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1、薄膜材料與技術(shù) ThinFilmMaterials&Technologies武濤副教授 2008年秋季學(xué)期役鼎騷啡霓路牡樣逃佯富掀拈掠郵俯吟規(guī)智緊岡哼閹疇膘焉勻抵驗(yàn)豈寢濃01190660薄膜材料與技術(shù)05級(jí)第5章薄膜表征01190660薄膜材料與技術(shù)05級(jí)第5章薄膜表征薄膜厚度及沉積率表征方法的主要分類：5.1.1氣相原子密度法一、測(cè)量原理(如右圖所示，與電離真空計(jì)類似)：1、氣相原子進(jìn)入探頭?燈絲熱電子轟擊?電離； 2、電場(chǎng)作用下：電離出的電子→陽(yáng)極、離子→陰極(收集極)； 3、收集極電流Ii和
2、陽(yáng)極電流Ie滿足：Ii?nIe沉積速率()滿足：膜厚D滿足：此處：n—?dú)庀嗔Ｗ用芏龋?—膜材料密度；a—常數(shù)。二、特點(diǎn)：1、膜厚測(cè)量的相對(duì)誤差≈10%； 2、測(cè)量結(jié)果和蒸發(fā)源溫度及殘余氣體氣壓有關(guān)(分別影響a和Ii)。5薄膜表征5.1薄膜的厚度/沉積速率諒矩轉(zhuǎn)準(zhǔn)符蛇艾痞肅貓入匪線映蟻徽安雇誠(chéng)軒巖郭咸佩感恩端蘿恩芯戈騾01190660薄膜材料與技術(shù)05級(jí)第5章薄膜表征01190660薄膜材料與技術(shù)05級(jí)第5章薄膜表征1、測(cè)量原理：調(diào)整線圈電流，使薄膜增重引起的重力力矩 和線圈所產(chǎn)生磁場(chǎng)與吸鐵間的磁場(chǎng)
3、力達(dá)到平衡， 即可換算出薄膜質(zhì)量，而薄膜厚度滿足：2、特點(diǎn)：靈敏度很高(<0.01?g)，可測(cè)單層原子膜厚。5.1.3石英晶體振蕩法1、測(cè)量原理：基于石英晶體薄片的固有振蕩頻率隨其質(zhì)量變化 而改變的物理現(xiàn)象，石英晶體的固有頻率滿足：式中：v—厚度方向彈性波波速；Dq—石英晶體的厚度。當(dāng)薄膜沉積使其厚度發(fā)生微小變化?Dq時(shí)，固有頻率的變化?f滿足：式中：Df—薄膜的厚度；?f—薄膜材料的密度；A—石英晶片的面積；?0—石英晶體的密度。5薄膜表征5.1薄膜厚度/沉積速率5.1.2微平衡稱重法微平衡稱重
4、法的測(cè)量原理示意圖石英晶體振蕩法的測(cè)量原理示意圖獅暑螢撞藝駭品士幢卓矯恐特化訟庭蒼恒袖勛劈操菲廚雇袱汐窘拴醇享拿01190660薄膜材料與技術(shù)05級(jí)第5章薄膜表征01190660薄膜材料與技術(shù)05級(jí)第5章薄膜表征1、測(cè)量原理：?由(5-4)式可知：沉積過(guò)程中隨著薄膜厚度的增加，石英晶片 的固有頻率也在不斷變化，測(cè)得其故有頻率的變化?f，即可 由式(5-5)實(shí)時(shí)測(cè)得薄膜厚度Df：2、特點(diǎn)：1）測(cè)量的靈敏度與石英晶體薄片的厚度有關(guān)，越薄越靈敏！由式(5-3)可知：Dq??f0?由式(5-5)可知：f0
5、??Df的測(cè)量靈敏度??！■如固有頻率f0=6MHz時(shí)，若頻率變化的測(cè)量精度為1Hz，則可測(cè)得1.2×10-8g的質(zhì)量變化！此時(shí)假設(shè)基片面積為1cm2，沉積材料為Al，則厚度靈敏度相當(dāng)于0.05nm！2）應(yīng)用廣泛、主要用于實(shí)時(shí)測(cè)量沉積率?實(shí)現(xiàn)鍍膜過(guò)程自動(dòng)控制！3）環(huán)境溫度變化會(huì)造成石英晶體固有頻率發(fā)生變化?要求恒溫環(huán)境?需要冷卻系統(tǒng)！4）式(5-5)只是近似成立，且薄膜的有效面積不完全等于石英片面積?測(cè)量結(jié)果需要標(biāo)定和校正！5薄膜表征5.1薄膜厚度/沉積速率5.1.3石英晶體振蕩法石英晶體振蕩法的
6、測(cè)量原理示意圖訓(xùn)阿蛀吶襟新繭揪拿緣燴國(guó)符變?nèi)庸{籮錫喀只豬眺弧棒屜仙曰抄芝選偵想01190660薄膜材料與技術(shù)05級(jí)第5章薄膜表征01190660薄膜材料與技術(shù)05級(jí)第5章薄膜表征1、光的干涉條件(不考慮半波損失)：1）什么是光的干涉：指滿足一定條件的兩列相干光波相遇疊加，在疊加 區(qū)域某些點(diǎn)的光振動(dòng)始終加強(qiáng)、某些點(diǎn)始終減弱， 即干涉區(qū)域內(nèi)光強(qiáng)產(chǎn)生穩(wěn)定空間分布的現(xiàn)象。?光的干涉現(xiàn)象是光學(xué)干涉法測(cè)量薄膜厚度的基礎(chǔ)！2）相干光：?概念：頻率、振動(dòng)方向相同，且光程差恒定的兩束光；?獲得：把同一光源發(fā)出的光束
7、分為兩束，再使之相遇！3）光程差：設(shè)薄膜的厚度和折射率分別是Df和nf，入射單色光波長(zhǎng)為?， 空氣的折射率n0≈1，則P點(diǎn)處反射光ADP與折-反射光CEP 間的光程差?滿足:式中：?—折射角，滿足：4）干涉條件：?干涉極大條件——?是?的整數(shù)倍，即：?=N?； ?干涉極小條件——?=(N+1/2)?！可見(jiàn)：利用光的干涉實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜厚度的測(cè)量，需要設(shè)計(jì)出對(duì)光強(qiáng)空間 分布變化的具體測(cè)量方法！5薄膜表征5.1薄膜厚度/沉積速率5.1.4光學(xué)干涉法光的干涉現(xiàn)象及其實(shí)現(xiàn)薄膜厚度測(cè)量的原理篇于捌運(yùn)扣和拙時(shí)之絆誤
8、脅溶傲果警賓境雌銥涌被辟弟窟彪宵編燴芭恐股01190660薄膜材料與技術(shù)05級(jí)第5章薄膜表征01190660薄膜材料與技術(shù)05級(jí)第5章薄膜表征2、透明薄膜的等傾干涉測(cè)量：1）測(cè)量原理：基片不透明且具有一定反射率時(shí)，光的干涉條件為：式中：N—干涉級(jí)數(shù)；?—光的波長(zhǎng)；nf—薄膜的折射率；?'—干涉極值出現(xiàn)的角度。2）分析：?薄膜的折射率nf已知：則直接由干涉極值出現(xiàn)的角度?'即可擬合出N和膜厚D；?如果nf未知：可假定一個(gè)nf的初始值，由一系列干涉極值出現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的入射角?'擬合出nf。
