Методы контроля толщин слоев в процессе осаждения.

Существуют как прямые фотометрические способы контроля оптических толщин пленок, так и косвенные методы контроля со всеми присущими им достоинствами и недостатками.

3.1.Метод кварцевого резонатора основан на измерении изменений частоты колебаний генератора с кварцевым резонатором в контуре.

Такой резонатор (кварцевая пластина толщиной около 0,3 мм и диаметром 14 мм с контактной индикацией), находящийся в вакуумной камере в потоке испаряемого вещества обеспечивает стабильную частоту электрических колебаний, зависящую от массы кварцевой пластинки, т.е. от массы осажденного на ее приемной площадке слоя испаряемого материала. Резонансная частота колебаний обратно пропорциональна толщине (массе) пластины:

f=Ct/2d;

где: Ct - скорость распространения упругих волн в пластине.

По мере нарастания толщины наносимого слоя растет масса кристалла и уменьшается резонансная частота его колебаний. Толщина слоя d_s определяется следующим образом:

где: r_s - удельная плотность напыляемого материала; [г/см³];

- разность между начальной и текущей частотами колебаний кварцевого резонатора; [Гц];

К - коэффициент пропорциональности между величиной смещения частоты - Df и толщиной осажденного слоя d_s; [г.Гц/см²].

Применение метода кварцевого резонатора при контроле толщин наносимых слоев обеспечивает диапазон измеряемых толщин: 2¸1,5×10⁵ ; индикацию скорости осаждения пленки 1¸10³ /сек; при диапазоне плотностей испаряемых материалов: 1¸20 г/см².

Достоинствами метода кварцевого резонатора являются высокая точность фиксации массы вещества осажденного на приемной площадке, простота автоматизации, возможность контроля "нечетвертьволновых" значений толщины, возможность контроля "тонких" слоев, предназначенных, например, для вакуумной ультрафиолетовой области спектра, возможность измерения и регулировки малых скоростей осаждения пленок . К недостаткам метода следует отнести в первую очередь необходимость точного знания действительных, текущих показателей преломления, а также плотностей осаждаемых веществ.

Метод кварцевого контроля не позволяет получать информацию о спектральной характеристике покрытия в процессе его формирования, кроме того, отсутствует возможность оперативной коррекции искажений спектральной характеристики в процессе изготовления многослойных покрытий.

Дополнительные значительные ошибки контроля возникают из-за невозможности регистрации толщин слоев непосредственно на изготавливаемой детали, а не по неподвижному кварцевому датчику (в то время как в подавляющем большинстве случаев пленка формируется на поверхности вращающейся детали). Необходимость использования части рабочей приемной поверхности для размещения кварцевого датчика приводит к снижению коэффициента использования полезной площади вакуумной камеры, а при нанесении покрытий на крупногабаритные оптические детали метод "кварцевого" контроля зачастую вообще не пригоден.

Таким образом, метод кварцевого резонатора рекомендуется применять только при производстве относительно несложных интерференционных систем таких, например, как однослойные пленки, широкополосные неотражающие покрытия и т.д. или совместно с другой системой контроля в качестве стабилизатора скорости осаждения вещества на подложке.