第6章+薄膜材料的表征方法ppt課件.ppt

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1、第六章薄膜材料的表征方法1第一節(jié)薄膜厚度測(cè)量技術(shù)第二節(jié)薄膜結(jié)構(gòu)的表征方法第三節(jié)薄膜成分的表征方法第四節(jié)薄膜附著力的測(cè)量方法2第一節(jié)薄膜厚度測(cè)量技術(shù)1、薄膜厚度的光學(xué)測(cè)量方法2、薄膜厚度的機(jī)械測(cè)量方法31、薄膜厚度的光學(xué)測(cè)量方法1）光的干涉條件觀察到干涉極小的條件是光程差等于（N+1/2）λ。42）不透明薄膜厚度測(cè)量的等厚干涉條紋（FET）和等色干涉條紋（FECO）法等色干涉條紋法需要將反射鏡與薄膜平行放置，另外要使用非單色光源照射薄膜表面，并采用光譜議分析干涉極大出現(xiàn)的條件。53）透明薄膜厚度測(cè)量的干涉法在薄膜與襯底均是透明的，而且它們的折射率分

2、別為n1和n2的情況下，薄膜對(duì)垂直入射的單色光的反射率隨著薄膜的光學(xué)厚度n1d的變化而發(fā)生振蕩。6對(duì)于n1>n2的情況，反射極大的位置出現(xiàn)在對(duì)于n1

3、法僅涉及到薄膜厚度引起的光程差變化以及其導(dǎo)致的光的干涉效應(yīng)。84）薄膜測(cè)量的橢偏儀（Ellipsometer）法橢圓偏振測(cè)量（橢偏術(shù)）是研究?jī)擅劫|(zhì)界面或薄膜中發(fā)生的現(xiàn)象及其特性的一種光學(xué)方法，其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射時(shí)出現(xiàn)的偏振變換。橢圓偏振測(cè)量的應(yīng)用范圍很廣，如半導(dǎo)體、光學(xué)掩膜、圓晶、金屬、介電薄膜、玻璃(或鍍膜)、激光反射鏡、大面積光學(xué)膜、有機(jī)薄膜等，也可用于介電、非晶半導(dǎo)體、聚合物薄膜、用于薄膜生長(zhǎng)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等測(cè)量。結(jié)合計(jì)算機(jī)后，具有可手動(dòng)改變?nèi)肷浣嵌?、?shí)時(shí)測(cè)量、快速數(shù)據(jù)獲取等優(yōu)點(diǎn)。9實(shí)驗(yàn)原理：在一光學(xué)材料上鍍各向同

4、性的單層介質(zhì)膜后，光線的反射和折射在一般情況下會(huì)同時(shí)存在的。通常，設(shè)介質(zhì)層為n1、n2、n3，φ1為入射角，那么在1、2介質(zhì)交界面和2、3介質(zhì)交界面會(huì)產(chǎn)生反射光和折射光的多光束干涉。10橢偏儀測(cè)量薄膜厚度和折射率橢偏儀方法又稱為偏光解析法。其特點(diǎn)是可以同時(shí)對(duì)透明薄膜的光學(xué)常數(shù)和厚度進(jìn)行精確的測(cè)量，缺點(diǎn)是原理和計(jì)算比較麻煩。橢偏儀不僅可以用于薄膜的光學(xué)測(cè)量，而且可以被用于復(fù)雜環(huán)境下的薄膜生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而及時(shí)獲得薄膜生長(zhǎng)速度、薄膜性能等有用的信息。112、薄膜厚度的機(jī)械測(cè)量方法1）表面粗糙度儀法用直徑很小的觸針滑過被測(cè)薄膜的表面，同時(shí)記錄下觸針在垂

5、直方向的移動(dòng)情況并畫出薄膜表面輪廓的方法被稱為粗糙度儀法。這種方法不僅可以被用來測(cè)量表面粗糙度，也可以被用來測(cè)量薄膜臺(tái)階的高度。缺點(diǎn)：（1）容易劃傷較軟的薄膜并引起測(cè)量誤差；（2）對(duì)于表面粗糙的薄膜，并測(cè)量誤差較大。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，測(cè)量直觀122）稱重法就可以計(jì)算出薄膜的厚度d。如果薄膜的面積A、密度ρ和質(zhì)量m可以被精確測(cè)定的話，由公式缺點(diǎn)：它的精度依賴于薄膜的密度ρ以及面積A的測(cè)量精度。133）石英晶體振蕩器法原理：將石英晶體沿其線膨脹系數(shù)最小的方向切割成片，并在兩端面上沉積上金屬電極。由于石英晶體具有壓電特性，因而在電路匹配的情況下，石英片上將產(chǎn)生

6、固有頻率的電壓振蕩。將這樣一只石英振蕩器放在沉積室內(nèi)的襯底附近，通過與另一振蕩電路頻率的比較，可以很精確地測(cè)量出石英晶體振蕩器固有頻率的微小變化。在薄膜沉積的過程中，沉積物質(zhì)不斷地沉積到晶片的一個(gè)端面上，監(jiān)測(cè)振蕩頻率隨著沉積過程的變化，就可以知道相應(yīng)物質(zhì)的沉積質(zhì)量或薄膜的沉積厚度。優(yōu)點(diǎn)：在線測(cè)量、精確缺點(diǎn)：1、需對(duì)薄膜沉積設(shè)備進(jìn)行改裝；2、成本較高14第二節(jié)薄膜結(jié)構(gòu)的表征方法一、簡(jiǎn)介二、掃描電子顯微鏡（SEM）三、透射電子顯微鏡（TEM）四、X射線衍射方法五、低能電子衍射（LEED）和反射式高能電子衍射（RHEED）六、掃描隧道顯微鏡（STM）七、

7、原子力顯微鏡（AFM）15一、簡(jiǎn)介薄膜的性能取決于薄膜的結(jié)構(gòu)和成分。其中薄膜結(jié)構(gòu)的研究可以依所研究的尺度范圍被劃分為以下三個(gè)層次：（1）薄膜的宏觀形貌，包括薄膜尺寸、形狀、厚度、均勻性等；（2）薄膜的微觀形貌，如晶粒及物相的尺寸大小和分布、孔洞和裂紋、界面擴(kuò)散層及薄膜織構(gòu)等；（3）薄膜的顯微組織，包括晶粒內(nèi)的缺陷、晶界及外延界面的完整性、位錯(cuò)組態(tài)等。針對(duì)研究的尺度范圍，可以選擇不同的研究手段。16二、掃描電子顯微鏡ScanningElectronicMicroscope(SEM)工作原理：由熾熱的燈絲陰極發(fā)射出的電子在陽極電壓的加速下獲得一定的能量

8、。其后，加速后的電子將進(jìn)入由兩組同軸磁場(chǎng)構(gòu)成的透鏡組，并被聚焦成直徑只有5nm左右的電子束。裝置在透鏡下面的磁場(chǎng)掃描線圈對(duì)