石英晶体振荡法

作者：发布时间：2023-07-12 10:37:20点击：281

石英晶体振荡法

这是一种利用改变石英晶体电极的微小厚度，来调整晶体振荡器的固有振荡频率的方法。利用这一原理，在石英晶片电极上淀积薄膜，然后测基固有频率的变化就可求出质量膜厚。由于此法使用简便，精确度高，已在实际中得到广泛应用。此法在本质上也是一种动态称重法。石英晶片的固有振动频率f 、波长λ 和声速v 之间有以下关系式

λf =v

如果石英晶片的厚度为t，对基波而言，则波长入为

λ= 2t

再设石英晶片的密度为p，切变弹性系数为c，则

v=√c/p

将式(λ= 2t)、式(v=√c/p)代人式(λf =v)，可得

f=v/λ=N/t

式中，N为频率常数，其值N=(c/p)^1/2/2，对于AT切割方式，N=1670kHz·mm。对式(f=v/λ=N/t)求导，则得

df=-N/t²*dt

由此可知，厚度的变化与振荡频率成正比。式中的负号表示石英晶体厚度增加时其频率下降。

若在蒸镀时石英晶体上接收的淀积厚度(质量膜厚)为dx，则相应的晶体厚度变化为

dt=pm/p*dx

式中，Pm为淀积物质的密度；p 是石英晶体的密度，其值p=2.65g/cm³。

当pmdx在不大的范围内，可把由式(dt=pm/p*dx)给出的d代人式(f=v/λ=N/t)，则得

df=-v²/N*pm/p*dx

此式即为表示振荡频率变化与薄膜质量膜厚之间关系的基本公式。

这种测膜厚方法的优点是测量简单，能够在制膜过程中连续测量膜厚。而且，由于膜厚的变化是通过频率显示的，因此，如果在输出端引人时间的微分电路，就能测量薄膜的生长速度或蒸发速率。其缺点是，测量的膜厚始终是在石英晶体振荡片上的薄膜厚度。并且每当改变晶片位置或蒸发源形状时，都必须重新校正；若在溅射法中应用此法测膜厚，很容易受到电磁干扰。此外，探头 (石英晶片)工作温度一般不允许超过 80C，否则将会带来很大误差。

利用上述原理制成的石英晶体膜厚监控仪国产型号有 MSB-型、SK-1A(B)型等，可用于电阻或电子束蒸发设备上，监控金属、半导体和介质薄膜的厚度。

该方法最高灵敏度是 20Hz 左右，换算为石英晶体的质量膜厚为 12Å。