CN1844842A - 柱形金属薄膜厚度测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量柱形金属薄膜厚度的测量仪。本发明振荡器接电压放大电路，电压放大电路接功率放大器，待测元件设置在功率放大器的输出端上，功率放大器输出至采样电阻，采样电阻接整流、放大器、减法器至控制电路，控制电路输出接振荡器、电压放大电路，待测元件在铁氧体圆柱金属薄膜外围固定有四块磁轭，与测试线圈形成磁回路。本发明解决了现有技术存在的电阻法精度低、石英晶体监控法引入电噪音、机械测量法易损伤薄膜等缺陷。本发明利用测量驱动脉冲电流来达到测量金属薄膜厚度的目的，其误差率小，精度高，仪器成本低、完全电子化，操作简单。

Description

柱形金属薄膜厚度测量仪

技术领域

本发明涉及一种测量仪器，特别涉及一种测量柱形金属薄膜厚度的测量仪。

背景技术

  薄膜的性能由薄膜的生长条件和真实厚度决定的，尤其厚度是薄膜的重要参数，其决定着薄膜的各种性质，即几乎所有的薄膜性质都与其厚度有关。因此，测量薄膜的厚度就显得尤为重要。

  在本发明之前，测量薄膜厚度的方法较多，有电学测量法、光学测量法和机械测量法等，其中常用的是电学测量法中的电阻法、电容法、电离计法和石英晶体法等。

电阻法是一种较为简单的电学测量方法。利用金属导电膜的阻值与薄膜厚度有关的原理，当绝缘的基片上尚未镀膜时，其阻值很大，开始镀上膜层时，其电阻值将随着膜层厚度的增大而减小。所以，只要在沉积过程中测量膜层的电阻值，并用以控制镀膜的生产工序就可以制备出所需的膜厚的薄膜。但是，该方法由于触点的变化，测量精度较差。

石英晶体监控法也是一种常用的方法，它是利用测量带有质量负载的石英晶体振荡片谐振频率的改变，来确定沉积薄膜厚度的方法。利用这种原理制成的石英晶体膜厚监控仪可用于高真空或超高真空的电阻或电子束蒸发镀膜设备上，监控金属薄膜、半导体薄膜或绝缘介质薄膜的厚度。但是，该方法的缺陷是在磁控溅射过程中，容易引入电噪音，从而使测量难以进行。

机械测量法是利用测量表面粗糙度的测量器来测量已制备的薄膜的方法。其中，触针法测量膜厚具有直观、精度高的优点。但是这种方法测量膜厚会产生划伤，而使薄膜破坏，因此，触针法只适用于类似二氧化硅坚硬薄膜的测量。

由于金属柱形薄膜的制备方法通常采用磁控溅射的方法，根据薄膜附着强度较高的性能要求，传统的膜厚测量方法不能满足这种薄膜的测量要求。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述缺陷，设计一种柱形金属薄膜厚度的测量仪。

本发明的技术方案是：

柱形金属薄膜厚度测量仪，其主要技术特征在于振荡器输出接电压放大电路，电压放大电路输出接功率放大器，待测元件设置在功率放大器的输出端上，功率放大器输出至采样电阻，采样电阻接整流、放大器、减法器至控制电路，控制电路输出接振荡器、电压放大电路。

进一步的技术方案是：

其技术特征在于待测元件由磁轭、测试线圈、待测薄膜构成，在铁氧体圆柱金属薄膜外围固定有四块磁轭，与测试线圈形成磁回路。

本发明的优点和效果是能够在柱形金属薄膜所采用的磁控溅射制备的方法中，利用测量驱动脉冲电流来达到测量金属薄膜厚度的目的，其误差率小，精度高，仪器成本低、完全电子化，操作简单。

本发明的其它优点将在下面继续描述。

附图说明

图1——本发明的方框原理示意图。

图2——本发明的具体电子线路图。

图3——不同材料金属薄膜的脉冲波形图。

a.4μm厚铜金属薄膜的脉冲波形图。

b.4μm厚钛金属薄膜的脉冲波形图。

图4——不同厚度铜金属薄膜的脉冲波形图。

a.无金属薄膜的脉冲波形图。

b.10μm厚金属铜薄膜的脉冲波形图。

c.2μm厚金属铜薄膜的脉冲波形图。

具体实施方式

如图1、图2所示，振荡器由压控振荡器、D触发器组成的T’触发器构成；功率放大器是差分功率放大器，其输出回路设置采样电阻、取样示波器；待测元件包括磁轭、测试线圈和待测薄膜，设置在差分功率放大器的输出端上：在铁氧体圆柱金属薄膜外围固定有四块磁轭，用来形成磁回路，当铁氧体圆棒被纵向磁化时，其磁力线在铁氧体棒和磁轭之间的缝隙里，通过控制驱动导线中的电流大小或脉宽，来实现待测薄膜的厚度测量。

其工作原理是：

压控振荡器(VCO)输出一个频率为50KHz的方波，然后经过由D触发器组成的T触发器输出两路相位相反的方波，经两路电压放大电路输送至差分功率放大器，差分功率放大器输出至采样电阻，采样电阻信号经整流、放大后送至减法器，到达控制电路，控制电路由振幅控制电路、频率控制电路构成，振幅控制电路分两路分别将信号送入两路电压放大电路；频率控制电路反馈至压控振荡器；取样示波器从采样电阻上提取测试信号。

T触发器输出两路相位相反的方波经过两路电压放大电路后，送到差分功率放大器，测试线圈内待测金属薄膜产生电磁感应现象，在采样电阻上采样到和薄膜厚度成正比的脉冲电压值，经过整流、放大后送到减法器，与基准电压相减，得到一个脉冲波形；然后送入振幅控制电路，分两路经过两路电压放大电路输出到差分功率放大器，控制波形的幅度，从而达到控制采样电阻输出电压的大小，该大小和薄膜的厚度成正比；同时经过频率控制电路后反馈到压控振荡器，其频率反比于电压值。金属薄膜厚度越厚，则采样电阻上获得的脉冲幅度越大、宽度越窄；金属薄膜厚度越薄，则采样电阻上获得的脉冲幅度越小、宽度越宽。

根据电磁感应原理，不同厚度的金属薄膜在感应线圈内产生不同大小的励磁电流，从而改变输入电流脉冲信号的幅度和频率(脉宽)，根据输出电流脉冲信号的幅度和频率(脉宽)的改变，测量柱形金属薄膜的生长厚度。

采用取样示波器测试采样电阻上的波形图，就是把一个连续的时间信号变换成离散的时间信号，它由取样脉冲序列控制，只有当脉冲到达时，取样门才能打开，让被取信号通过，否则，取样门关闭。因此，连续被测信号通过取样门电路后，就变成离散的取样信号，若取样脉冲宽度很窄，则取样脉冲在取样时间内不变化，每次所取的离散信号幅度就等于该次取样瞬间的瞬时值，从而保证了取样后信号幅度不变。本发明采用SQ12A型取样示波器，它能将高频的、快速的重复信号转化为低频的、慢速的脉冲信号，然后用类似通用示波器中的方法，把取样变换后的信号显示在荧光屏上，便于分析和测量。用于显示不同膜厚对应的微波电流幅值信号和对应的脉宽波形，根据其显示值读出金属薄膜的厚度。

本发明中，差分放大器中三极管型号为MI11016，减法器采用的放大器型号是LM118，采样电阻选用0.1Ω。

下面是对相同厚度、不同材料的金属薄膜进行测试分析：

如图3的(a)、(b)所示，经过对相同材料、不同厚度的金属Cu薄膜进行的测量，波形显示为图3所示。图3(a)、(b)中，(a)是4μm厚的金属Cu薄膜，(b)是4μm厚的金属Ti薄膜。

下面是对不同厚度、相同材料的金属薄膜进行的测试分析：

如图4的(a)、(b)、(c)所示，经过对相同材料，不同厚度的金属Cu薄膜进行了测量，波形显示为图4所示。图4(a)，无金属化膜的样品，因为没有金属薄膜，即没有短匝阻尼线圈，所以脉冲波形中无阻尼电流，驱动脉冲电流幅度很小，脉宽较宽。尖峰是因为样品磁化到接近饱和状态时，导磁率急剧下降至1左右，驱动线圈电感急剧减小而造成电感电流增大引起的。图4(b)和(c)中表示相同薄膜材料、不同厚度的脉冲波形，10μm厚度产生的阻尼电流小，幅度大，宽度窄；2μm的厚度产生的阻尼电流大，幅度小，宽度宽。对3μm厚的金属Cu薄膜进行了测试分析，其结果如表所示，薄膜的均匀度误差都控制在5％以内。

                              3μm厚的柱形金属Cu薄膜测试数据

脉宽(μs)	19	19.5	19.3	19.7	19.8	20.4	20.6	20.8	21
										幅度(V)	0.063	0.062	0.062	0.062	0.061	0.058	0.059	0.057	0.057
脉宽误差率	5％	2.5％	2％	1.5％	1％	2％	3％	5％	5％
										幅度误差率	5％	3.3％	3％	3.3％	1.6％	3.3％	3.3％	5％	5％

本发明的保护范围并不仅仅局限于上述具体实施方式的描述。

Claims (9)

1.柱形金属薄膜厚度测量仪，其特征在于振荡器输出接电压放大电路，电压放大电路输出接功率放大器，待测元件设置在功率放大器的输出端上，功率放大器输出至采样电阻，采样电阻接整流、放大器、减法器至控制电路，控制电路输出接振荡器、电压放大电路。

2.根据权利要求1所述的柱形金属膜薄膜厚度测量仪，其特征在于振荡器由压控振荡器、T‘触发器组成，其中压控振荡器输出接T‘触发器，T‘触发器输出接放大电路。

3.根据权利要求2所述的柱形金属膜薄膜厚度测量仪，其特征在T‘触发器形成相位相反的两路，输送至两路放大电路。

4.根据权利要求1或2所述的柱形金属膜薄膜厚度测量仪，其特征在于控制电路由振幅控制电路、频率控制电路构成，振幅控制电路输出两路至两路电压放大电路，频率控制电路接压控振荡器。

5.根据权利要求1所述的柱形金属薄膜厚度测量仪，其特征在于待测元件由磁轭、测试线圈、待测薄膜构成，在铁氧体圆柱金属薄膜外围固定有四块磁轭，与测试线圈形成磁回路。

6.根据权利要求2所述的柱形金属薄膜厚度测量仪，其特征在于振荡器中的T‘触发器由D触发器构成。

7.根据权利要求1所述的柱形金属薄膜厚度测量仪，其特征在于采样电阻在功率放大器输出回路上。

8.根据权利要求1或7所述的柱形金属薄膜厚度测量仪，其特征在于采样电阻接取样示波器。

9.根据权利要求1所述的柱形金属薄膜厚度测量仪，其特征在于功率放大器是差公功率放大器。