專利名稱：柱形金屬薄膜厚度測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量?jī)x器，特別涉及一種測(cè)量柱形金屬薄膜厚度的測(cè)量?jī)x。
在本發(fā)明之前，測(cè)量薄膜厚度的方法較多，有電學(xué)測(cè)量法、光學(xué)測(cè)量法和機(jī)械測(cè)量法等，其中常用的是電學(xué)測(cè)量法中的電阻法、電容法、電離計(jì)法和石英晶體法等。
電阻法是一種較為簡(jiǎn)單的電學(xué)測(cè)量方法。利用金屬導(dǎo)電膜的阻值與薄膜厚度有關(guān)的原理，當(dāng)絕緣的基片上尚未鍍膜時(shí)，其阻值很大，開始鍍上膜層時(shí)，其電阻值將隨著膜層厚度的增大而減小。所以，只要在沉積過(guò)程中測(cè)量膜層的電阻值，并用以控制鍍膜的生產(chǎn)工序就可以制備出所需的膜厚的薄膜。但是，該方法由于觸點(diǎn)的變化，測(cè)量精度較差。
石英晶體監(jiān)控法也是一種常用的方法，它是利用測(cè)量帶有質(zhì)量負(fù)載的石英晶體振蕩片諧振頻率的改變，來(lái)確定沉積薄膜厚度的方法。利用這種原理制成的石英晶體膜厚監(jiān)控儀可用于高真空或超高真空的電阻或電子束蒸發(fā)鍍膜設(shè)備上，監(jiān)控金屬薄膜、半導(dǎo)體薄膜或絕緣介質(zhì)薄膜的厚度。但是，該方法的缺陷是在磁控濺射過(guò)程中，容易引入電噪音，從而使測(cè)量難以進(jìn)行。
機(jī)械測(cè)量法是利用測(cè)量表面粗糙度的測(cè)量器來(lái)測(cè)量已制備的薄膜的方法。其中，觸針?lè)y(cè)量膜厚具有直觀、精度高的優(yōu)點(diǎn)。但是這種方法測(cè)量膜厚會(huì)產(chǎn)生劃傷，而使薄膜破壞，因此，觸針?lè)ㄖ贿m用于類似二氧化硅堅(jiān)硬薄膜的測(cè)量。
由于金屬柱形薄膜的制備方法通常采用磁控濺射的方法，根據(jù)薄膜附著強(qiáng)度較高的性能要求，傳統(tǒng)的膜厚測(cè)量方法不能滿足這種薄膜的測(cè)量要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于克服上述缺陷，設(shè)計(jì)一種柱形金屬薄膜厚度的測(cè)量?jī)x。
本發(fā)明的技術(shù)方案是柱形金屬薄膜厚度測(cè)量?jī)x，其主要技術(shù)特征在于振蕩器輸出接電壓放大電路，電壓放大電路輸出接功率放大器，待測(cè)元件設(shè)置在功率放大器的輸出端上，功率放大器輸出至采樣電阻，采樣電阻接整流、放大器、減法器至控制電路，控制電路輸出接振蕩器、電壓放大電路。
進(jìn)一步的技術(shù)方案是其技術(shù)特征在于待測(cè)元件由磁軛、測(cè)試線圈、待測(cè)薄膜構(gòu)成，在鐵氧體圓柱金屬薄膜外圍固定有四塊磁軛，與測(cè)試線圈形成磁回路。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果是能夠在柱形金屬薄膜所采用的磁控濺射制備的方法中，利用測(cè)量驅(qū)動(dòng)脈沖電流來(lái)達(dá)到測(cè)量金屬薄膜厚度的目的，其誤差率小，精度高，儀器成本低、完全電子化，操作簡(jiǎn)單。
本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)將在下面繼續(xù)描述。


圖1——本發(fā)明的方框原理示意圖。
圖2——本發(fā)明的具體電子線路圖。
圖3——不同材料金屬薄膜的脈沖波形圖。
a.4μm厚銅金屬薄膜的脈沖波形圖。
b.4μm厚鈦金屬薄膜的脈沖波形圖。
圖4——不同厚度銅金屬薄膜的脈沖波形圖。
a.無(wú)金屬薄膜的脈沖波形圖。
b.10μm厚金屬銅薄膜的脈沖波形圖。
c.2μm厚金屬銅薄膜的脈沖波形圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1、圖2所示，振蕩器由壓控振蕩器、D觸發(fā)器組成的T’觸發(fā)器構(gòu)成；功率放大器是差分功率放大器，其輸出回路設(shè)置采樣電阻、取樣示波器；待測(cè)元件包括磁軛、測(cè)試線圈和待測(cè)薄膜，設(shè)置在差分功率放大器的輸出端上在鐵氧體圓柱金屬薄膜外圍固定有四塊磁軛，用來(lái)形成磁回路，當(dāng)鐵氧體圓棒被縱向磁化時(shí)，其磁力線在鐵氧體棒和磁軛之間的縫隙里，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線中的電流大小或脈寬，來(lái)實(shí)現(xiàn)待測(cè)薄膜的厚度測(cè)量。
其工作原理是
壓控振蕩器(VCO)輸出一個(gè)頻率為50KHz的方波，然后經(jīng)過(guò)由D觸發(fā)器組成的T觸發(fā)器輸出兩路相位相反的方波，經(jīng)兩路電壓放大電路輸送至差分功率放大器，差分功率放大器輸出至采樣電阻，采樣電阻信號(hào)經(jīng)整流、放大后送至減法器，到達(dá)控制電路，控制電路由振幅控制電路、頻率控制電路構(gòu)成，振幅控制電路分兩路分別將信號(hào)送入兩路電壓放大電路；頻率控制電路反饋至壓控振蕩器；取樣示波器從采樣電阻上提取測(cè)試信號(hào)。
T觸發(fā)器輸出兩路相位相反的方波經(jīng)過(guò)兩路電壓放大電路后，送到差分功率放大器，測(cè)試線圈內(nèi)待測(cè)金屬薄膜產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，在采樣電阻上采樣到和薄膜厚度成正比的脈沖電壓值，經(jīng)過(guò)整流、放大后送到減法器，與基準(zhǔn)電壓相減，得到一個(gè)脈沖波形；然后送入振幅控制電路，分兩路經(jīng)過(guò)兩路電壓放大電路輸出到差分功率放大器，控制波形的幅度，從而達(dá)到控制采樣電阻輸出電壓的大小，該大小和薄膜的厚度成正比；同時(shí)經(jīng)過(guò)頻率控制電路后反饋到壓控振蕩器，其頻率反比于電壓值。金屬薄膜厚度越厚，則采樣電阻上獲得的脈沖幅度越大、寬度越窄；金屬薄膜厚度越薄，則采樣電阻上獲得的脈沖幅度越小、寬度越寬。
根據(jù)電磁感應(yīng)原理，不同厚度的金屬薄膜在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生不同大小的勵(lì)磁電流，從而改變輸入電流脈沖信號(hào)的幅度和頻率(脈寬)，根據(jù)輸出電流脈沖信號(hào)的幅度和頻率(脈寬)的改變，測(cè)量柱形金屬薄膜的生長(zhǎng)厚度。
采用取樣示波器測(cè)試采樣電阻上的波形圖，就是把一個(gè)連續(xù)的時(shí)間信號(hào)變換成離散的時(shí)間信號(hào)，它由取樣脈沖序列控制，只有當(dāng)脈沖到達(dá)時(shí)，取樣門才能打開，讓被取信號(hào)通過(guò)，否則，取樣門關(guān)閉。因此，連續(xù)被測(cè)信號(hào)通過(guò)取樣門電路后，就變成離散的取樣信號(hào)，若取樣脈沖寬度很窄，則取樣脈沖在取樣時(shí)間內(nèi)不變化，每次所取的離散信號(hào)幅度就等于該次取樣瞬間的瞬時(shí)值，從而保證了取樣后信號(hào)幅度不變。本發(fā)明采用SQ12A型取樣示波器，它能將高頻的、快速的重復(fù)信號(hào)轉(zhuǎn)化為低頻的、慢速的脈沖信號(hào)，然后用類似通用示波器中的方法，把取樣變換后的信號(hào)顯示在熒光屏上，便于分析和測(cè)量。用于顯示不同膜厚對(duì)應(yīng)的微波電流幅值信號(hào)和對(duì)應(yīng)的脈寬波形，根據(jù)其顯示值讀出金屬薄膜的厚度。
本發(fā)明中，差分放大器中三極管型號(hào)為MI11016，減法器采用的放大器型號(hào)是LM118，采樣電阻選用0.1Ω。
下面是對(duì)相同厚度、不同材料的金屬薄膜進(jìn)行測(cè)試分析如圖3的(a)、(b)所示，經(jīng)過(guò)對(duì)相同材料、不同厚度的金屬Cu薄膜進(jìn)行的測(cè)量，波形顯示為圖3所示。圖3(a)、(b)中，(a)是4μm厚的金屬Cu薄膜，(b)是4μm厚的金屬Ti薄膜。
下面是對(duì)不同厚度、相同材料的金屬薄膜進(jìn)行的測(cè)試分析如圖4的(a)、(b)、(c)所示，經(jīng)過(guò)對(duì)相同材料，不同厚度的金屬Cu薄膜進(jìn)行了測(cè)量，波形顯示為圖4所示。圖4(a)，無(wú)金屬化膜的樣品，因?yàn)闆](méi)有金屬薄膜，即沒(méi)有短匝阻尼線圈，所以脈沖波形中無(wú)阻尼電流，驅(qū)動(dòng)脈沖電流幅度很小，脈寬較寬。尖峰是因?yàn)闃悠反呕浇咏柡蜖顟B(tài)時(shí)，導(dǎo)磁率急劇下降至1左右，驅(qū)動(dòng)線圈電感急劇減小而造成電感電流增大引起的。圖4(b)和(c)中表示相同薄膜材料、不同厚度的脈沖波形，10μm厚度產(chǎn)生的阻尼電流小，幅度大，寬度窄；2μm的厚度產(chǎn)生的阻尼電流大，幅度小，寬度寬。對(duì)3μm厚的金屬Cu薄膜進(jìn)行了測(cè)試分析，其結(jié)果如表所示，薄膜的均勻度誤差都控制在5％以內(nèi)。
3μm厚的柱形金屬Cu薄膜測(cè)試數(shù)據(jù)

本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅僅局限于上述具體實(shí)施方式
的描述。
權(quán)利要求
1.柱形金屬薄膜厚度測(cè)量?jī)x，其特征在于振蕩器輸出接電壓放大電路，電壓放大電路輸出接功率放大器，待測(cè)元件設(shè)置在功率放大器的輸出端上，功率放大器輸出至采樣電阻，采樣電阻接整流、放大器、減法器至控制電路，控制電路輸出接振蕩器、電壓放大電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱形金屬膜薄膜厚度測(cè)量?jī)x，其特征在于振蕩器由壓控振蕩器、T‘觸發(fā)器組成，其中壓控振蕩器輸出接T‘觸發(fā)器，T‘觸發(fā)器輸出接放大電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的柱形金屬膜薄膜厚度測(cè)量?jī)x，其特征在T‘觸發(fā)器形成相位相反的兩路，輸送至兩路放大電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的柱形金屬膜薄膜厚度測(cè)量?jī)x，其特征在于控制電路由振幅控制電路、頻率控制電路構(gòu)成，振幅控制電路輸出兩路至兩路電壓放大電路，頻率控制電路接壓控振蕩器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱形金屬薄膜厚度測(cè)量?jī)x，其特征在于待測(cè)元件由磁軛、測(cè)試線圈、待測(cè)薄膜構(gòu)成，在鐵氧體圓柱金屬薄膜外圍固定有四塊磁軛，與測(cè)試線圈形成磁回路。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的柱形金屬薄膜厚度測(cè)量?jī)x，其特征在于振蕩器中的T‘觸發(fā)器由D觸發(fā)器構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱形金屬薄膜厚度測(cè)量?jī)x，其特征在于采樣電阻在功率放大器輸出回路上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的柱形金屬薄膜厚度測(cè)量?jī)x，其特征在于采樣電阻接取樣示波器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱形金屬薄膜厚度測(cè)量?jī)x，其特征在于功率放大器是差公功率放大器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)量柱形金屬薄膜厚度的測(cè)量?jī)x。本發(fā)明振蕩器接電壓放大電路，電壓放大電路接功率放大器，待測(cè)元件設(shè)置在功率放大器的輸出端上，功率放大器輸出至采樣電阻，采樣電阻接整流、放大器、減法器至控制電路，控制電路輸出接振蕩器、電壓放大電路，待測(cè)元件在鐵氧體圓柱金屬薄膜外圍固定有四塊磁軛，與測(cè)試線圈形成磁回路。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的電阻法精度低、石英晶體監(jiān)控法引入電噪音、機(jī)械測(cè)量法易損傷薄膜等缺陷。本發(fā)明利用測(cè)量驅(qū)動(dòng)脈沖電流來(lái)達(dá)到測(cè)量金屬薄膜厚度的目的，其誤差率小，精度高，儀器成本低、完全電子化，操作簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)G01B7/02GK1844842SQ20061003995
公開日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2006年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月27日
發(fā)明者陳榮發(fā), 趙毅紅 申請(qǐng)人:揚(yáng)州大學(xué)