薄膜材料的表征方法.ppt

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1、第六章薄膜材料的表征方法第一節(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一節(jié)薄膜厚度測(cè)量技術(shù)一、薄膜厚度的光學(xué)測(cè)量方法二、薄膜厚度的機(jī)械測(cè)量方法一、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。2、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）法等厚干涉條紋的測(cè)量裝置如圖（a）所示。首先，在薄膜的臺(tái)階上下均勻地沉積上一層高反射率的金屬層。然后在薄膜上覆蓋上一塊半反半透的平面鏡。由于在反射鏡與薄膜表面之間一般總不是完全平行的，因而在單色光的照射下，反射鏡和薄膜之間

2、光的多次反射將導(dǎo)致等厚干涉條紋的產(chǎn)生。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。3、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，如圖中針對(duì)n1不同，而n2=1.5時(shí)的情況所畫出的那樣，對(duì)于n1>n2的情況，反射極大的位置出現(xiàn)在在兩個(gè)干涉極大之間是相應(yīng)的干涉極小。對(duì)于n1

3、薄膜厚度的測(cè)量，需要設(shè)計(jì)出強(qiáng)振蕩關(guān)系的具體測(cè)量方法。（1）利用單色光入射，但通過改變?nèi)肷浣嵌龋胺瓷浣嵌龋┑姆椒▉頋M足干涉條件的方法被稱為變角度干涉法（VAMFO），其測(cè)量裝置原理圖如圖。（2）使用非單色光入射薄膜表面，在固定光的入射角度的情況下，用光譜儀分析光的干涉波長，這一方法被稱為等角反射干涉法（CARIS）。返回二、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。優(yōu)點(diǎn)：

4、簡單，測(cè)量直觀；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。2、稱重法如果薄膜的面積A、密度ρ和質(zhì)量m可以被精確測(cè)定的話，由公式就可以計(jì)算出薄膜的厚度d。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。3石英晶體振蕩器法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

5、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。返回第二節(jié)薄膜結(jié)構(gòu)的表征方法一、簡介二、掃描電子顯微鏡三、透射電子顯微鏡四、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、原子力顯微鏡（AFM）返回一、簡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

6、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。返回二、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。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)這束電子施加了一個(gè)總在不斷變化的偏轉(zhuǎn)力，從而使它按一定的規(guī)律掃描被觀察的樣品表面的特定區(qū)域上。優(yōu)點(diǎn)：提供清晰直觀的

7、形貌圖像，分辨率高，觀察景深長，可以采用不同的圖像信息形式，可以給出定量或半定量的表面成分分析結(jié)果等。1、二次電子像二次電子是入射電子從樣品表層激發(fā)出來的能量最低的一部分電子。二次電子低能量的特點(diǎn)表明，這部分電子來自樣品表面最外層的幾層原子。用被光電倍增管接收下來的二次電子信號(hào)來調(diào)制熒光屏的掃描亮度。由于樣品表面的起伏變化將造成二次電子發(fā)射的數(shù)量及角度分布的變化，如圖（c），因此，通過保持屏幕掃描與樣品表面電子束掃描的同步，即可使屏幕圖像重現(xiàn)樣品的表面形貌，而屏幕上圖像的大小與實(shí)際樣品上的掃描面積大小之比即是掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)。特點(diǎn)：有較高的

8、分辨率。2、背反射電子像如圖（b）所示，除了二次電子之外，樣品表面還會(huì)將相當(dāng)一部分的入射電子反射回來。這部分被樣品表面直接