观而的取 晶振片知识 积而愿 晶振片知识 、什么是晶振片? 薄薄圆圆的晶振片,来源于多面体石英棒,先被切成闪闪发光的六面体棒,再经过反复 的切割和研磨,石英棒最终被做成一堆薄薄的(厚023mm,直径13.98mm)圆片,每个圆片 经切边,抛光和清洗,最后镀上金属电极(正面全镀,背面镀上钥匙孔形),经过检测,包装 就可以出厂使用。 晶振片包装盒 008010G10 OINFICON 008009G10 6 MHZ 1晶振片 LeeN COaTLD CaMEraL Inficon晶振片及包装盒 然而,这样的小薄片是如何工作的?科学家最早发现一些晶体材料,如石英,经挤压就 象电池可产生电流(俗称压电性),相反,如果一个电池接到压电晶体上,晶体就会压缩或伸 展,如果将电流连续不断的快速开关,晶体就会振动。 在1950年,德囯科学家 GEORGE SAUERBREY研究发现,如果在晶体的表面上镀一层 薄膜,则晶体的振动就会减弱,而且还发现这种振动或频率的减少,是由薄膜的厚度和密度 决定的,利用非常精密的电子设备,每秒钟可能多次测试振动,从而实现对晶体镀膜厚度和 邻近基体薄膜厚度的实时监控。从此,膜厚控制仪就诞生了。 Inficon膜厚控制仪( (thin film deposition controller 第1页,共10页
第 1 页，共 10 页 博观而约取 晶振片知识 广积而厚发 晶振片知识 一﹑什么是晶振片？ 薄薄圆圆的晶振片，来源于多面体石英棒，先被切成闪闪发光的六面体棒，再经过反复 的切割和研磨，石英棒最终被做成一堆薄薄的（厚 0.23mm，直径 13.98mm）圆片，每个圆片 经切边，抛光和清洗，最后镀上金属电极（正面全镀，背面镀上钥匙孔形），经过检测，包装 就可以出厂使用。 晶振片 晶振片包装盒 Inficon 晶振片及包装盒 然而，这样的小薄片是如何工作的？科学家最早发现一些晶体材料，如石英，经挤压就 象电池可产生电流（俗称压电性），相反，如果一个电池接到压电晶体上，晶体就会压缩或伸 展，如果将电流连续不断的快速开关，晶体就会振动。 在 1950 年，德国科学家 GEORGE SAUERBREY 研究发现，如果在晶体的表面上镀一层 薄膜，则晶体的振动就会减弱，而且还发现这种振动或频率的减少，是由薄膜的厚度和密度 决定的，利用非常精密的电子设备，每秒钟可能多次测试振动，从而实现对晶体镀膜厚度和 邻近基体薄膜厚度的实时监控。从此，膜厚控制仪就诞生了。 Inficon 膜厚控制仪(thin film deposition controller)
观而的取 晶振片知识 积而愿 膜厚控制仪是如何测试厚度的? 台镀膜设备往往同时配有石英晶体振荡监控法和光学膜厚监控法两套监控系统,两者 相互补充以实现薄膜生产过程中工芑参数的准确性和重复性,提高产品的合格率。 原理和精度 石英晶体法监控膜厚,主要是利用了石英晶体的两个效应,即压电效应和质量负荷效应。 石英晶体是离子型的晶体,由于结晶点阵的有规则分布,当发生机械变形时,例如拉伸 或压缩时能产生电极化现象,称为压电现象。石英晶体在9.8×10+Pa的压强下,承受压力的两 个表面上出现正负电荷,产生约0.5V的电位差。压电现象有逆现象,即石英晶体在电场中晶 体的大小会发生变化,伸长或缩短,这种现象称为电致伸缩 石英晶体压电效应的固有频率不仅取决于其几何尺寸,切割类型,而且还取决于芯片的 厚度。当芯片上镀了某种膜层,使芯片的厚度增大,则芯片的固有频率会相应的衰减。石英 晶体的这个效应是质量负荷效应。石英晶体膜厚监控仪就是通过测量频率或与频率有关的参 量的变化而监控淀积薄膜的厚度。 用于石英膜厚监控用的石英芯片采用AT切割,对于旋光率为右旋晶体,所谓AT切割即为 切割面通过或平行于电轴且与光轴成顺时针的特定夹角。AT切割的晶体片其振动频率对质量 的变化极其灵敏,但却不敏感于温度的变化,在-40~90℃的整个温度范围内,温度系数大约是 ±10/℃数量级。这些特性使AT切割的石英晶体片更适合于薄膜淀积中的膜厚监控。 AT切割的石英芯片压电效应的固有谐振频率f为 其中,n谐波数n=1,3,5, dq石英晶体的厚度: c切变弹性系数 p石英晶体的密度(265×103kg/m3) 显然谐振频率f与d、c、ρ等量有直接关系。由于很多的外界影响,比如晶体温度、温度梯 度、激发电场等都会影响到谐振频率,这是因为上述的因素会影响到dα、c、ρ等参量值。 对于我们常用的基波(n=1)来说(1)式可以化为 其中,N=0.5(c/p)2=1670Hz.mm(AT切割),称为晶体的频率常数,d为晶体的厚度 对(2)式微分得 第2页,共10页
第 2 页，共 10 页 博观而约取 晶振片知识 广积而厚发 二﹑膜厚控制仪是如何测试厚度的？ 一台镀膜设备往往同时配有石英晶体振荡监控法和光学膜厚监控法两套监控系统，两者 相互补充以实现薄膜生产过程中工艺参数的准确性和重复性，提高产品的合格率。 原理和精度﹕ 石英晶体法监控膜厚，主要是利用了石英晶体的两个效应，即压电效应和质量负荷效应。 石英晶体是离子型的晶体，由于结晶点阵的有规则分布，当发生机械变形时，例如拉伸 或压缩时能产生电极化现象，称为压电现象。石英晶体在 9.8×104 Pa的压强下，承受压力的两 个表面上出现正负电荷，产生约 0.5V的电位差。压电现象有逆现象，即石英晶体在电场中晶 体的大小会发生变化，伸长或缩短，这种现象称为电致伸缩。 石英晶体压电效应的固有频率不仅取决于其几何尺寸，切割类型，而且还取决于芯片的 厚度。当芯片上镀了某种膜层，使芯片的厚度增大，则芯片的固有频率会相应的衰减。石英 晶体的这个效应是质量负荷效应。石英晶体膜厚监控仪就是通过测量频率或与频率有关的参 量的变化而监控淀积薄膜的厚度。 用于石英膜厚监控用的石英芯片采用AT切割，对于旋光率为右旋晶体，所谓AT切割即为 切割面通过或平行于电轴且与光轴成顺时针的特定夹角。AT切割的晶体片其振动频率对质量 的变化极其灵敏，但却不敏感于温度的变化，在-40~90℃的整个温度范围内，温度系数大约是 ±10-6/℃数量级。这些特性使AT切割的石英晶体片更适合于薄膜淀积中的膜厚监控。 AT 切割的石英芯片压电效应的固有谐振频率 f 为﹕ 1/2 2 Q n c f d ρ ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (1) 其中，n﹕谐波数﹐n=1，3，5，… …﹔ dQ﹕石英晶体的厚度﹔ c﹕切变弹性系数﹔ ρ﹕石英晶体的密度(2.65×103 kg/m3 ) 显然谐振频率f 与dQ、c、ρ等量有直接关系。由于很多的外界影响，比如晶体温度、温度梯 度、激发电场等都会影响到谐振频率，这是因为上述的因素会影响到dQ、c、ρ等参量值。 对于我们常用的基波(n=1)来说(1)式可以化为﹕ f=N/dQ (2) 其中，N=0.5(c/ρ) 1/2=1670Hz．mm(AT切割) ，称为晶体的频率常数，dQ为晶体的厚度。 对(2)式微分得﹕
观而的取 晶振片知识 积而愿 上式的物理意义是,若厚度为d的石英晶体增加厚度厶do,则晶体的振动频率变化了凵f,式 中的负号表示晶体的频率随着膜厚的増加而降低。然而在实际镀膜时,淀积的是各种膜料, 而不都是石英晶体材料。所以我们需要把石英晶体厚度增量厶d通过质量变换表示成为膜层 厚度增量厶dm。即 其中pm为膜层的密度 po石英晶体的密度(265×103kg/m3) 把(4)式代入(3)式中,有 △f P N p po do Pg 人 N 4=sMn或Mdn=(1/s)4 式中s称为变换灵敏度 对于某一种确定的镀膜材料,φ为常欻,在膜层不很厚,即淀积的膜层质量远小于石英 芯片质量时,固有频率变化不会很大。这样我们可以近似地把s看成为常数,于是由(6)式表达 的石英晶体频率的变化Δf与淀积薄膜厚度厶dm就有了一个线性关系。因此我们可以借助检测 石英晶体固有频率的变化,实现对膜厚的监控。显然这里有一个眀显的妤处,随着镀膜时膜 层厚度的増加,频率单调地线性下降,不会出现光学监控系统中控制信号的起伏,并且很容 易进行微分得到淀积速率的信号。因此,在光学监控膜厚时,还得用石英晶体法来监控淀积 速率,我们知道淀积速率稳定对膜材折射率的稳定性、产品的均匀性重复性等是很有好处和 有力的保证 最早的石英晶体膜厚监控仪就是直接用频率来读数,用频差对应厚度的。后来在数字电 路发展的基础上,人们采用了所谓周期法测厚原理。公式(5)中的f,严格一点应该表示为 f=f0.fm,这样(6)经过简单变換可以写为: △T= (7) P 其中,T有载石英晶体振荡周期 第3页,共10页
第 3 页，共 10 页 博观而约取 晶振片知识 广积而厚发 2 Q Q N f d d Δ =− Δ (3) 上式的物理意义是，若厚度为dQ的石英晶体增加厚度⊿dQ，则晶体的振动频率变化了⊿f，式 中的负号表示晶体的频率随着膜厚的增加而降低。然而在实际镀膜时，淀积的是各种膜料， 而不都是石英晶体材料。所以我们需要把石英晶体厚度增量⊿dQ通过质量变换表示成为膜层 厚度增量⊿dm。即﹕ ⊿dQ=(ρm/ρQ) ．⊿dm (4) 其中﹕ρm为膜层的密度﹔ ρQ﹕石英晶体的密度(2.65×103 kg/m3 ) 把(4)式代入(3)式中，有﹕ 2 2 m m m Q Q Q N f m f d d N ρ ρ ρ ρ Δ =− Δ =− Δ ii i d (5) 令 2 m Q f s N ρ ρ − = i ﹐则 m Δ= Δ f s d i 或 Δd s m = (1/ )Δf (6) 式中 s 称为变换灵敏度。 对于某一种确定的镀膜材料，ρm为常数，在膜层不很厚，即淀积的膜层质量远小于石英 芯片质量时，固有频率变化不会很大。这样我们可以近似地把s看成为常数，于是由(6)式表达 的石英晶体频率的变化⊿f与淀积薄膜厚度⊿dm就有了一个线性关系。因此我们可以借助检测 石英晶体固有频率的变化，实现对膜厚的监控。显然这里有一个明显的好处，随着镀膜时膜 层厚度的增加，频率单调地线性下降，不会出现光学监控系统中控制信号的起伏，并且很容 易进行微分得到淀积速率的信号。因此，在光学监控膜厚时，还得用石英晶体法来监控淀积 速率，我们知道淀积速率稳定对膜材折射率的稳定性、产品的均匀性重复性等是很有好处和 有力的保证。 最早的石英晶体膜厚监控仪就是直接用频率来读数，用频差对应厚度的。后来在数字电 路发展的基础上，人们采用了所谓周期法测厚原理。公式(5)中的f 2 ，严格一点应该表示为 f 2 =fQ．fm，这样(6)经过简单变换可以写为﹕ ( ) m 1 Q Q Q T TT d N m ρ ρ Δ = − =− Δ i (7) 其中，T﹕有载石英晶体振荡周期﹔
观而的取 晶振片知识 积而愿 TQ空载石英晶体振荡周期 如果仪器可以精确地测量石英晶体振荡周期的变化,那幺便能准确地得到膜厚。 无论是频率法恻厚,还是周期法测厚,遵循的公式都是在假定淀积的膜层没有改变石英 晶体振荡模式条件下推导岀来的,而实际上膜层的淀积已经改变了石英本身的振动模式,由 单一材料的振动模式,变为两种材料的混合振动模式。考虑到石英晶体被膜层淀积后变成混 合振动模式,推导了如下计算膜厚的公式 △dn=(/pn)(NoT.zn/rz0)g(zo/zn)gz(1-o/T) 其中,Zm淀积膜层的声阻抗(单位gcm3.S) Zq石英晶体的声阻抗(单位g/cm3.S)。 这个公式比较完整和比较精确地体现了膜层厚度与石英晶体振荡周期变化之间的关系。根据 这个公式设计的石英晶体膜厚控制仪常称为声阻抗法测厚仪 石英晶体膜厚控制仪有非常高的灵敏度,可以做到埃(A)数量级,显然晶体的基频越高, 控制的灵敏度也越高,但基频过高时,晶体片会做得太薄,太薄的芯片易碎。所以一般选用 的晶体片的频率范围为5~10MHz。在淀积过程中,基频最大下降允许2~3%,大约几百千赫。 基频下降太多,振荡器不能稳定工作产生跳频现象。如果此时继续淀积膜层,就会岀现停振 为了保诬振荡稳定和有高的灵敏度,晶体上膜层镀到一定厚度以后,就应该更换新的晶振片。 旧的晶振片在清洗后复新可以再用。另外由(6)式可知,频率和膜厚之间的变换灵敏度取决于 ￠,但是f在膜层淀积过程中是随膜厚的增加而降低的,所以在镀膜的过程中s不是一个严格的 常数,厶巧与厶dm在理论上也不是一个严格的线性关系,随着膜层累积频率变化的增加,啁f 与厶dm的线性也在变坏,这就需要我们应用石英晶体膜厚控制仪时要考虑修正。预先计算好 修正值再镀制。如果膜层比较厚,可以分几次做,或预先计算修正值,这种情况一般只有在 红外光谱区才会遇到。 石英晶体监控膜厚的检测误差由绝对误差和相对误差相加而成。绝对误差决定于监控仪 的频率稳定度和检测精度,而相对误差决定于监控仪灵敏度和准确性。一台石英晶体膜厚控 制仪在使用中真正获得的监控精度还和使用的条件有密切联系。蒸发的薄膜的密度与固体材 料的密度是不同的,薄膜的密度又与蒸发条件有关,实际膜层的密度可以用填充密度修正。同 时淀积在芯片上膜层的密度、膜层的折射率与镀件上膜层的密度和折射率是不同的这些数据 都需要通过实验进行修正,而修正后的数据只有在相同的淀积条件下应用才是有确实依据的 这就是如果只采用石英晶体法监控膜厚进行镀膜时要在 Tooling系数修正上花费较多时间与 精力,并且不同产品的 Tooling系数亦不相同 第4页,共10页
第 4 页，共 10 页 博观而约取 晶振片知识 广积而厚发 TQ﹕空载石英晶体振荡周期。 如果仪器可以精确地测量石英晶体振荡周期的变化，那幺便能准确地得到膜厚。 无论是频率法恻厚，还是周期法测厚，遵循的公式都是在假定淀积的膜层没有改变石英 晶体振荡模式条件下推导出来的，而实际上膜层的淀积已经改变了石英本身的振动模式，由 单一材料的振动模式，变为两种材料的混合振动模式。考虑到石英晶体被膜层淀积后变成混 合振动模式，推导了如下计算膜厚的公式﹕ ( )( ) ( ) ( ) 1 / / /1 m Qm Q m Q Qm Q d NT ρρ π Z ZtgZZ tgπ − Δ = ⋅⋅ ⋅ ⋅ ⋅ −T T/ (8) 其中，Zm﹕淀积膜层的声阻抗(单位 g/cm3 ．S)﹔ ZQ﹕石英晶体的声阻抗(单位 g/cm3 ．S)。 这个公式比较完整和比较精确地体现了膜层厚度与石英晶体振荡周期变化之间的关系。根据 这个公式设计的石英晶体膜厚控制仪常称为声阻抗法测厚仪。 石英晶体膜厚控制仪有非常高的灵敏度，可以做到埃( )数量级，显然晶体的基频越高， 控制的灵敏度也越高，但基频过高时，晶体片会做得太薄，太薄的芯片易碎。所以一般选用 的晶体片的频率范围为 5~10MHz。在淀积过程中，基频最大下降允许 2~3%，大约几百千赫。 基频下降太多，振荡器不能稳定工作﹐产生跳频现象。如果此时继续淀积膜层，就会出现停振。 为了保证振荡稳定和有高的灵敏度，晶体上膜层镀到一定厚度以后，就应该更换新的晶振片。 旧的晶振片在清洗后复新可以再用。另外由(6)式可知，频率和膜厚之间的变换灵敏度取决于 f A o 2 ，但是f在膜层淀积过程中是随膜厚的增加而降低的，所以在镀膜的过程中s不是一个严格的 常数，⊿f与⊿dm在理论上也不是一个严格的线性关系，随着膜层累积频率变化的增加，⊿f 与⊿dm的线性也在变坏，这就需要我们应用石英晶体膜厚控制仪时要考虑修正。预先计算好 修正值再镀制。如果膜层比较厚，可以分几次做，或预先计算修正值，这种情况一般只有在 红外光谱区才会遇到。 石英晶体监控膜厚的检测误差由绝对误差和相对误差相加而成。绝对误差决定于监控仪 的频率稳定度和检测精度，而相对误差决定于监控仪灵敏度和准确性。一台石英晶体膜厚控 制仪在使用中真正获得的监控精度还和使用的条件有密切联系。蒸发的薄膜的密度与固体材 料的密度是不同的，薄膜的密度又与蒸发条件有关﹐实际膜层的密度可以用填充密度修正。同 时淀积在芯片上膜层的密度、膜层的折射率与镀件上膜层的密度和折射率是不同的﹐这些数据 都需要通过实验进行修正，而修正后的数据只有在相同的淀积条件下应用才是有确实依据的。 这就是如果只采用石英晶体法监控膜厚进行镀膜时要在 Tooling 系数修正上花费较多时间与 精力，并且不同产品的 Tooling 系数亦不相同
观而的取 晶振片知识 广积而尾 关于采用石英晶体法监控膜厚进行镀膜本人总结出以下三个步骤供参考: a理论膜系设计满足Spec要求,同时设计要有足够之余量及合理性以达到可行性: b.波长定位准确,并初具曲线形状; c. Matching镀制曲线和设计曲线,修改 Tooling系数达到Spec.要求 膜厚控制仪原理 把晶振片放入真空室内的探头中,唯一显示晶振片正在工作的是膜厚控制仪。膜厚控制 仪是如何工作的呢? 膜厚控制仪用电子组件引起晶振片的高速振动,约毎秒6百万次(6MHz),镀膜时,测 试毎秒钟振动次数的改变,从所接受的数据中计算膜层的厚度。绝大数晶振片一秒钟可以完 成多次这样的计算,实时告知操作人员晶振片上和真空室内基体膜层沉积速度 为了确保晶振片以6M的速度振动,在真空室外装有“振荡器”,与晶控仪和探头接口 连接,振荡器通过迅速改变给晶振片的电流使晶振片高速振动。一个电子信号被送回晶控仪 晶控仪中的电路收到电子信号后,计算晶振片的毎秒振速。这个信息接着传送到一个微 处理器,计算信息并将结果显示在晶控仪上 1)沉积速率(Rate)(埃/秒) 2)已沉积的膜厚( Thickness)(埃 3)晶振片的寿命(Lie)(% 4)总的镀膜时间(Time)(秒 更加精密的设备可能显示沉积速率与时间的曲线和薄膜的类型。我们可以将许多参数输 入晶振仪以保证测量和镀膜过程的精确控制 1)薄膜序号,用于输入膜层或定义材料参数 2)目标膜厚或最大沉积速率 3)镀膜时间 4)薄膜密度(DENS) 5)校正系数( ooling),用于校正晶振片或基片位置产生的误差 6)Z- Factor值(只有当膜厚>10000A时才需要Z值,以校正膜层太厚对晶振片振动的影 响,在绝大多数光学镀膜中,“Z”值输入值为1)。 频率变化与质量增加薄膜厚度关系式: A (aD,zFc)/z Tan T-(Fq-Fc) (Nq·Dq) A--薄膜厚度,单位埃(A) N矿-A切割晶体频率常数,1668×1013赫兹.埃(Hz.A) 第5页,共10页
第 5 页，共 10 页 博观而约取 晶振片知识 广积而厚发 关于采用石英晶体法监控膜厚进行镀膜﹐本人总结出以下三个步骤﹐供参考﹕ a.理论膜系设计满足 Spec.要求，同时设计要有足够之余量及合理性以达到可行性﹔ b.波长定位准确，并初具曲线形状﹔ c. Matching 镀制曲线和设计曲线，修改 Tooling 系数达到 Spec.要求。 膜厚控制仪原理﹕ 把晶振片放入真空室内的探头中，唯一显示晶振片正在工作的是膜厚控制仪。膜厚控制 仪是如何工作的呢？ 膜厚控制仪用电子组件引起晶振片的高速振动，约每秒 6 百万次（6MHz），镀膜时，测 试每秒钟振动次数的改变，从所接受的数据中计算膜层的厚度。绝大数晶振片一秒钟可以完 成多次这样的计算，实时告知操作人员晶振片上和真空室内基体膜层沉积速度。 为了确保晶振片以 6MHz 的速度振动，在真空室外装有“振荡器”，与晶控仪和探头接口 连接，振荡器通过迅速改变给晶振片的电流使晶振片高速振动。一个电子信号被送回晶控仪。 晶控仪中的电路收到电子信号后，计算晶振片的每秒振速。这个信息接着传送到一个微 处理器，计算信息并将结果显示在晶控仪上： 1）沉积速率(Rate)（埃/秒） 2）已沉积的膜厚 (Thickness) （埃） 3）晶振片的寿命 (Life) (%) 4）总的镀膜时间(Time) （秒） 更加精密的设备可能显示沉积速率与时间的曲线和薄膜的类型。我们可以将许多参数输 入晶振仪以保证测量和镀膜过程的精确控制： 1）薄膜序号，用于输入膜层或定义材料参数 2）目标膜厚或最大沉积速率 3）镀膜时间 4）薄膜密度(DENS) 5）校正系数(Tooling)，用于校正晶振片或基片位置产生的误差 6）Z-Factor 值（只有当膜厚>10000A 时才需要 Z 值，以校正膜层太厚对晶振片振动的影 响，在绝大多数光学镀膜中，“Z”值输入值为 1）。 频率变化与质量增加薄膜厚度关系式﹕ ( ) ( ) ( ) f f Nq Dq Fq Fc A arcTan Z Tan D Z Fc Fq π π ⎡ ⎤ ⎡ ⎡ − ⎤ = ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎢ ⎥⎥ ⎣ ⎣ ⎦⎦ ⎣ ⎦ i i i i i ii Af---薄膜厚度，单位埃( ) o A Nq---At切割晶体频率常数，1.668×1013赫兹．埃(Hz． ) o A