Thickness Monitoring

برای تعیین ضخامت لایه از روش های متنوعی استفاده می شود که در همه آنها یک ویژگی از ماده که به صورت قابل قبولی با ضخامت مرتبط است، مورد استفاده قرار می گیرد. از جمله مهم ترین این ویژگی ها می توان به جرم، مقاومت الکتریکی، ضریب بازتاب و ضریب عبور اشاره کرد.

ضخامت سنجي كريستالي :Quartz Crystal Microbalance

عمومی ترین روش در تعیین ضخامت لایه، ضخامت سنجی کریستالی یا اصطلاحاً QCMاست که در آن از پارامتر تغییر جرم برای ضخامت سنجی استفاده می شود و بوسیله آن می توان ضخامت لایه و آهنگ انباشت لایه را کنترل نمود. این روش اولین بار در سال 1960 توسط G.Sauerbreyمورد استفاده قرار گرفت . او نشان داد که بین فرکانس تشدید مربوط به یک صفحه کوارتز و جرم آن رابطه ای وجود دارد که این رابطه بنام خود ایشان معادله سربری نام گرفت . وی با این رابطه توانست ضخامت لایه را بدست آورد.
                                                             Δf=-f² Δm/V_qSρ_q
که در آنΔm تغییر جرم کریستال،S مساحت تیغه،Vq سرعت انتشار صوت در کریستال بوده و برابر با m/s 3340 مي باشد. ρq دانسیته کریستال بوده و برابر با kgm-3 2650 است وΔf تغییر فرکانس وابسته به تغییر جرم کریستال مي باشد. البته این معادله تنها برای لایه های بسیار نازک قابل استفاده است و در مورد لایه های ضخیم رابطه بین فرکانس و جرم دیگر یک رابطه خطی نخواهد بود. کریستال بواسطه عبور جریان الکتریکی، شروع به نوسان طبیعی می نمایدکه مقدار آن برای تجهیزات تجاری بین 5 تا 6 مگا هرتز است.
در حین فرآیند لایه نشانی فرکانس کریستال متناسب با جرم انباشت شده روی سطح آن تغییر می کند. این تغییر فرکانس چند بار در ثانیه است که در نهایت به صورت مقدار ضخامت در یک میکروپروسسور ذخیره شده و همراه با آهنگ لایه نشانی بصورت آنگستروم بر ثانیه نمایش داده می شود. در روشی دیگر، فرکانس تشدید کریستال وقتی داخل سیستم لایه نشانی قرار دارد با حالت استاندارد آن در خارج سیستم مقایسه و اختلاف بین آنها اندازه گیری می شود. معمولأ فرض می شود که فاصله چشمه تا کریستال و فاصله چشمه تا زیرلایه برابر است. در صورتی که به دلایل مختلف این فاصله ها برابر نباشد یک فاکتور تصحیح به نام Tooling factor تعریف می شود که از رابطه زیر بدست می آید:

   فاکتورتصحیح = x 100 (ضخامت لایه روی زیرلایه /ضخامت لایه روی کریستال )

به عنوان مثال اگر در یک فرآیند لایه نشانی 1000 آنگستروم روی زیرلایه و 800 آنگستروم روی کریستال انباشت شده باشد مقدار فاکتور تصحیح برابر 125 خواهد بود. اگر فاصله زیر لایه تا چشمه برابر فاصله کریستال تا چشمه باشد این مقدار برابر با 100 است.

در جدول زیر فاکتور امپدانس آکوستیکی معروف به فاکتور z مواد متداول آمده است.

نام ماده	Z	چگالی	فرمول
Silver	529/0	500/10	Ag
Aluminium Oxide	336/0	970/3	Al₂O₃
Gold	381/0	300/19	Au
Barium	100/2	500/3	Ba
Gallium	593/0	930/5	Ga
Hafnium	360/0	090/13	Hf
Magnesium	610/1	740/1	Mg
Nickel	331/0	910/8	Ni
Silicon Dioxide	000/1	648/2	SiO₂
Titanium (IV) Oxide	400/0	260/4	TiO₂

حساسیت کریستال قابل ملاحظه است. یک لایه یکنواخت تا 10 آنگستروم آلومينیوم موجب تغییر تا 20 هرتز می شود که امروزه به آسانی قابل اندازه گیری می باشد. با افزايش چگالی لایه، تغییر فرکانس بیشتر شده و در نتیجه دقت ضخامت سنجی بیشتر می شود. به عنوان مثال طلا با چگالی gr/cm3 3/19 به ازای هر 10 آنگستروم ضخامت فرکانس تشدید را Hz 150 کاهش می دهد. حساسیت وابستگی تغییر فرکانس با دما وقتی بحرانی می شود که ضخامت لایه ها کمتر از 300 آنگستروم باشند. در این محدوده گاهی برای یک شیفت ºC 20 دما خطایی در حدود 20 آنگستروم و حتی بیشتر ایجاد می شود. این خطا ممکن است در حالتی که تابش از چشمه مواد وجود داشته باشد، مضاعف شود. چون انرژی گرمایی مضاعفی به کریستال می رسد.

یک سیستم ضخامت سنج کریستالی، مطابق شكل زیر، از قسمت هاي زير تشكيل شده است: 1- جعبه کنترل 2- کابلBNC 3- اسیلاتور 4- کریستال 5- اتصالات (فيدترو) امروزه معمولاً سيستم هاي ضخامت سنج كريستالي مي توانند به راحتي تا 6 كريستال را در نواحي مختلف يك سيستم پشتيباني نمايند. مي دانيم كه در يك سيستم لايه نشاني در صورتي كه از سيستم هاي چرخان سياره اي استفاده نكنيم، ضخامت در مكان هاي مختلف محفظه، متناسب با فاصله چشمه تا زيرلايه متفاوت بوده و مقادیر متفاوتي را دارا مي باشد.
عليرغم اينكه ضخامت سنجي با استفاده از تكنيك كريستال بسيار متداول مي باشد ولي خود داراي محدوديت هايي نيز مي باشد. از جمله آنها مي توان به تاثير دما، افزايش جرم و تنش هاي بوجود آمده اشاره داشت.

ضخامت سنجي اپتيكي:
ضخامت سنجي اپتيكي یکی از روش هایی که بوسیله آن می توان ضریب شکست ماده را در داخل سیستم مشخص نمود، استفاده از ضخامت سنجی اپتیکی است. اين روش بيشتر در ساخت لايه هاي نازك مربوط به ساخت فيلترهاي اپتيكي به كار مي رود.

ضخامت سنج های اپتیکی از قسمت های زیر تشکیل شده اند:
1- چشمه نوری
2-شيشه تست
3- آشکارساز برای تحلیل نور عبوری یا بازتابی در گذشته بسیاری ازکارشناسان حوزه لایه نازک از چشم خود به عنوان آشکارساز استفاده می نمودند و ضخامت لایه ها از طریق تشخیص رنگ آنها در نور سفید تعیین می شد. در بیشتر موارد تمرکز آنها بر روی یک لایه نشانی تک- لایه ای ساده بود. شكل زیر نماي كلي از يك دستگاه لايه نشاني را كه يك سيستم ضخامت سنجي نوري نيز روي آن نصب شده است، نشان مي دهد. فرآیند ضخامت سنجی بدین صورت است که نور در زاویه بسیارکم با خط عمود بر مرکز محفظه خلأ(معمولا کمتر از 7 درجه) از یک چشمه نوری به زیرلایه مورد بررسی، تابانده می شود. چشمه هاي نور براساس محدوده طیفی متفاوتند و به همین ترتیب آشکارساز مورد استفاده نیز تغییر می کند. نور خروجی در طول مسیر خود از یک برشگر(chopper ) عبور می کند. قسمتی از نور از زیرلایه عبور کرده و قسمتی بازتاب می گردد، نور عبوری پس از عبور از یک فیلتر توسط فیبر نوری به سمت تکفام ساز و آشکارساز می رود و نور بازتابی نیز پس از بازتاب وارد آشکارساز شده و آشکارساز سیگنال بازتابی را نشان می دهد. برشگر برای بهبود كيفيت سیگنال و کاهش نویز مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین برشگر باید حتماً پس از چشمه نور و قبل از سیستم قرار گیرد و فیلتر باید بعد از سیستم جایگذاری شود. این گونه چیدمان میزان نور منحرف شده را کاهش می دهد.
در پایش (Monitoring ) اپتیکی تکنیک غالب مورد استفاده برای لایه نشانی های چندلایه ای با تکیه بر تئوری تداخل سازنده و یا تداخل ویرانگر در ضخامت های مشخص (مضرب يك چهارم و یا نصفی از طول موج ) شکل می گیرد و بواسطه آن پایان لایه نشانی برای هر لایه در حداکثر یا حداقل سیگنال دریافتی صورت می گیرد.

نماي شماتيك يك سيستم لايه نشاني اپتيكي، 1- تست 2- زيرلايه 3- ترموكوپل 4- هيتر 5- شاتر 6- تفنگ الكتروني 7- سيستم ضخامت سنج اپتيكي 8- چشمه نور 9- آشكارساز 10- منبع تغذيه 11- سيستم خنك كننده 12- موتور چرخاننده زيرلايه 13- سيستم ضخامت سنج كريستالي

فیلمها و مطالب آموزشی

آنالیزهای سطح و لایه   نازک

برهم کنش بین ذرات باردار با لایه نازک

برهم کنش بین پرتو ایکس با لایه نازک

برهم کنش بین پرتو نور با    لایه نازک

میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM

میکروسکوپ الکترونی عبوری    TEM

میکروسکوپ پروبی روبشی    SPM

میکروسکوپ پروبی روبشی    AFM

میکروسکوپ روبشی تونلینگ    STM

آنالیز سطح و لایه به روش SIMS

آنالیز سطح و لایه به روش    RBS

آنالیز سطح و لایه به روش    XRD

آنالیز سطح و لایه به روش    XPS

آنالیزطیفی به روش بیضی سنجی

آنالیزطیفی به روش اسپکتروفتومتر

لایه نشانی و پارامترهای آن

ساختار    تشکیل       لایه

روش تفنگ الکترونی E_Beam Gun

روش تبخیر مقاومتی    Resistant Ev

روش کندوپاش       Sputtering

لایه نشانی به روش لیرزی    PLD

لایه نشانی به روش       MBE

لایه نشانی شیمیایی       CVD

لایه نشانی شیمیایی        PECVD

لایه نشانی شیمیایی     MOCVD

درباره                            خلاء

پمپ روتاری    Rotary Pump

پمپ توربومولکولارTurbomolecular

پمپ کرایوجنیک Cryojenic Pump

پمپ دیفیوژن    Diffusion Pump

تاریخچه فشارسنج های نخستین

فشارسنجهای محدوده خلاء پایین

فشارسنج یونی کاتد سرد و گرم

کنترل ضخامت

ضخامت سنجی اپتیکی

ضخامت سنجی کریستالیQCM