[发明专利]一种原子层沉积薄膜原位监测控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜沉积过程的监测，特别涉及一种原子层沉积薄膜原位监测控制系统，属于原子层气相沉积技术领域和薄膜监测技术领域。

背景技术

薄膜涂层在工业生产和人们日常生活中发挥着越来越大的作用，如微电子薄膜、光学薄膜、抗氧化薄膜、巨磁电阻薄膜、高温超导薄膜等相关的应用在不断地扩大。在工业生产中，薄膜材料的力学性能、透光性能、磁性能、热导率、表面结构等都与薄膜的厚度有着密切的联系。而薄膜的微结构表面形貌的准确性也决定着产品的效能与功能，因此在薄膜的沉积过程中也需针对薄膜表面的轮廓品质进行监测。

要制备符合要求的薄膜产品，除了选择合适的薄膜材料、设计相应的膜系、应用恰当的工艺，其中在沉积薄膜的过程中，需要严格控制薄膜的厚度并监控薄膜的表面轮廓，使得薄膜的厚度和表面轮廓尽可能的接近设计的理论值，从而保证薄膜涂层产品质量和性能。

相比于其他的薄膜检测方法，白光干涉三维检测具有：其采用非接触式的测量技术，从而不会破坏待测样品表面形貌；其测量过程为面量测而非逐点扫描，因采用白光干涉法量测速度快。而薄膜厚度相比于薄膜其他可用最基本的方法表述直到相对的接近性能的特征值，如结构和化学组成等特性而言，其测量相对上述特性就没有那么相对直接的方法了。而石英晶体微天平是一种以质量变化为依据的测量传感器，具有特异性好、灵敏度高、成本低廉和操作简便等优点，其所具有的高灵敏度和实时测量质量改变的特点使其特别适用于实时在线监测。

对薄膜产品质量的精确控制，除了能够精准的测量出薄膜的实际厚度和表面的三维轮廓信息，还要要求能将薄膜沉积过程中的实际厚度值和轮廓信息实时的传递到控制系统，由控制系统操控薄膜的沉积工艺参数，从而能实时控制薄膜的厚度和表面轮廓。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种与ALD沉积设备和工艺相适应的原子层沉积薄膜原位监测控制系统，该监测系统可以原位、实时监测薄膜表面三维轮廓和薄膜厚度，从而可制备出薄膜厚度和表面三维形貌可控的薄膜产品。

技术方案：本发明所述的原子层沉积薄膜原位监测控制系统，包括原子层沉积设备、分别用于实时监测原子层沉积薄膜的表面轮廓和薄膜沉积厚度的白光干涉三维轮廓检测装置及石英晶体微天平、以及控制模块，该控制模块与原子层沉积设备、白光干涉三维轮廓检测装置、石英晶体微天平分别连接，用于接收、观测、分析实时的薄膜表面轮廓信息和薄膜厚度信息、并根据该信息控制原子层沉积过程。

其中，原子层沉积设备包括反应腔体，反应腔体内设有用于放置基片的可移动平台，且该反应腔体上开设视窗，用于放置白光干涉三维轮廓检测装置；石英晶体微天平包括石英晶体传感器，石英晶体传感器内嵌于可移动平台中，对薄膜沉积厚度进行测量；控制模块位于反应腔体外部，包括计算机和第一、第二、第三控制器，其中，第一控制器与可移动平台连接，用于控制其在反应腔体内移动，第二控制器与白光干涉三维轮廓检测装置连接，第三控制器与石英晶体传感器连接，三个控制器分别与计算机连接，形成三个控制回路。

用于监测薄膜表面轮廓的白光干涉三维轮廓检测装置包括白光光源、干涉物镜、分光镜、垂直扫描器和探测器，其中干涉物镜、分光镜和垂直扫描器通过镜筒固定于反应腔体上所开设的视窗内，分光镜、垂直扫描器、干涉物镜在镜筒内自上而下依次设置；白光光源和探测器与第二控制器连接，并通过第二控制器与计算机相连，白光光源发出的白光通入镜筒内，干涉后的光线通入探测器、由光信号转换为电信号，获得的电信号经过第二控制器交由计算机处理，随之产生相对应的控制信号。

具体的，白光光源通过光纤通入分光镜，并由分光镜反射到干涉物镜上，在干涉物镜出口处的半透射光学平面反射一半的光源光线，而另一半的光源光线透射后照射在沉积薄膜的表面，由薄膜表面反射的光再一次入射到干涉物镜、与半透射光学平面的反射光发生干涉，干涉光再通过光纤到达探测器。

进一步的，反应腔体下部开孔，石英晶体传感器的信号线路通过该开孔导出、连接到第三控制器上，并与计算机相连；石英晶体传感器测得薄膜沉积过程中的实时质量变化，经由第三控制器转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化、然后传输至计算机处理、得到薄膜的实时厚度值及厚度变化。