[发明专利]在压电晶体上确定多层薄膜沉积的方法

说明书

用于精确地计算到压电晶体坯上的沉积的薄膜层的厚度的方法，在其中可以利用相异的材料，使得能够针对采用外来材料的各种应用进行确定。此外，可以确定未知的沉积的材料的声阻抗率（或等价的z‑比率）。当若干层不同材料被顺序地沉积在相同的监视石英晶体上时精确的解析解几乎消除了厚度误差。

对相关的申请的交叉引用

本申请要求来自于2011年2月3日提交的USSN13/020,381的优先权，并且将其全部内容以引用的方式并入。

技术领域

本发明一般涉及薄膜沉积的领域，并且更特别地涉及将压电晶体用于测量至少一个沉积的薄膜层的质量。此处所描述的方法使得多个沉积的材料（包括相异的材料）的层的厚度能够被确定，并且可应用于石英晶体以及其他适当的压电石英，包括但不限于兰克赛（langasite）、块磷铝矿和磷酸镓。

背景技术

基于石英晶体微量天平（QCM）的薄膜沉积控制器在薄膜涂敷工业中已经被使用非常长的时间，诸如除了别的以外例如在授予Wajid的U.S.专利No.5,112,642和授予Vig等人的U.S.专利No.5,869,763中所描述的。在典型的布置中，将监视器石英晶体放置在靠近薄膜沉积装置中的基底，其中所述晶体和基底各自在同时被涂敷。被沉积在所述晶体上的材料通常与被沉积在所述基底上的材料成比例。作为材料沉积在所述石英晶体上的结果，其共振频率以单调的方式向下偏移。因此，所述晶体的频率偏移连同所述材料的密度的知识允许估计被沉积在所述晶体和所述基底上的材料的厚度。

先前，通过压电石英晶体微量天平的质量确定的主题已经例如由Lu和Czanderna在他们的论文“压电石英晶体微量天平的应用”中被处理。最早的QCM仪器利用Sauerbrey关系式以便根据所述石英晶体的共振频率偏移计算沉积的薄膜的厚度。Sauerbrey的公式是精确的，然而，仅仅针对非常有限的频率偏移。在20世纪70年代中，Lu和Lewis公开了考虑沉积的薄膜的弹性性能的分析。以作为商标的Lu-Lewis等式极大地提高了QCM仪器的精确度并且扩展了它们的应用范围。结果，意在用于薄膜沉积工艺控制的几乎所有QCM仪器目前将所述Zmatch等式用于将石英晶体的频率偏移转换成所述沉积的薄膜的厚度。

然而，所述Zmatch等式对于在石英晶体上仅一种材料的沉积是绝对有效的。两种或更多相异的材料的连续地沉积连累此关系式的精确度。误差的程度取决于沉积的材料的声学性质的不匹配的程度和被沉积的各层的厚度。因此并且如果工艺需要在基底上沉积不同的材料，则必须针对每种材料专门地使用专用的石英晶体；特别地，如果精确度是最重要的。

这些年来，基于QCM的薄膜控制器的市场已经进化。近期，在光学涂敷工业中发现了其主要用途。光学涂敷通常是介电材料（大部分是氧化物和氟化物）的许多薄层的堆叠。这些材料在它们的光学以及它们的声学性质方面是相异的。情况很少允许用户将一种石英晶体专用于每种沉积的材料。然而，连累厚度/测量的精确度是不能被承受的起的事情。结果，光学涂敷外壳将QCM用于沉积速率控制并且使用光学终点检测器（诸如反射计或椭圆计）来确定沉积工艺。

在20世纪90年代早期，本申请的发明人创造了被称为“Auto-Z”的工艺，其部分地克服了上面所注意的限制。然而，Auto-Z仅仅是基于石英晶体的两个共振频率的同时演化的近似。为此，Auto-Z在具有已知的声学性质的多层材料或未知的声学性质的多层材料、或变化的化学计量的多层合金的沉积中是有用的。然而，Auto-Z仅仅是所述Zmatch等式之上的渐增式改进并且不代替多层薄膜沉积的问题的精确解。

据我们所知，仅诸如由ULVAC公司在商业上所销售的那些薄膜控制器目前声称多层控制。商业上可获得的ULVAC模型CRTM-9000控制器的评述指明使用线性外推方案。当沉积一层不同的材料时，外推的斜率被重新计算。所有这些计算在当前层的实际沉积之前被进行。如在针对此控制器的用户手册中所描述的，完成这些背景计算可能占用数十秒。在沉积期间，将最后计算的斜率乘以所述频率偏移以便估计当前层的厚度。因此，可以肯定地推断出这些控制器对于多层沉积没有使用解析正确的解。