• 交流电桥法 电感法
法
• 晶体振荡法—石英振频法
• 电子射线法
扫描电子显微镜 俄歇电子谱法
• 光电极值法
变厚极值法 变角极值法
变波长极值法—红外干涉法
• 干涉法
辨色法-比色法
斜阶条纹法 目视弯度法
弯度法
测微目镜法 光电狭缝法
摄影测量法
光
条纹对正法 等色级条纹法 钠光内标法
学
法
• 偏光法
偏光干涉法 偏光椭度法—椭偏仪
p波和s波振幅比
Rp （ （AApp） ）反 入
Rs （ （AAss） ）反 入
因为Rp和Rs一般为复式，所以写成
（Ap）反
Rp Rs
Rp eip Rs eis
（ （AAps） ）反 入
（As）入
定义：
tg
Ap As 反
Ap As 入
e i ( p )反 ( p )入 (s )反 (s )入
• 测量灵敏度高，可达10*10-9 g.cm-2.Hz-1.对应一般材料膜厚控制精度可 达10-2 nm量级。
• 石英晶振使用寿命
椭偏仪
椭圆偏振法：利用偏振光照射在各向 同性均质薄膜上（光学平面的基片上 的无吸收或有吸收的薄膜），在根据 测量其反射光的偏振状态来确定薄膜 厚度及各种光学参数。
这种方法已成功应用于测量介质膜、 金属膜、有机膜、和半导体膜的厚度、 折射率、消光系数和色散等
以无吸收薄膜为例，看看椭偏仪的测量膜厚的基本原理
基本原理
• 空气 n0 0
• 薄膜 n
• 基片 n’ '
• dp为膜厚
波长λ光入射（空气薄膜界面）——反射、折射——进入 薄膜的光多次反射、折射（薄膜空气、薄膜基片界面）— —总反射光由多光束光合成。
把光的电矢量和磁矢量分为平行于入射面的光波P分量，和垂直于入射面
• 设定n0、n’和入射角以及波长λ后，借助于 电子计算机编制各种（n、δ）或（n、dp） 和（ Ψ、∆ ）的关系表，或绘制关系曲线。
• 于是，只要通过薄膜样品的（ Ψ、∆ ）值的测量，即可查图、表或在 用插值法计算出相应的n、 δ或dp值。
如何测量（ Ψ、∆ ）
• 测量方法有两种：
消光型：主要操作步骤为寻求输出最 小光强位置；简单、精度高、慢
Rps exp i ps
rps 1
rps ' rps rps '
exp(2i) exp(2i)
p s ( p s )反 ( p s )入
Rp Rs
tg
ei
rps 1
rps' rps rps (n0 , n, n',0 , , d p )
椭圆偏振方程
为了便于测量和简化计算，在实验测量时常使入射的椭圆偏振光的主轴
成45°倾斜（从入射面算起）；使反射光成为直线偏振光，于是有：
Ap 1 As 入
和
( p s )反 0或
于是， tg Ap
As 反
Ap
tg-1 Ap
As 入
As 反
p s ( p s )反 ( p s )入
可见，
df 2t 2 dt
即：
df 2 f 2 dm
q S
负号表示晶体上沉积的薄膜厚度使质量增加，相应的晶体谐振频率下降
如果沉积在石英晶体上的薄膜厚度是均匀的，则薄膜的质量厚度dM应 满足：
dm S dM
代人式df 2 f 2 dm
q S
得：dM
q 2
df f2
晶振频率变化和薄膜厚度的关系
薄膜厚度的测量
什么是薄膜 膜厚测量方法的分类
机械法——台阶仪 电学法——晶振 光学法——椭偏仪
课堂小结
主讲人：黄俊华 导 师：宋群梁 教授
什么是薄膜
薄膜是不同于其他物态（固液气、等离子体）的一种新的凝聚态，物 质的第五态。薄膜就是薄层材料，分为气体薄膜，液体薄膜还有我们 今天要讲到的固体薄膜（薄膜单体和附着在某种基体上的另一种材料 的固体薄膜） 各种介质，半导体和金属薄膜，在半导体工业，光学工业，其他机械 工业以及很多科研项目中，日益广泛的被应用。
• （S,ST）组合距离为dT；（S,SM）组合距离为dM；（S,Sp）组合dp；通 常dT>=dM>=dP
• 下面，我们就重点来看看这三种测量仪器是如何实现膜厚测量的。
台阶仪
差动变压器式光洁度计的触针部分
台阶仪（金属触针、位移传感 器、放大器)、电脑
位移传感器：阻抗变化式，差动变压 式，压电放大式等
使用注意事项
石英晶体振荡片在使用时一般在其两个表面镀有金膜，作为引出电极， 并被装在一个称为探头装置中（如图）。使用该装置测量膜厚时，通常 要注意冷却（dfT=KT*fdT）和除噪音两个问题。
真空蒸发镀膜时 蒸发源辐射放热 蒸汽流在晶体上凝聚成膜时释放出热量
解决方法：探头通冷却水，冷却晶振片
溅射镀膜时 电噪声 带电粒子轰击等原因使温度上升
薄膜的“尺寸效应”的关系，薄膜厚度的不同，薄膜电阻率、霍尔系 数、光反射率等等性质都会有所不同。
因此，为了更好的研究物质结构及性能，这就希望对各种膜厚的测量 和控制提供更为灵敏和准确的手段。
膜厚测量方法分类
对于各种膜厚的测量，可采用各种 方式方法，按照测量手段分为如机 械的、电学的、光学的方法，其中 以光学方法应用最为普遍。
光度型：主要测定、分析输出光在各 个偏振方位上的强度变化。快、 自动化、弱光工作、精度低
经典消光型椭圆偏振仪原理：
偏光分光计各元件的偏振状态
波长为λ的自然光——准直——起偏镜（起偏器、1/4波片）成椭圆偏振 光——薄膜补偿，偏振状态发生变化——交替转变起偏器和检偏器，使 反射光称为线偏振——检偏器消光
（2）较厚薄膜，对于最大允许频移dfmax=0.5%*f，相对应的单位面积上 最大允许的能测质量变化值（dm/S）max随频率增加而反比减小，即基频 越高，相应的dm/S越小。（计算）
Conclusion：因为晶振片厚度，影响到晶片的基频、质量灵敏度、最大允许频 移等等参数。根据测量要求，我们需选择合适厚度的晶振片，以达到测量目的。
( p s )入 180 ( p s
)入
当( p s )反 0 当( p s )反
Ψ只与反射光的振幅比有关，可从检偏器方位角算出；
∆只与入射光的p波和s波的位相差有关。 只要找到这两个值，就可以换算出膜厚
补充说明，对于吸收薄膜， 因薄膜折射率为复数（n-ik），
未知数变成了三个（n、k、
台阶仪测量原理
• 形状薄膜测厚法
• 台阶法（触针法）：这是将表面光洁度测量移用与薄膜厚度测量的一 种方法。
• 测量具体过程：金刚石触针——表面上移动——触针跳跃运动——高 度的变化由位移传感器转变成电信号——直接进行读数或由记录仪画 出表面轮廓曲线。
• 膜厚测量时，需薄膜样品上薄膜的相邻部位完全无膜，形成台阶(两种 方法：遮盖、腐蚀)。当触针横扫过该台阶时，就能通过位移传感器显 示出这两部分之间的高度差，从而得到形状薄膜值dT。
石英上沉积一层薄膜，质量为dm，密度为ρ，只要薄膜足够薄，则膜本
身的弹性尚未起作用，其总体性质仍接近于石英晶体本身的弹性，如果S
为晶体上薄膜覆盖面积，则石英晶体厚度增加量dt
S ρq
t
dt dm / q S ρ
dt
S为晶体上薄膜覆盖的面积 ρq为石英密度
因厚度变化dt引起的频率变化df为
f 2t
石英晶振片的选择
• 单晶石英晶体是两端为椎体的六面柱体。定义石英晶体的质量灵敏度 Cf为相应于谐振基频改变1Hz时单位面积上的质量变化的绝对值，即
Cf
dm 1 S df
dM C f
回顾：
f 2t
df 2 f 2 dm
q S
df
代人式
df 2 f 2 dm
q S
dM
解决方法：（1）探头放在放电空间之外，并且对探头和引线做良好的
电屏蔽，以减小电噪声；（2）在探头前面设置永久磁铁，产生强磁场， 使带电粒子在到达晶体表面之前就偏转方向。
优缺点
• 测量电路简单，能在薄膜沉积过程中连续测量厚度和沉积速率；
• 还可以通过适当的反馈电路和沉积源的电源相连接，实现沉积速率的 自动控制和用电控挡板配合实现薄膜的终点控制；
dp），所以需要多次测量。
课堂小节
• 测量膜厚方法是很多的，测量精度、范围、方便性、经济性、优缺点 是各不相同的。
• 测量方法主要分机械法（如台阶仪）、电学法（如 石英晶振）、光学 法（如椭偏仪），可以用来测量形状膜厚、质量膜厚、物性膜厚。其 中，台阶仪和椭偏仪测量的都是已蒸镀好的薄膜厚度，而石英晶振测 量的是正在蒸镀的薄膜，进行的实时监测。
晶振
• 石英晶体振荡法（QCO法）
测量原理：基于石英晶体的振荡频率随其质量而变化的特性。石英晶体 具有压电效应，利用该特性可制成高Q值的电子振荡器。 其谐振频率f与晶体厚度t关系
f 2t
υ 是在厚度t方向上波长为λ 的弹性横波的传播速度，υ =√Gq/ρq. Gq为石英晶体的切变模量； ρq 为石英晶体的密度，约2.65 g/cm3
• 全息法
二次曝光法 实时法—基片波前存储法
• X光法
膜厚定义
ST SM
Sp
S
• 台阶仪、石英晶振、椭偏仪这三种测量方法测得的薄膜厚度，分别属 于形状膜厚dT，质量膜厚dM，物性膜厚dP（P211）。
• 基片表面为S，薄膜的不在基片那一侧表面的平均表面称为薄膜的形 状表面，ST；将基片上构成薄膜的全部原子重新排列，使其密度与块 状材料完全一样，而且均匀的分布在基片表面上，把此时得到的表面 称为薄膜的质量表面，SM ；在测量了薄膜的物理特性后，把具有同样 物理性质而且宽度与长度与薄膜是一样的块状材料的表面称为薄膜物 性表面，SP 。