Lecture1-2精密显微技术2_34304144

1、 2. 精密显微技术21 光学干涉的测量的基本原理和构成22 光学外差干涉显微技术23 纳米轮廓测量技术24 其他检测技术精密显微技术纳米轮廓测量技术触针法 机械触针(电感电容光学) 电子触针(STM/AFM) 光学触针(象散法临界角法双焦距法)干涉图象处理法 静态(三角法(光切), 静态干涉,扫描电镜) 动态比较法 电容法 光学散射光强 光纤光强 珐琅和费法表面粗糙度与表面微观形貌表面粗糙度与表面微观形貌都是表征表面特性的物理量，同属于几何量测量。表面粗糙度是表征表面微观特性的综合性指标，它强调的是表面由于微观结构的不同所体现出来的对外特性的变化；表面粗糙度测量获得的是表面二维测量信息 。表

2、面微观形貌是关于表面内部微观结构的表征物理量。表面微观形貌需要获得的是表面三维信息 。表面微观形貌测量分析发展概况 1970 年，D. J. Grieve 等基于Talysurf 仪设计了一个系统，它可以以间距7.5m 和15m记录接近平行的轮廓。所记录的轮廓通过模数转换输入计算机，产生一些参数和等高图。 80 年代初单板机的出现，使得三维表面形貌测量分析重新复苏 。开始时大多都是在二维轮廓仪测量原理的基础上，加一纵向移动导轨，再配计算机而构成 。 80 年代G. Binnig和H. Rohrer发明的STM和AFM，以及在此基础上发展的各种SPM技术 。 近几年非接触式光学干涉仪、光斑法、光

3、散射和X射线干涉等技术的发展，使得三维微观形貌测量仪更加商品化和实用化 。表面微观形貌的表征方法图形表征方法等高图具有相同高度的点用直线或曲线连接，并用线性插值求找其余的交叉点。投影图数据点的有效表示是基于等轴的或正视的投影。每点用直线或曲线与它的邻近点内接，去掉一些隐藏线以简化视觉。 参数表征方法幅度参数空间参数综合参数功能参数机械探针式测量方法概述机械探针测量方法是开发较早、研究最充分的一种表面轮廓测量方法。测量原理它利用机械探针接触被测表面，当探针沿被测表面移动时，被测表面的微观凹凸不平使探针上下移动，其移动量由与探针组合在一起的位移传感器测量，所测数据经适当的处理就得到了被测表面的轮廓

4、。 机械探针测量原理示意图 2021-12-139分辨率、测量范围及其局限性 分辨率纵向：0.1nm横向：0.05m-0.25m 测量范围较大 局限性不宜用于测量铜、铝等软金属表面或涂有光刻胶等薄膜的表面 光学干涉的测量的基本原理和构成迈克尔逊干涉仪干涉显微镜单频激光干涉测距仪缺点: 通过干涉条纹判读 光波衍射极限的影响(横向)激光干涉测长技术(单频)光学外差干涉显微技术 外差技术-通过载波调制,直接测相的一种技术 调制方式:双波长(气体吸收,半导体外腔等)双频(塞曼分裂,石英晶体频率分裂)声光调制波长调制参考面振动测量面振动微分干涉仪 原理 微分干涉仪 微分干涉相称显微镜又称Nomarski

5、显微镜，由法国人Nomarski在1955年提出的。 其基本原理如图所示，偏振光通过Wollaston棱镜，分成两束在物体表面反射，再通过棱镜变成椭圆偏振光，其中包含了物体的形貌信息。对椭圆偏振光进行分析就能得到物体的形貌信息。 检偏器起偏器半透半反镜Wollaston棱镜物镜被测表面Nomarski显微镜微分干涉仪棱镜引起的附加初相位为NomarskihIiIi4)5 . 0(sin)5 . 0(cos2221对光电元件接收到的信号放大后，进行加减相除运算其中光点的直径和两光点之间的间隔由所用的聚焦物镜决定)(4很小由于,)4sin(，有90棱镜，使Normarski通过过调) 4cos(2

6、12121VVVhhVVVhVVVh特点： 共光路干涉仪，机械振动影响小 共模抑制信号处理 精度主要取决标定时的参考高度基准，还有被测表面反射率变化引起的光学相位变化 高度分辨力由系统电噪声和数字系统的量化精度决定 空间分辨力由物镜的焦距和采样间隔决定 可以测量反射率较低的表面相移技术 原理参考面振动/测量面振动外差干涉技术TOPO系统光路原理图 干涉光束的相位差包含两项，一项是反映工件表面的微观不平度的初始相位，另一项是移项器附加的相位。 由于采用的是直接测量相位以获得表面的微观形貌，因此可直接得到轮廓曲线。 光电探测器感知的光强为：为移相步长) 1(2)cos(22121iNIIIIIii

7、 通过对多组步长的数据进行分析可得 可见该方法对背景光强的不均匀不敏感，而且不受干涉光强调制信号的影响，条纹对比度很低也能有较好的效果NiiiNiiiIIarctg11cossin双频外差干涉技术双频外差干涉技术声光调制外差干涉技术半导体激光波长调制外差干涉技术象散法显微测量技术基于临界角法的测试技术（四）扫描电子显微镜测量方法测量原理利用聚焦电子束作为电子探针，探针扫描被测表面时，二次电子从被测表面激发出来，二次电子的强度与被测表面形貌有关，因此利用探测器测出二次电子的强度，便可处理出被测表面的几何形貌。分辨率纵向：10nm横向：2nm基于光散射光强检测法测试技术基于珐琅和费法的测试技术三角

8、法光学测试技术其他方法 X射线干涉测量技术FOCODYN光学探针微米微米/ /纳米测试分析技术纳米测试分析技术 微米微米/ /纳米结构的成分分析纳米结构的成分分析 微米微米/ /纳米显微术纳米显微术 微米微米/ /纳米结构的缺陷分析纳米结构的缺陷分析 扫描探针显微镜技术扫描探针显微镜技术微米微米/ /纳米结构的成分分析纳米结构的成分分析 质谱技术 SIMS是一种很灵敏的表面成分分析工具。它用一次离子束轰击表面，将样品表面的原子溅射出来成为带电的离子，然后用磁分析器或四极滤质器所组成的质谱仪分析离子的质荷比，便可知道表面的成分。进行微区成分分析的质谱二次离子分析工具可称为离子显微镜。微米微米/

9、/纳米结构的成分分析纳米结构的成分分析俄歇纳米探针 俄歇电子能谱是一种极为常用的表面成分分析方法，它虽然灵敏度不如SIMS，但它可以做定量或半定量分析，并且对样品的破坏性也比SIMS来得小用能量为n个KeV的一次电子束入射到固体表面，它会激发表面原子的某一壳层电子电离（例如K壳层），而在该壳层上留下一个空穴无辐射跃迁，即将这部分能量去激发另一电子壳层中的另一个电子，使它脱离固体表面，这个电子就是俄歇电子各种元素都有自己对应的俄歇跃迁峰能量，因而根据俄歇电子能谱便可知道元素的种类，进行成份鉴定微米微米/ /纳米结构的成分分析纳米结构的成分分析 质子感生X荧光和核子探针 质子感生X荧光（PIXE）

10、是利用加速器进行成分分析的一种方法。利用静电加速器产生的质子束打到样品表面，质子的能量足以使得原子的能级电离，该能级的退激发过程可以是较高能级处的电子跃迁下来填补空位，而将多余的能量以X荧光发射出来，这种特征X射线可以作为元素识别的标记 为了微区分析的目的，要将质子束的束斑减小，并使它在样品表面扫描，成为一种获得元素分布的测量器件，称之为核子微探针或核子显微镜微米微米/ /纳米显微术纳米显微术 扫描电子显微镜与透射电子显微镜 正电子再发射显微镜 软X射线显微镜 扫描光声显微镜扫描电子显微镜与透射电子显微镜扫描电子显微镜由电子枪、聚光镜、物镜、电子束偏转线圈和信号探测系统等组成。电子束经聚光镜、

11、物镜聚焦到厚样品表面，最小束斑直径可达nm量级。电子进入样品后，经过复杂的散射过程，可产生二次电子、背散射电子、X射线、俄歇电子和阴极发光等，有一部分电子被样品所吸收，背散射电子和二次电子的产生均与样品表面的性质有关，因而不同的元素或不同的结构，所得到的背散射电子或二次电子的衬度是不同的。让电子束在样品表面扫描，用闪烁晶体和光电倍增管作为二次电子探测器，或用固体探测器探测背散射电子，便可得到SEM像。正电子再发射显微镜 它是1984年美国橡树岭国家实验室的Hulett等人首先提出的。它的基本思想是用能量为1一10KeV的正电子束射到样品上，经过非弹性碰撞，失去大部分能量，其中有一部分正电子会从

12、样品表面逸出（再发射），能量约为1eV，经加速和成像系统放大，由通道式电子倍增器系统接收后在荧光屏上成像。样品的结构、取向和成分的不均匀都会造成正电子再发射率的变化，从而在像上引起衬度。晶体中的缺陷（如位错、空位或晶界等）能捕获正电子，也会在像上显示出衬度。正电子再发射显微镜（PRM）也有反射式和透射式两类软X射线显微镜 用X射线代替可见光做光学显微镜，显然会以使分辨率得到很大提高。X射线与物质相互作用的特点使它能适用于较厚的样品，并且在辐射损伤允许的剂量下分辨率仍可达到10nm左右扫描光声显微镜 它所依据的原理是光声效应（或光热效应）。将一束激光照射到样品（透明或不透明），光能的全部或一部分

13、被样品所吸收，样品中的原子便处于激发态。通过无辐射的退激发过程，将吸收的光能转化为热能。如果对光束的强度进行调制（一般使用频率为几十到几百Hz的斩波器），则样品上产生的热流成为周期性的声信号，其频率与光调制频率相同，而它的振幅和位相则取决于样品材料的特性。将样品放在一个光声盒中，用微音器来接收所产生的声信号，这样便得到了光声效应微米微米/ /纳米结构的缺陷分析纳米结构的缺陷分析 激光扫描层析技术（LST） 纳米激光雷达 纳米轮廓测量术激光扫描层析技术（LST） 原理是：利用激光束在透明或半透明的样品中受到缺陷的散时，让激光束在样品的一个平面内扫描，在垂直于这个平面的方向收集散射光，就可以得到一

14、幅缺陷的图象。改变激光束扫描平面在样品内的深度，就可获得反映缺陷分布的层析图样。 Si、GaAs等半导体在波长大于081.2m时是透明的，可以用一个近红外1.06um的YAG激光作为扫描光源，并用一个近红CCD传感器接收后,送到微处理器处理纳米激光雷达 对于表面层的厚度只有是零点几微米（如离子注入层）,或几个微米（如多层膜结构），我们可以用激光进行探测和测量其距表面的距离，它能够探测纳米级的聚积物，并且又能定出其深度的位置达到纳米级的分辨率。该方法被称之为纳米激光雷达。 测试方法其实是简便的，基本上是光学显微术，照明是暗场透射，同时采用高数值孔径（NA09）的物镜以获得很小的景深。对相应的纵深

15、截面测量作外推，得出高分辨率的深度测量纳米轮廓测量术 触针式轮廓仪（或称台阶仪） 轮廓仪靠的是机械的方法，它虽然很直观简便，但对样品表面有破坏作用，而且有时重复性很差。 干涉相衬显微镜 干涉相衬显微镜则是一种快速、高分辨率和非破坏性的方法扫描探针显微镜技术扫描探针显微镜技术 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 原子力显微镜原子力显微镜 其它扫描显微镜其它扫描显微镜 利用STM测量表面微观形貌扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜STM的优点 （1） 具有原子级的极高分辨率。平行和垂直于表面方向的分辨率分别可达1和0.1，即可以分辨出单个原子。 （2） 可实时地得到在实空间中表面的三维图象，可用于具有周期性或不

16、具备周期性的表面结构。这种可以实时观测的性能非常有利于对表面反应、扩散等动态过程的研究。 （3） 可以得到单原子层表面的局部结构，而不是对体相的平均性质。因此可以直接观测到局部的表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。 （4） 可在真空、大气、常温、低温等不同条件下工作，甚至样品可浸在水、电解液中。这些特点非常适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的表征，例如对催化机理、超导材料的超导机制、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。 （5） 在获得样品表面形貌的同时，亦可得到扫描隧道谱（STS），可用它研究表面的电子结构，如表面价电子轨道状态、表面电子陷阱

17、、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。 （6） 用STM针尖可以操纵单个的原子或分子，可对表面进行纳米尺度上的微米/纳米加工。利用AFM测量表面微观形貌 AFM 的基本原理：基于探针与样品之间的原子相互作用力，探针置于悬臂梁上，利用光学杠杆法或位移传感器测出悬臂梁在原子力作用下的变形，便可测出被测表面的形貌。 AFM的三种工作模式接触模式接触模式AFM 探针与物体表面发生极其轻微的“物理接触”，探针受到排斥力。探针的悬臂具有非常低的弹簧系数(0. 62. 8 N/ m) 。当探针在样品表面上扫描时，悬臂所受到的力使它根据样品表面形状的变化而发生弯曲。即使设计刚度很大的悬臂以便在样品表面上施

18、加更大的力，探针与样品表面之间的那种原子间的距离也不会因此而缩小很多，取而代之的是样品表面发生变形。 AFM的三种工作模式非接触模式非接触模式在非接触模式下，AFM 悬臂在物体表面附近振动。探针和物体表面在几到几十纳米的距离。这个距离在范德华曲线的非接触段。非接触模式实现了在测量物体表面形状过程中几乎很少或不接触。工作在范德华曲线的非接触段，探针与被测表面间的相互作用力非常小，一般在10 - 12N 左右。这么小的力适合于对柔软物体或弹性物体的研究。另外一个优点是这种方式能够避免对被测量物体表面，如硅片表面等的污染。 AFM的三种工作模式间断接触模式间断接触模式间断接触模式能够避免当探针在被测表面上扫描时，产生横向摩擦力而损坏弹性模量较小或柔软的表面。在扫描物体表面时，悬臂在共振频率附近振动，探针被控制接近物体表面，直到探针间断接触该表面。由于探针与物体表面的接触是断续的，因此它们之间不会产生摩擦力而损坏物体表面。原子力显微镜原子力显微镜分辨率、优缺点分辨率纵向：0.05nm横向：1nm。 优缺点分辨率高；环境要求高，振动和热漂移影响大；无法测量非导电表面 。 表面三维形貌