多层膜结构SAW器件的各层薄膜厚度无损测量方法

摘要

本发明公开了一种多层膜结构SAW器件的各层薄膜厚度无损测量方法，该方法首先确定被测膜样片的测量系数k，再测定该被测膜样片的总厚度h，然后计算被测薄膜层的厚度h

说明书

【技术领域】

本发明涉及薄膜结构的电子器件领域，特别是一种多层膜结构SAW器件的各层薄膜厚度无损测量方法。

【技术背景】

近年来，多层膜结构电子器件已成为微电子学、光电子学、磁电子学、传感器等新兴交叉学科和新兴行业的重要组成部分。随着电子薄膜科学与技术的发展，各种薄膜材料，特别是多层膜结构材料不断涌现，对薄膜材料厚度、形貌及结构的表征，已成为薄膜制备及应用中普遍关心的问题。尤其是多层膜结构SAW器件的薄膜厚度是非常重要的参数，无损、精确测量其各层膜厚度，对提高金刚石多层膜结构SAW器件性能具有重要意义。在现有技术中，测量薄膜厚度的主要方法有：扫描电镜(SEM)、台阶仪、光学法测量法和常规电容测厚法。

其中，

SEM方法薄膜样本需要切出断面并抛光，由于膜沉积中应力的存在，切割样件或抛光断面时，极易引起样件破碎或膜脱落；

台阶仪和光学测量均需要制备有台阶的薄膜，由于薄膜制备工艺形成的台阶不十分清晰，测量相对误差较大。因此上述方法不适于薄膜、特别是多层膜结构制备和应用中的膜厚检测。此外，光学法测量法还需要薄膜对测量时所用光源透明，而多层膜结构SAW器件的各层薄膜大多不透明。

常规的平行板电容测厚法，需要预先标定薄膜材料精确的相对介电常数ε数值，才能对薄膜进行测量和计算。而由各种人工生长方法制备的薄膜(由于方法和工艺不同)的ε差异很大，很难确定精确的相对介电常数ε数值。某一次工艺制备的薄膜材料的ε值并不能作为该类薄膜材料的相对介电常数，否则会由于薄膜制备的特殊性而造成很大的偏差，因此也无法应用于多层膜结构SAW器件的各层薄膜厚度进行无损、精确测量。

【发明内容】

本发明的目的就是为了解决现有技术中的问题，而提出一种多层膜结构SAW器件的各层薄膜厚度无损测量方法，该方法基于平行板电容测微原理进行多层膜材料的测厚，可无损、精确测量多层膜结构SAW器件的薄膜各层膜厚度，从而提高金刚石多层膜结构SAW器件的性能。

本发明所采用的技术方案是一种：多层膜结构SAW器件的各层薄膜厚度无损测量方法，其特征在于按以下步骤操作：

1)至少在被测薄膜层沉膜后测定样片的总厚度h_样片：

第一步，确定该被测膜样片的测量系数k：

(1)将待测膜样片放置于平行板电容测微仪的工作台上，上、下移动上极板到仪器的量程范围的位置，然后记录初始位置电压表显示值和工作台位置初值；

(2)至少10次调节楔型升降工作台旋钮，使下极板的纵向升或降Δh距离，并记录各次电压表显示值和工作台位置值；

(3)对记录下的一组数值进行最小二乘线性拟合；

(4)依据空气间隙h和输出电压V之间的线性关系，确定被测膜样片的测量系数k

            ΔV＝kΔh

第二步，测定该被测膜样片的总厚度h_样片：

(1)将前述被测膜样片从工作台上取出，调整上极板到V₀＝0处；

(2)再放入被测膜样片，记录此时电压表显示的数值V；

(3)将V值和K值代入下式，计算求得被测膜样片的厚度为：

2)计算被测薄膜层的厚度h_film：

取被测薄膜层沉膜前、后的样片的总厚度计算：

             h_film＝h_样片-h_基片

本发明基于平行板电容测微原理进行多层膜材料的测厚方法，测量精度达0.001μm。该方法不需提前标定被测材料相对介电常数，不需特殊制备样件，是非接触测量，测量方法简单、成本低。因此适用于各种薄膜、特别适用于多层结构基片制备中的各层膜厚的无损测量及平面度测量。由于多层膜结构SAW器件的薄膜厚度是非常重要的参数，因此无损、精确测量其各层膜厚度，对提高金刚石多层膜结构SAW器件性能具有重大意义。

【附图说明】

图1为测量原理图；

图2(a)Si薄膜材料测量拟合曲线；

图2(b)diamond/Si复合膜材料测量拟合曲线。

【具体实施方式】

本发明利用平行板电容测微仪的上下两个平板电极，测量两个电极之间的变化量以测量样件薄膜的厚度，其原理图见图1。

图中，A运算放大器(Operational Amplifier)，Vs为方波激励振荡器信号源电压，Cs为标准电容(1pF)，h为上下平板传感电容C_f之间的空气间隙，V为放大器输出电压。运算电容传感器和空气间隙h的关系如下：

$>>V>=>->>(>>>>C>s>>>V>s>>>>>ϵϵ>0>>S>>>)>>h>=>kh>->->->>(>1>)>>>s>$

式中：S是上下平板传感电容C_f端面有效面积，ε是被测材料的相对介电常数，ε₀是空气中的介电常数。因此，对某种材料而言，测量系数k是一个常数。

当被测参数(空气间隙、膜的介电常数)变化使传感器的电容量发生变化时，电路输出的调幅信号的幅值亦随之变化，经过精密整流、滤波后，就得到了与被测参数变化相对应的电压信号。

根据公式(1)，被测薄膜厚度 $>>>h>film>>=>>h>0>>->h>=>>>V>0>>>k>0>>>->>V>k>>,>>s>当V$₀＝0时， $>>>h>film>>=>|>->>V>k>>|>->->->>(>2>)>>>s>$

式中，h₀、h分别为无和有被测薄膜时上下平板传感电容之间的空气间隙；V₀、V分别为无和有被测薄膜时放大器输出电压，(为便于测量，通常调节零电位器使初始输出电压V₀＝0)。

如果被测薄膜相对介电常数ε是未知，则无法计算k值和被测薄膜厚度，因此需要标定薄膜材料精确的相对介电常数ε数值。

本发明提出未知相对介电常数ε值确定k值方法如下：

由式(1)输出电压V变化量和空气隙h的变化量关系为

        ΔV＝kΔh         (3)

经过调节下极板位置变化空气隙为Δh₁、Δh₂、Δh₃......Δh_n，进行多点测量，可以测到一组输出电压变化量，满足下列方程组：

         ΔV_i＝kΔh_i，i＝1，2，..n    (4)

式中，ΔV_i表示第i个测量位置时输出电压的变化量；Δh_i为工作台升降变化值，表示基本空气隙高度。

因此，通过对一组测量数值ΔV_i、Δh_i进行线性拟合，可找出空气间隙Δh和输出电压ΔV之间的线性系数k。线性系数k可以体现出不同薄膜材料的相对介电常数对测厚的影响。

应用本发明在实际测定薄膜某层厚度时，首先要确定被测薄膜层沉膜前的样片总厚度，然后进行沉膜，再确定被测薄膜层沉膜后的样片总厚度，最后计算沉膜后与沉膜前的差值，即可得出该层薄膜的厚度。

对于被测薄膜层沉膜前的基片总厚度h_基片，可以用被测薄膜层沉膜后测定样片的厚度h_样片的方法得出，也可以用平行板电容测微仪测量，由已知的介电常数ε数值计算得出，即：

(1)平行板电容测微仪调整上极板到V₀＝0处；

(2)放入被测基片，记录此时电压表显示的数值V；

(3)将V值和已知的介电常数ε数值代入下式，计算求得被测基片的厚度为：式中 $>>k>=>>>>ϵϵ>0>>S>>>>C>s>>>V>s>>>>>s>$

用本发明测定沉膜前基片和沉膜后样片的总厚度，可依次按以下操作：

(1)将待测样片放置于选定好的电极探头(电容上极板)下，上下移动上极板到适当位置，然后记下初始位置电压表显示值和工作台位置初值；

(2)调节楔型升降工作台旋钮以实现下极板(工作台)的纵向升或降Δh，记下此时变化的电压值V；

(3)至少10次重复上述测量，对记录下的一组数值进行最小二乘线性拟合；

(4)找出空气间隙h和输出电压V之间的线性关系，确定被测膜的测量系数k。

(5)取出工作台上被测样件，调整上极板到一个合适的位置使电压表显示为“0”，即V₀＝0，放置样件，记下此时电压表显示的数值V；

(6)将V值代入下式，计算求得样件的总厚度

图2是多层材料样件(金刚石膜/Si)测量金刚石膜厚的实例。

首先，在沉积金刚石膜以前，按本方法或其它常规方法测出硅基片厚度。设Si基片的厚度测得值为252.6um；

然后，在沉积金刚石膜之后，按上述具体实施方式(1)-(4)，确定被测样件的测量系数k为0.11082，如图2(b)；

其次，按上述具体实施方式(5)，测得电压值-30.274；

再次，按上述具体实施方式(6)由式(2)计算出样件实际总厚度为273.18um；

最后，与Si衬底的厚度已测得为252.6um相减，可以计算出金刚石薄膜的厚度为20.58um。

图2(a)Si片测量数据的线性拟合公式为

               ΔV＝0.19391Δh+0.03971       (5)

图2(b)diamond/Si复合膜的测量数据的线性拟合公式为

               ΔV＝0.11082Δh-0.01949       (6)

式(5)、(6)中直线方程的斜率即k值分别为0.1939和0.11082。(5)、(6)等式右侧第二项为直线方程的截距，仅与测量时所选的初始仪器量程位置的空气隙大小有关。

按照本发明的方法，如果改变被测样件的测点位置，在整个膜片上进行多点测量，还可实现薄膜的厚度均匀性的测量。