成两束反射光，这 两束反射光是相干的，各个波长的反射光强度就不相等，带有 不同的干涉色彩，不同的膜厚对于不同的颜色。
值； 3. 透过或反射光强度为薄膜厚度的函数。
光学薄膜监控技术原理
例题：设计淀积2m厚的SiO薄膜，已知SiO的折射率为2.0， 监控片的折射率为1.5，单色光波长为1m，假设薄膜吸收为 零，如何监控？
根据干涉原理：
m 4 nfd
m4nfd42216
1
监测到第8个最大值即可。
光学薄膜监控技术原理
极值法
在基片上镀制单一层膜时，薄膜的透射光或反 射光强度随着薄膜厚度的变化曲线呈余弦状。
薄膜厚度检测原理及系统
薄膜厚度检测原理及系统
薄膜厚度检测系统的工作原理是基于光学干涉的原理。
当一束光在两个不同介质之间传播时，其中一部分光被反射，一部分光被穿透，并在两个介质的交界面上发生干涉。
干涉效应会引起光的相位差，从而引起干涉条纹的出现。
在薄膜厚度检测系统中，通过控制光源的波长和角度，以及检测器的位置和接收光强，可以测量出干涉条纹的参数，进而计算出薄膜的厚度。
下面是薄膜厚度检测系统的详细原理及工作流程：
1.光源选择：根据薄膜的材料和特性选择相应的光源，例如白光源、激光器等。
光源的稳定性和光谱宽度对测量精度有很大影响。
2.光束分束：将光源发出的光束分为两束，一束直接照射到薄膜上，另一束经过参考表面反射后照射到薄膜上。
两束光线在薄膜交界面发生干涉。
3.干涉条纹采集：使用探测器或摄像机采集干涉条纹的光强分布。
探测器可以是光电二极管、CCD等。
4.光强信号处理：将采集到的干涉条纹光强信号转换为电信号，并经过放大、滤波等处理，以提高信噪比和测量精度。
5.干涉条纹分析：利用光学干涉的原理，通过对干涉条纹的分析，得到薄膜厚度的参数。
6.数据处理和显示：将薄膜厚度参数输入到计算机中，进行数据处理和结果显示。
可以实时展示薄膜的厚度测量结果。
薄膜厚度检测系统的优点是非接触式测量，能够快速、准确地测量薄膜的厚度。
同时，该系统还具有高精度、高稳定性和高重复性等特点。
在电子、半导体、光学和涂料等行业中，薄膜厚度检测系统被广泛应用于质量控制、工艺优化和新材料研发等方面。
塑料薄膜吹塑风环技术及薄膜厚度的控制
塑料薄膜吹塑风环技术及薄膜厚度的控制对于塑料薄膜吹塑机械，风环是膜泡成型、冷却的重要组成部件，风环对薄膜厚薄均匀度和薄膜产量有极大的影响。
薄膜吹塑的冷却原理：塑料薄膜吹塑过程风环以风机产生的压力空气为冷却介质对膜泡吹胀区(即口模到冷凝线之间)进行冷却，当冷却空气通过风环以一定角度和速度吹向从机头挤出的膜泡时，高温的膜泡与冷却空气相接触，膜泡上大量的热量传递给空气并被带走，从而使膜泡得到冷却。
常用风环有单、双风口风环、真空室风环以及用于旋转机头的旋转风环。
由于旋转机头的技术无法适应现代高质量要求的薄膜生产，旋转风环将与旋转机头一起淘汰(本文不作讨论)。
多年来，科技工作者不断研究新的风环，取得喜人的成果，例如射流式双风口风环、可调薄膜厚薄的自动风环，对塑料加工行业是一种极大的贡献。
风环的构造、制造精度以及冷却气流的温度直接影响薄膜的厚薄均匀度、透明度、外观质量和物理机械性能。
风环主要由进气管、风环体、风口等部分构成。
进气管用于连接风机进气，其进气方向有与风环中心轴线垂直、平行或倾斜三种。
风环体有均匀分配、匀化气流，建立气压的作用，风环体主要有迷宫(图1)或多孔分流(图2)的结构，其入口气室的容积应比出口气室的容积大，有一定的气体压缩比，以确保气流量和气压的稳定。
风口用于喷射压力气体，冷却膜泡，风口在上吹塑法能扶托、稳定膜泡，下吹塑法为刚出口模的高温熔体提供一定的冷却，提高口模处高温熔体的抗拉强度，保持膜泡不因重力的作用而拉断、破泡，保持膜泡稳定。
风口气流速度为10～30m/s，流速误差不大于0.5～1m/s，才能满足要求较高的薄膜生产。
为控制膜泡冷凝线高度和冷却速度，必须改变风口可利用螺纹副调节，大风环由于大型车床无法加工螺纹，可采用升降机构代替螺纹副调节风口。
风口的调节量视吹塑设备大小而定，调节量通常为2～20mm。
早期的吹塑机械对薄膜厚薄均匀度和产量的要求不高，风环多为单风口结构，对mLLDPE、LLDPE、EVA的吹塑性能差，甚至无法正常成形膜泡。
膜厚测量仪的应用场景 分类
1、半导体加工
在半导体制造业中，不同工艺步骤所涉及的膜厚以及成分都不同，需要采用高灵敏度的仪器来进行检测。
膜厚测量仪能够精确测量超薄膜，对后续工序制定提供参考。
2、金属材料检测
在金属材料制造业中，需要对金属表面的薄膜进行监控和质量控制。
膜厚测量仪可以准确地检测不同种类和厚度的金属薄膜，从而保证产品的质量。
3、涂层检测
涂层是广泛应用的物理表面改性工艺，涂层的厚度和成分会直接影响到涂层的质量和使用寿命。
通过膜厚测量仪可以及时掌握涂层的信息，并对质量进行控制。
膜厚测量仪是一种应用广泛的电子、金属、化学等多个领域的精密测量工具。
在当前以品质为导向的制造环境下，膜厚测量仪已经成为现代制造工艺中bu可缺少的设备，为保证材料及产品品质提供了有力支持。
3.1 椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率
实验3.1 椭偏光法测量薄膜的厚度和折射率一、引言椭圆偏振测量法，简称椭偏光法，是测量研究介质表面界面或薄膜光学特性的一种重要光学方法。
它是将一束偏振光非垂直地投射到被测样品表面，由观察反射光或透射光的偏振状态的变化来推知样品的光学特性，例如薄膜的厚度，材料的复折射率等。
这种测量方法的优点是测量精度非常高，而且对样品是非破坏性的，它可以测量出薄膜厚度约0.1 nm的变化。
因此。
可以用于表面界面的研究，也可用于准单原子层开始的薄膜生长过程的实时自动监测。
椭偏光法的应用范围广泛，自然界中普遍存在着各种各样的界面和薄膜，人工制备薄膜的种类也越来越多，因此椭偏光法应用于物理、化学、表面科学、材料科学、生物科学以及有关光学、微电子、机械、冶金和生物医学等领域中。
在材料科学中椭偏测量常用来测量各种功能介质薄膜、硅上超薄氧化层以及超薄异质层生长的实时监控、溅射刻蚀过程的实时监控等。
自1945年罗中(A. Rothen)描述了用以测量薄膜表面光学性质的椭偏仪以来，随着科学技术的迅速发展，椭偏光法发展很快，椭偏仪的制造水平也不断提高，特别是使用计算机处理复杂繁冗的椭偏测量数据后使测量快捷简便了许多。
二、实验目的1. 了解椭偏光测量原理和实验方法。
2. 熟悉椭偏仪器的结构和调试方法。
3. 测量介质薄膜样品的厚度和折射率，以及硅的消光系数和复折射率。
三、实验原理本实验介绍反射型椭偏光测量方法。
其基本原理是用一束椭偏光照射到薄膜样品上，光在介质膜的交界面发生多次的反射和折射，反射光的振幅和位相将发生变化，这些变化与薄膜的厚度和光学参数（折射率、消光系数等）有关，因此，只要测出反射偏振状态的变化，就可以推出膜厚和折射率等。
1. 椭圆偏振方程图1所示为均匀、各向同性的薄膜系统，它有两个平行的界面。
介质1通常是折射率为n 1的空气，介质2是一层厚度为d 的复折射率为n 2的薄膜，均匀地附在复折射率为n 3的衬底材料上。
φ1为光的入射角，φ2和φ3分别为薄膜中和衬底中的折射角。
薄膜厚度的监控
03
薄膜厚度监控的设备和技术
设备类型和选择
01
02
03
04
光学测厚仪
利用光的干涉原理测量薄膜厚 度，适用于透明或半透明薄膜
。
磁感应测厚仪
利用磁场感应原理测量金属薄 膜厚度，适用于导电金属薄膜
。
电容测厚仪
利用电容器原理测量绝缘薄膜 厚度，适用于绝缘材料薄膜。
激光测厚仪
利用激光干涉原理测量薄膜厚 度，具有高精度、高速度的优
从而提高了产品的良品率和可靠性。
输入 标题
案例二
某光学元件制造商通过引入高精度的薄膜厚度监控设 备，成功地降低了光学元件制造过程中的废品率，并 提高了产品的光学性能。
案例一
案例三
某生物医疗的薄膜层具有所需的厚度和生物
相容性，从而提高了产品的安全性和有效性。
根据生产需求，选择合适的监 控位置，确保能够全面反映薄
膜的厚度分布。
安装和校准设备
按照设备说明书进行安装和校 准，确保测量结果的准确性和 可靠性。
设定监控参数
根据薄膜的工艺要求，设定合 适的监控参数，如测量范围、 采样频率等。
实时监测与记录
对薄膜厚度进行实时监测，并 记录相关数据，以便后续分析
和处理。
薄膜厚度的监控
• 引言 • 薄膜厚度监控的基本原理 • 薄膜厚度监控的设备和技术 • 薄膜厚度监控的应用场景和案例分析 • 薄膜厚度监控的实践操作和注意事项 • 结论
01
引言
主题简介
薄膜厚度监控是工业生产中常用的质 量控制手段，主要用于确保薄膜的厚 度符合预设标准，从而提高产品的性 能和一致性。
06
薄膜厚度监控技术的发展趋势是集成化、智能化和多功能 化，以满足不断变化的市场需求。
膜厚控制仪
膜厚控制仪膜厚控制仪是一种用于测量和控制薄膜厚度的设备。
它主要用于半导体、光伏、涂装、化工等行业的工厂生产线上，以确保薄膜厚度满足严格的质量要求。
下面将详细介绍膜厚控制仪的工作原理、应用领域和优点。
工作原理膜厚控制仪通过测量薄膜的反射率或透过率来确定膜的厚度。
它使用光学测量原理，即利用薄膜对光的反射和透过特性进行测量。
当光从光源中投射出去，经过薄膜表面后，一部分光被反射回来，一部分光被穿透到下面的基底材料中。
这些反射和穿透的光会被探测器捕捉并转换成电信号，经过处理后得到所测量的薄膜厚度。
应用领域膜厚控制仪在半导体行业中有广泛的应用，用于测量心脏药物、防护涂料、滤波器、电容器、传感器等各种先进结构的薄膜厚度。
对于光伏行业，膜厚控制仪可以测量太阳能电池板上各层薄膜的厚度，如氮化硅膜、透明导电氧化锌膜和铝膜。
在化工和涂装领域，膜厚控制仪通常用于热浸镀薄膜，保证各层膜厚一致，提高防腐蚀和附着性。
优点膜厚控制仪具有以下优点：高精度膜厚控制仪采用先进的光学测量原理，可以达到纳米级精度，保证了测量的准确性和精度。
高速度膜厚控制仪在秒级或毫秒级内完成测量，适用于高速生产线上实时监控薄膜厚度的应用。
高稳定性膜厚控制仪稳定性高，具有良好的重现性和可靠性，长时间使用不易失调。
简便易用膜厚控制仪操作简单，能够自动识别各种材料，提供多种数据输出接口供用户选择。
同时体积小，便于安装使用。
结论膜厚控制仪是目前生产线上必不可少的一种设备，它可以实现高精度、高速度、高稳定性的测量，广泛应用于半导体、光伏、涂装等行业。
同时，由于其简便易用，操作方便等特点，未来将会在更多领域得到广泛的应用和推广。
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极值法
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宽光谱扫描法
• ★由于薄膜材料的色散（折射率随波长变化）和控制灵敏度等因素的影响，单波 长监控是很难精确控制宽波段特性的光学元件。若采用宽光谱扫描，在很宽的波 长范围内监控薄膜的特性，就能使控制既直观又精确。 • ★现在，采用宽光谱快速扫描光度计和计算机联合完成监控任意厚度膜系已在商 业化的镀膜机中使用，它可以将镀膜人员的操作水平要求降低很多。快速扫描单 色仪是利用转动单色仪的衍射光栅来实现，衍射光栅每毫米的刻线为1800条，在 300到700nm的光谱区域内，对应的光栅转动角度为25度，利用一只步进马达通 过15：1的减速齿轮来驱动光栅转动，每秒扫描两次，波长精度为1nm。若要求 更快的扫描频率，可采用硅光二极管阵列作为接收器。
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改进的极值法装置
• 下图是一种使用双光路监控的极值法膜厚监控仪。它与传统的极值法控制的不同 之处在于经调制的光束被一分为二：一束经由探测器接收后输出作为参考信号， 另一束光线经控制片反射后再由另一个探测器接收，输出测量信号，光度计显示 测量信号与参考信号的差值。这样光度计显示的只是测量信号中随膜层厚度变化 而变化的部分信号，扩大了变化部分的量程。这种装置反射率的测量误差可降至 0.1%，从而提高膜厚监控精度。
★在薄膜沉积过程中要监控薄膜的厚度，首先要能够测量薄膜的厚度。目前薄膜厚 度在线测量的方法主要有：测量电阻法、质量法、反射透射光谱法和椭圆偏振光 谱法等等，它们通过测量这些物理参量来实现膜厚的监控。
★在以上的方法中，电阻法最容易实现，而质量法应用最广，光学监控方法主要应 用于光学镀膜领域。
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晶体振荡膜厚仪实例
STC-200/SQ 膜厚控制器
用途：除精确的沉积速率和膜厚显示 外，并可以回传信号到电子枪电源供 应器或蒸发源，实现闭回路的自动镀 膜速率及膜厚控制
• • • • • • •
特点： 1、操作简单，可单键完成Sing-layer镀膜程序 2、配合外部界面与PLC/PC连线，可达到全自动Multi-layer镀膜程序 3、内设RS-232计算机接口，可以与电脑连线工作 4、配备Bipolar高清晰度信号输出端子，可连接记录仪使用 5、内建程序记录器，可提供前次操作数据，便于查询修正 6、全功能显示器，监控镀膜中各项数据变化，随时掌握沉积速率、厚度、输出 功率及时间变化，并有同步曲线图显示动态流程
但是随着薄膜厚度的增加，电阻减小要比预期的慢，导致的原因是膜层的边 界效应、薄膜与块材之间的结构差异以及残余气体的影响。因此，用该方法 对膜厚监控的精度很难高于5％。就是这样，电阻法在电学镀膜中还是常被 使用的。
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石英晶体振荡法
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单波长监控：
★由于利用光电极值法监控四分之一波长厚度或其整数倍膜是十分成熟的，因此通
过模拟实现蒸发的过程计算出薄膜厚度增加时各个波长的反射（透射）率的变化 ，从而寻找正确厚度时出现极值的波长，然后，就可用极值法监控任意厚度。
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晶体振荡膜厚仪实例
STM-100/MF膜厚监控器 Sycon instruments company
用途：适用于一般物理气相沉积（PVD）过程，可精密 的检测镀膜过程中每秒0.1埃的速率变化，并准确的掌 握每一埃的沉积厚度。
薄膜厚度监控
GP Introduction
November 23, 2009
Stone Gong
Dated 22st NOV. 2011
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概述
★在制备薄膜的过程中，除了应当选择合适的薄膜材料和沉积工艺外，还要精确控 制薄膜沉积过程中的厚度。薄膜的厚度可以有三种说法，它们是几何厚度、光学 厚度和质量厚度。几何厚度就是薄膜的物理厚度，物理厚度与薄膜的折射率的乘 积就是光学厚度。而质量厚度是指单位面积上的膜质量，当薄膜的密度已知时， 就可以从质量厚度转换计算出膜的几何厚度。一般情况下，薄膜厚度的误差控制 在2％以内，有时可能达5～10％。薄膜厚度的监控必须在允许的误差范围之内。
★石英晶体振荡法测量薄膜厚度的原理是石英晶体振荡的频率会随着晶体上薄膜质 量的变化而变化。因此，它是一种薄膜质量测量方法，它也被称为质量微天平。 由于它是通过测量沉积的膜层的质量来测量沉积材料的厚度，因此，不论是金属 材料、半导体材料、氧化物等等的任何材料都能使用，它是使用最广泛的膜厚监 控方法。
★石英晶体的压电效应的固有频率不仅取决于晶体的几何尺寸和切割类型，而且还 与厚度d相关，即：f=N/d，N是与晶体的几何尺寸和切割类型相关的频率常数。 对于AT切割的石英晶体，N=fd＝1670Kc.mm。AT切割的晶体的振动频率对质量 的变化特别敏感，但对于温度变化（在－40度到90度范围温度系数大致在10－6/度 ），这个特性使得石英晶体特别适合于薄膜的质量控制。
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石英晶体振荡法
★如果晶体的基频越高，控制灵敏度也越高，这要求晶体的厚度足够小。在沉积过 程中，晶体振荡的频率不断下降，随着膜厚的增加，石英晶体的灵敏度降低， 通常频率的最大变化不得超过几千赫，不然振荡器工作将不稳定，甚至停止振 荡。为了保证振荡器工作稳定和保持较高的灵敏度，晶体上的膜层镀到一定厚 度后就要清洗，或更换晶体头。 ★石英晶体监控的有效精度取决于电子线路的稳定性、所用晶体的温度系数、石英 晶体传感探头的特定结构以及相对于蒸发或溅射源的合理位置。一般情况下， 利用石英晶体监控可以达到2～3％左右的物理厚度精度，对于大多数光学薄膜 设计是足够了。
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任意厚度的监控方法和装置
★在经典的薄膜系统，不管采用几种介质材料，也不管有多少层，它们的厚度是规 整的，就都是四分之一波长或其整数倍厚度。这很大程度上是由于传统的解析设 计方法都是以各层厚度为1/4波长或其整数倍为前提的，无疑这种厚度整齐的膜系 对于制备和监控是方便的，前面的方法已成功地用来监控这些膜系。但是随着光 学薄膜的应用日益广泛，对薄膜的特性不断提出新的要求，用经典的膜系已不能 满足要求，而必须寻找任何厚度的新膜系。利用电子计算机自动设计技术，为了 增加设计参数，通常把各层厚度作为校正参数，因而设计得到的各类膜系，其厚 度几乎都是不规整的。 ★任意厚度的薄膜系统具有许多优良的光学特性，但是给厚度监控提出了很多困难 ，目前任意厚度的监控方法主要有：石英晶体监控法，单波长透射（反射光谱） 法，宽光谱扫描法，椭圆偏振光谱法。其中石英晶体监控法前面已经介绍，这里 就不再叙述。
• 过正控制： • 由于极值法的固有精度不高，在极值处监控信号对于膜厚的 变化不够灵敏。所以有经验的镀膜操作者一般并不把沉积停 止在理论极值处，而是停止在眼睛能分辨的反转值处，其目 的是故意产生一个一致性的过正量，以减小判断膜厚的随机 误差，该方法就是过正控制。
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电阻法
测量薄膜电阻变化来控制金属膜厚度是最简单的一种膜厚监控方法。下图是 用惠斯顿电桥测量薄膜电阻率的例子。用这种方法可以测量电阻从1欧姆到 几百兆欧姆的电阻，若加上直流放大器，电阻率的控制精度可达0.01%。
用电桥法测量薄膜的电阻率 V－被测膜，U－电压，O－平衡指示器 R1,R2,R3－电阻器。
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石英晶体振荡法
★石英晶体监控有三个非常实际的优点： 1.是装置简单，没有通光孔的窗口，没有光学系统安排等麻烦； 2.是信号容易判读，随着膜厚的增加，频率线性地下降，与薄膜是否透明无关； 3.是它还可以记录沉积速率，这些特点使它很适合于自动控制；对于小于8分之一 光学波长厚度也具有较高的控制精度。 ★该方法的缺点是： 晶体直接测量薄膜的质量而不是光学厚度，对于监控密度和折射率显著依赖于沉 积条件的薄膜材料，要得到良好的重复性比较困难。另外它也不同于光学极值法 和波长调制法，具有厚度自动补偿机理。 ★值得注意的是在实际使用中，针对薄膜密度与块材密度的不同或不知膜层的密度 ，对石英晶体膜厚测量仪的测量的膜厚要进行校正。校正的方法是先镀一层厚度 较厚的薄膜，通过一定的方法（测出该膜层的厚度，然后与晶体振荡器测量的值 进行比较修正。
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波长调制法
• 波长调制法比极值法的控制精度更高，它不是测量控制片的反射率（透射率）， 而是测量反射（透射）率对波长的导数。在极值点，反射率曲线的导数为零。这 样在控制四分之一波长或其整数倍厚度膜层的精确方法。 • 下图是波长调制法监控示意图。由光源发出白光，透过（当然也可以反射）控制 片而照射到单色仪的入射狭缝，从单色仪振动狭缝出射的单色光被光电倍增管接 收，然后经电路系统显示。振动狭缝的作用就相当于对从单色仪来的光进行对波 长的导数。
特点： 1、可预先输入储存多组镀膜参数，便于操作者读取应用 2、搭配感测头选择器使用，可同时监测4～8个感测点的镀膜速率及 膜厚 3、内设RS-232电脑接口，可与计算机通信工作 4、配备Bipolar高清晰度类比信号输出端子，可连接记录仪使用