2. Контроль параметров пленок и технологических режимов их нанесения

2.1. Измерение толщины пленок

Метод микровзвешивания состоит в определении приращения массы m подложки после нанесения на нее пленки. В предположении, что вещество пленки равномерно распределено по поверхности с плотностью, равной плотности массивного вещества, среднюю толщину пленки определяют по формуле

,

где – площадь пленки на подложке;– удельная масса нанесенного вещества, которая может изменяться в зависимости от условий проведения технологического процесса (остаточного давления, загрязнений молекулами газа и др.). Чувствительность метода взвешивания составляет 1...10 мкм/ми зависит от чувствительности весов и площади пленки на подложке.

Метод многолучевой интерфермометрии, применяемый для измерения толщины непрозрачных пленок, основан на наблюдении в микроскоп интерференционных полос, возникающих при рассмотрении в монохроматическом свете двух поверхностей, расположенных под углом друг к другу. Перед измерением на образце получают ступеньку. Для этого маскируют часть подложки при осаждении пленки или химически удаляют часть осажденной пленки. В микроскоп наблюдают сдвиг интерференционных полос. Чередующиеся с шагом светлые и темные интерференционные полосы на границе поверхностей пленки и подложки смещаются друг относительно друга на значение. Толщину пленки рассчитывают по формуле

где – длина волны света, равная 0,54 мкм для микроскопа МИИ-4;– шаг между соседними интерференционными полосами;– смещение интерференционной полосы. Точность этого метода измерения толщины пленки составляет 15...30 нм. Если пленка прозрачная, в месте ступеньки на нее и подложку осаждают дополнительно непрозрачную, хорошо отражающую свет пленку (например, из алюминия), толщина которой, чтобы уменьшить вносимую погрешность, должна быть много меньше толщины измеряемой пленки.

2.2. Измерение адгезии пленок

Сцепление (прилипание) поверхностей разнородных тел называют адгезией. Адгезия пленки к подложке зависит от материала пленки и скорости ее осаждения, а также от чистоты поверхности и температуры подложки. Качество сцепления обычно определяют путем сравни-тельного контроля, при котором измеряют усилие отрыва пленки от под-ложки напаянным на ее поверхность металлическим цилиндром, связанным с чашкой весов. Рассчитывают адгезию по формулегде– усилие отрыва, а– площадь контакта. Важно исключить перекос цилиндра. Обычно площадь торца цилиндра около 1 мм². Для получения надежных данных следует измерить адгезию несколько раз, контролируя, не произошел ли отрыв по месту спая и не растворилась ли пленка в припое. Разновидность этого метода – контроль адгезии металлических пленок с помощью тонкой золотой или алюминиевой проволоки, присоединяемой к пленке термокомпрессией. При этом площадь контакта составляет 50...200 мкм², что позволяет более точно определять адгезию локальных участков пленки.

2.3. Измерение скорости нанесения пленок

Наиболее распространен контроль скорости нанесения пленок резонансно-частотным методом. При этом в качестве датчика используется включенный в контур генератора частоты кварцевый элемент. Принцип действия основан на зависимости частоты колебаний от изменения массы кварцевого элемента при нанесении на его поверхность пленки. С увеличением массы кварцевого элемента его резонансная частота падает. Для линейного участка зависимости частоты от массы нанесенной пленки справедливо следующее соотношение:

где и– масса и резонансная частота кварцевого элемента до нанесения пленки;иизменение массы и резонансной частоты после нанесения пленки. Таким образом, скорость роста пленки определяют по изменению скорости сдвига резонансной частоты.

Основной частью кварцевого датчика является кварцевый кристалл в виде пластины, на обе поверхности которой наносят контактные слои золота или серебра. Кристаллы кварца очень чувствительны к изменениям температуры, поэтому кварцевый элемент вставляется в массивный медный держатель, охлаждаемый проточной водой. Это исключает повышение температуры кварцевого элемента, вызванное потоками тепла от испарителя и нагревателя подложки. В кожухе имеется сквозное отверстие для пропускания потока частиц наносимого материала к кварцевому элементу.

Этим методом можно также измерить толщину нанесенной пленки, используя следующую формулу:

где – площадь кварцевого кристалла, покрытая пленкой наносимого вещества;– плотность наносимой пленки. Точность измерения толщины тонких металлических и диэлектрических пленок в интервале от 10 нм до 5 мкм составляет%. Для выполнения точных измерений приборы градуируют отдельно для каждого материала. Максимально допустимая суммарная толщина пленки, наносимой на кварцевый датчик, определяется максимальным сдвигом частоты и примерно составляет 20 мкм алюминия. Существенным недостатком метода является то, что помимо градуировки по осаждаемому материалу необходима также периодическая чистка кварцевых элементов от осажденной пленки.