Данный сайт о физике, физическом факультете ХНУ им. Каразина, бывшем ХГУ им.Горького, точнее его физфаке, тонких плёнках, технологии высокого вакуума.

Кристаллические резонаторы.

Сауербрей и Лостис впервые исследовали возможность использования кварцевых кристаллических резонаторов для определения малых количеств осажденного вещества. Датчики с кристаллическими резонаторами для измерения толщины пленки имеют относительно простую конструкцию. При чувствительности, примерно равной чувствительности микровесов, они практически не боятся механических ударов и вибраций. По этой причине кристаллические резонаторы широко используют в настоящее время для контроля нанесения тонких пленок. В датчике с кристаллическим резонатором используют пьезоэлектрические свойства кварца. Резонатор представляет собой тонкую пластину кварца, к обеим поверхностям которой подведены электрические контакты. Такой резонатор включается в электронную схему генератора. Приложение переменного электрического поля приводит к возникновению колебаний кварцевой пластины по толщине. Резонансная частота этих колебаний обратно пропорциональна толщине пластины dq. При изготовлении кварцевых пластин необходимо учитывать темпе¬ратурную зависимость резонансной частоты. Известно, что температурный коэффициент частоты (ТКЧ) кварца связан с упругими постоянными по¬следнего. В выражение для ТКЧ входят как положительные, так и отри¬цательные члены, величины которых зависят от ориентации колебаний от¬носительно основных кристаллографических осей монокристалла. По¬скольку изменение частоты, связанное с флюктуациями температуры, влияет на точность определения массы, кварцевые пластинки вырезают из монокристалла в такой ориентации, чтобы различные члены в выражении для ТКЧ компенсировали друг друга. Этому требованию отвечает срез, пло¬скость которого составляет угол примерно 35 с плоскостью с, х. Ориентация такого среза обозначается как АТ-срез и имен¬но эта ориентация используется во всех датчиках толщины. Темпера¬турная зависимость ТКЧ для ряда АТ-срезов с несколько различной ориентацией была исследована Фелпсом. Им было установленно, что изменения ориентации среза на 10 минут, сдвигает ТЧК на 50 градусов и сужает интарвал малых изменений ТЧК. Пропуская существенные математические выкладки можно постулировать, что более тонкие кристалы, обладают большей чувствительностью, однако при уменьшении толщины, уменьшается масса, которая может быть напылена. Граничное приращение частоты, не приводящее к существенным ошибкам составляет 5% от максимальной.Кристаллы, используемые в датчиках, обычно представляют собой пластины круглой или квадратной формы с типичными размерами 13— 14 мм. Они монтируются в держатели, которые фиксируют их положение и позволяют их легко снимать и монтировать вновь.Для приложения к кристаллу электрического поля на обе поверхности Пластины наносят испарением тонкие пленки золота или иногда серебра. В одной из конструкций пленочные электроды занимают всю поверхность пластины, тогда как в другой конструкции только центральная часть покрыта металлом в виде колец, d = 6—8 мм. В последнем случае испаренный свинец обеспечивает контакт с краями пластины. В других конструкциях металлизуется только та сторона пластины, на которую осуществляется осаждение, тогда как противоположная сторона просто прижимается к поверхности металлического держателя. Лангер и Паттои [312] разработали конструкцию держателя из материалов, которые позволяют производить отжиг всего преобразователя при 450° С . Тоит отметить, что частотные показатели системы прогретой до 400°С полностью востанавливаются после охлаждения, что даёт возможность использовать их в условиях сверхвысокого вакуума, в прогреваемых системах. Исследования показали, что если адсорбция и десорбция на поверхности кристалла отсутствуют, то частота колебаний не зависит от величины давления во всем диапазоне высокого и сверхвысокого вакуума. Несмотря на то, что пластины, вырезанные в направлении АТ-среза, имеют наименьший возможный температурный коэффициент частоты, все же необходимо принимать специальные меры, чтобы уменьшить изменение температуры кристалла за счет излучения от испарителя и выделения теплоты конденсации. Поэтому кристаллодержатель обычно охлаждается водой и образует радиационный экран, который окружает весь кристалл, за исключением рабочей поверхности. Тепло, получаемое по необходимости открытой поверхностью, все же вызывает увеличение температуры кристалла на несколько градусов Цельсия, что приводит к сдвигу частоты от 10 до 100 Гц или эквивалентному изменению в массе от 10^-7 до 10^-8 г/см^2. Этот эффект можно ослабить, если исполь¬зовать входное отверстие с малым диаметром, однако при проведении точных измерений им нельзя вовсе пренебрегать. Берндт рекомендует на время, когда датчик открыт для испарителя и паров испаряемого вещества, держать заслонку перед подложкой закрытой. Это приводит к тому что основные изменения температуры датчика произойдут до того, как начнется осаждение веществ на подложку.Основными приборами, необходимыми для работы датчика, являются генератор и частотометр. Для измерения малых изменений частоты на уровне резонансной частоты /„ необходимо использовать дорогие приборы, позволяющие проводить измерения с точностью до седьмого знака. Обычно используют генератор сравнения, содержащий второй кристалл. Сигнал от этого генератора с фиксированной частотой и сигнал от детектора пода¬ются на смеситель, на выходе которого появляется сигнал промежуточной частоты. Этот сигнал и сигнал от генератора с плавно регулируемой час¬тотой поДайТсй на второй смеситель. Преимущества такого прибора заключаются в том, что он позволяет работать в области частот, где наблюдается наибольшая чувствительность, независимо от толщины пленки, осажденной на поверхности кристалла. Выходной сигнал находится в области звуковых частот и управляет пересчетной схемой. Из "Технология тонких плёнок справочник Под редакцией Л.Майселла Р.Гленга"