[发明专利]一种用于超高真空的宽温区膜厚监测装置及监测方法

说明书

本发明公开了一种用于超高真空的宽温区膜厚监测装置及监测方法，超高真空腔体内置有镀膜衬底和一个传感器探头；超高真空腔体底部设有蒸发源；传感器探头内设晶振片、加热板和测温元件，通过传感器探头连接温度控制器，对晶振片加热；通过传感器探头连接冷却介质装置，对石英晶振冷却；通过传感器探头连接膜厚显示仪，监测镀膜薄膜沉积厚度和标定沉积速率。它可以在较宽的温区范围内有选择地控制晶振片的温度，以模拟在各种镀膜过程中，衬底的不同温度条件，以至少解决现有技术中存在的在因晶振片温度与衬底温度不同而不能真实反映衬底上沉积的薄膜厚度的问题。

技术领域

本发明属于超高真空镀膜领域，具体涉及一种用于超高真空的宽温区膜厚监测装置及其使用方法。

背景技术

超高真空镀膜技术以分子束外延技术为主。分子束外延技术是一种利用分子束(或原子束)在单晶衬底表面生长单晶层的真空镀膜技术，通常以制备单原子层级别的薄膜为目标，为了得到有利于获得平滑、均匀的高质量薄膜的动力学条件，需要对衬底温度、生长速率和束流(flux)的大小进行精确控制。

在超高真空镀膜过程中，对薄膜厚度的监测和控制是重要的技术环节。石英晶体膜厚仪是监测薄膜厚度的常用装置，其利用了石英晶体的压电效应和质量负荷效应，根据Sauerbrey方程，将石英晶体谐振频率的变化转化为沉积的薄膜厚度值。

相应地，石英晶体膜厚仪通常有两种使用方式。一是在镀膜过程中，将石英晶体置于衬底位置附近，实时检测沉积厚度和速率。另一种是在镀膜之前，将石英晶体移动到镀膜衬底所在的位置，预先对沉积物质的束流(flux)大小进行标定。

在分子束外延过程中，到达衬底表面的分子(或原子)经过吸附、再蒸发、表面扩散、成核、生长等过程最终形成薄膜，这些过程中都受衬底温度影响。衬底温度也作为主要的、可以控制的外部因素，在不同的镀膜过程中广泛变化。

目前用于超高真空镀膜的石英晶体膜厚仪通常采用循环水冷却的方式稳定石英晶体的温度，以减少温度变化对石英晶体谐振频率的影响。这种方法只能做到保持晶振片的温度稳定在室温左右，并不能对石英晶体的温度进行测量和调控。而在镀膜实验中，根据生长材料的不同特性，衬底温度通常不等于室温，因此石英晶体温度和衬底温度存在差异，此时测量得到的薄膜厚度或沉积速率往往不能反映衬底的真实情况。

发明内容

为解决现有方法存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种新的膜厚监测装置及监测方法，它可以在较宽的温区范围内有选择地控制晶振片的温度，以模拟在各种镀膜过程中，衬底的不同温度条件，以至少解决现有技术中存在的在因晶振片温度与衬底温度不同而不能真实反映衬底上沉积的薄膜厚度的问题。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种用于超高真空的宽温区膜厚监测装置，包括超高真空腔体，所述超高真空腔体内置有镀膜衬底和一个传感器探头；所述超高真空腔体底部设有蒸发源；传感器探头内设晶振片、加热板和测温元件，通过传感器探头连接温度控制器，对晶振片加热；通过传感器探头连接冷却介质装置，对石英晶振冷却；通过传感器探头连接膜厚显示仪，监测镀膜薄膜沉积厚度和标定沉积速率。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

优选的，所述传感器探头包括晶振支座、设于晶振支座中的冷却室、加热板、测温元件和晶振片，还包括伸入晶振支座上的冷却介质进、出口管道，以及缠绕于冷却介质进、出口管道上的真空同轴电缆。

优选的，所述晶振支座包括晶振支座主体，加热板、测温元件和晶振片依次嵌入于晶振支座主体中，晶振片下方设有一个晶振片前支撑件，在晶振片前支撑件下方还设有一个晶振片挡板。

优选的，所述传感器探头通过穿腔法兰连接波纹管水平固定于超高真空腔体上。

优选的，所述温度控制器通过一对非真空导线接入电极法兰，并进一步连接一对真空导线分别连接至加热板和测温元件。