《薄膜材料的表征》PPT課件

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1、第四章薄膜材料的表征也稱薄膜材料的研究方法薄膜材料在應用之前，對其進行表征是很重要的，一般包括薄膜厚度的測量、薄膜形貌和結(jié)構(gòu)的表征、薄膜的成分分析，這些測量分析結(jié)果也正是薄膜制備與使用過程中普遍關(guān)心的問題。薄膜研究的方法很多，它們分別被用來研究薄膜的結(jié)構(gòu)、組分和物理性質(zhì)。研究結(jié)構(gòu)的衍射方法包括X射線衍射、電子衍射、反射高能電子衍射、低能電子衍射、氦原子散射等。觀察顯微圖像的方法有：透射電子顯微術(shù)、反射電子顯微術(shù)、低能電子顯微術(shù)，利用微電子束掃描而成的掃描電子顯微術(shù)和1981年發(fā)明的掃描探針顯微術(shù)。材料組分分析方法主要有電子束激發(fā)的X射線能譜、俄歇電子能譜、光電子能譜、二次離

2、子質(zhì)譜(SIMS)、離子束的盧瑟福背散射譜等。對薄膜材料性能進行檢測的手段很多，它們分別被用來研究薄膜的結(jié)構(gòu)、組分和物理性質(zhì)。隨著薄膜材料應用的多樣化，其研究手段和對象也越來越廣泛。特別是對各種微觀物理現(xiàn)象利用的基礎上，發(fā)展出了一系列新的薄膜結(jié)構(gòu)和成分的檢測手段，為對薄膜材料的深入分析提供了現(xiàn)實的可能性。第一節(jié)薄膜厚度的測量薄膜的厚度是一個重要的參數(shù)。厚度有三種概念：幾何厚度、光學厚度和質(zhì)量厚度幾何厚度指膜層的物理厚度。表4.1薄膜厚度測量方法一、薄膜厚度的光學測量法薄膜厚度的測量廣泛用到了各種光學方法，因為光學方法不僅可被用于透明薄膜，還可被用于不透明薄膜，不僅使用方便，

3、而且測量精度較高。這類方法所依據(jù)的原理一般是不同薄膜厚度造成的光程差引起的光的干涉現(xiàn)象。1．光的干涉條件首先研究一層厚度為d、折射率為n的薄膜在波長為λ的單色光源照射下形成干涉的條件。顯然要想在P點觀察到光的干涉極大，其條件是直接反射回來的光束與折射后又反射回來的光束之間的光程差為光波長的整倍數(shù)。圖4.1薄膜對單色光的干涉條件薄膜對單色光的干涉條件其中，N為任意正整數(shù)，AB、BC和AN為光束經(jīng)過的線路長度（它們分別乘以相應材料的折射率即為相應的光程），θ為薄膜內(nèi)的折射角，它與入射角之間滿足折射定律干涉極小的條件觀察到干涉極小的條件是光程差等于(N+1/2)λ。但在實際使用式

4、（4.1）時，還要考慮光在不同物質(zhì)界面上反射時的相位移動。具體來說，在正入射和掠入射的情況下，光在反射回光疏物質(zhì)中時光的相位移動相當于光程要移動半個波長，光在反射回光密物質(zhì)中時其相位不變。而透射光在兩種情況下均不發(fā)生相位變化。2．不透明薄膜厚度的測量如果被研究的薄膜是不透明的，而且在沉積薄膜時或在沉積之后能夠制備出待測薄膜的一個臺階，那么即可用等厚干涉條紋或等色干涉條紋的方法方便地測出臺階的高度。圖4.2等厚干涉條紋法測量薄膜厚度示意圖等厚干涉條紋法出現(xiàn)光的干涉極大的條件為薄膜（或襯底）與反射鏡之間的距離S引起的光程差為光波長的整數(shù)倍，即等厚干涉條紋法反射鏡與薄膜間傾斜造成

5、的間距變化以及薄膜上的臺階都會引起光程差S的不同，因而會使從顯微鏡中觀察到的光的干涉條紋發(fā)生移動，如圖4.2(b)所示。由上式可得，反射鏡與薄膜間的間距差所造成的相鄰條紋的間隔應滿足條件因此，條紋移動所對應的臺階高度應為等色干涉條紋法等色干涉條紋法與上一方法的實驗裝置基本相同，但也稍有不同。這一方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，并采用光譜儀分析干涉極大出現(xiàn)的條件。這樣，不再出現(xiàn)反射鏡傾斜所引起的等厚干涉條紋，但由光譜儀仍然可以檢測到干涉極大。相鄰兩次干涉極大的條件為：3．透明薄膜厚度的測量對于透明薄膜來說，其厚度也可以用上述的等厚干涉法進行測

6、量，這時仍需要在薄膜表面制備一個臺階，并沉積上一層金屬反射膜。但透明薄膜的上下表面本身就可以引起光的干涉，因而可以直接用于薄膜的厚度測量而不必預先制備臺階。但由于透明薄膜的上下界面屬于不同材料之間的界面，因而在光程差計算中需要分別考慮不同界面造成的相位移動。透明薄膜厚度測量的干涉法在薄膜與襯底均是透明的且它們的折射率分別為n1和n2的情況下，薄膜對垂直入射的單色光的反射率隨著薄膜的光學厚度n1d的變化而發(fā)生振蕩，如圖4.3所示，n1不同而n2=1.5時，若n1>n2，反射極大的位置出現(xiàn)在圖4.3透明薄膜對垂直入射的單色光的反射率隨著薄膜的光學厚度的變化曲線透明薄膜厚度測量的

7、干涉法式中，為單色光波長，m為任意非負的整數(shù)。在兩個干涉極大之間是相應的干涉極小。若n1