薄膜材料的表征方法

1、第六章 薄膜材料的表征方法第一节 薄膜厚度测量技术第二节 薄膜结构的表征方法第三节 薄膜成分的表征方法第一节 薄膜厚度测量技术一、薄膜厚度的光学测量方法二、薄膜厚度的机械测量方法一、薄膜厚度的光学测量方法1、光的干涉条件()2cosn ABBCANndNsinsinn 观察到干涉极小的条件是光程差等于（N+1/2）。2、不透明薄膜厚度测量的等厚干涉条纹（FET）和等色干涉条纹（FECO）法等厚干涉条纹的测量装置如图（a）所示。 首先，在薄膜的台阶上下均匀地沉积上一层高反射率的金属层。然后在薄膜上覆盖上一块半反半透的平面镜。由于在反射镜与薄膜表面之间一般总不是完全平行的，因而在单色光的照射下，反

2、射镜和薄膜之间光的多次反射将导致等厚干涉条纹的产生。 等色干涉条纹法需要将反射镜与薄膜平行放置，另外要使用非单色光源照射薄膜表面，并采用光谱议分析干涉极大出现的条件。3、透明薄膜厚度测量的干涉法在薄膜与衬底均是透明的，而且它们的折射率分别为n1和n2的情况下，薄膜对垂直入射的单色光的反射率随着薄膜的光学厚度n1d的变化而发生振荡，如图中针对n1不同，而n2=1.5时的情况所画出的那样，对于n1n2的情况，反射极大的位置出现在1(21)4mdn在两个干涉极大之间是相应的干涉极小。对于n1n2的情况，反射极大的条件变为为单色光波长，m为任意非负的整数。1(1)2mdn为了能够利用上述关系实现对于薄

3、膜厚度的测量，需要设计出强振荡关系的具体测量方法。（1）利用单色光入射，但通过改变入射角度（及反射角度）的方法来满足干涉条 件的方法被称为变角度干涉法（VAMFO），其测量装置原理图如图。（2）使用非单色光入射薄膜表面，在固定光的入射角度的情况下，用光谱仪分析 光的干涉波长，这一方法被称为等角反射干涉法（CARIS）。返回二、薄膜厚度的机械测量方法1、表面粗糙度仪法 用直径很小的触针滑过被测薄膜的表面，同时记录下触针在垂直方向的移动情况并画出薄膜表面轮廓的方法被称为粗糙度仪法。这种方法不仅可以被用来测量表面粗糙度，也可以被用来测量薄膜台阶的高度。优点：简单，测量直观；缺点：（1）容易划伤较软的

4、薄膜并引起测量误差； （2）对于表面粗糙的薄膜，并测量误差较大。2、称重法 如果薄膜的面积A、密度和质量m可以被精确测定的话，由公式mdA就可以计算出薄膜的厚度d。缺点：它的精度依赖于薄膜的密度以及面积A的测量精度。3 石英晶体振荡器法 将石英晶体沿其线膨胀系数最小的方向切割成片，并在两端面上沉积上金属电极。由于石英晶体具有压电特性，因而在电路匹配的情况下，石英片上将产生固有频率的电压振荡。将这样一只石英振荡器放在沉积室内的衬底附近，通过与另一振荡电路频率的比较，可以很精确地测量出石英晶体振荡器固有频率的微小变化。在薄膜沉积的过程中，沉积物质不断地沉积到晶片的一个端面上，监测振荡频率随着沉积过

5、程的变化，就可以知道相应物质的沉积质量或薄膜的沉积厚度。返回第二节 薄膜结构的表征方法一、简 介二、扫描电子显微镜三、透射电子显微镜四、X射线衍射方法五、低能电子衍射（LEED）和反射式高能电子衍射 （RHEED）六、扫描隧道显微镜（STM）七、原子力显微镜（AFM）返回一、简 介薄膜的性能取决于薄膜的结构和成分。其中薄膜结构的研究可以依所研究的尺度范围被划分为以下三个层次：（1）薄膜的宏观形貌，包括薄膜尺寸、形状、厚度、均匀性等；（2）薄膜的微观形貌，如晶粒及物相的尺寸大小和分布、孔洞和裂纹、界面扩 散层及薄膜织构等；（3）薄膜的显微组织，包括晶粒内的缺陷、晶界及外延界面的完整性、位错组 态

6、等。针对研究的尺度范围，可以选择不同的研究手段。返回二、扫描电子显微镜Scanning Electronic Microscope (SEM)工作原理：由炽热的灯丝阴极发射出的电子在阳极电压的加 速下获得一定的能量。其后，加速后的电子将进 入由两组同轴磁场构成的透镜组，并被聚焦成直 径只有5nm左右的电子束。装置在透镜下面的磁场 扫描线圈对这束电子施加了一个总在不断变化的 偏转力，从而使它按一定的规律扫描被观察的样 品表面的特定区域上。优点：提供清晰直观的形貌图像，分辨率高，观察景深长， 可以采用不同的图像信息形式，可以给出定量或半定量 的表面成分分析结果等。1、二次电子像 二次电子是入射电子

7、从样品表层激发出来的能量最低的一部分电子。二次电子低能量的特点表明，这部分电子来自样品表面最外层的几层原子。用被光电倍增管接收下来的二次电子信号来调制荧光屏的扫描亮度。由于样品表面的起伏变化将造成二次电子发射的数量及角度分布的变化，如图（c），因此，通过保持屏幕扫描与样品表面电子束扫描的同步，即可使屏幕图像重现样品的表面形貌，而屏幕上图像的大小与实际样品上的扫描面积大小之比即是扫描电子显微镜的放大倍数。 特点：有较高的分辨率。2、背反射电子像如图（b）所示，除了二次电子之外，样品表面还会将相当一部分的入射电子反射回来。这部分被样品表面直接反射回来的电子具有与入射电子相近的高能量，被称为背反射电

8、子。接收背反射电子的信号，并用其调制荧光屏亮度而形成的表面形貌被称为背反射电子像。3、扫描电子显微镜提供的其他信号形式 扫描电子显微镜除了可以提供样品的二次电子和背反射电子形貌以外，同时还可以产生一些其他的信号，例如电子在与某一晶体平面发生相互作用时会被晶面所衍射产生通道效应，原子中的电子会在受到激发以后从高能态回落到低能态，同时发出特定能量的X射线或俄歇电子等。接收并分析这些信号，可以获得另外一些有关样品表层结构及成分的有用信息。返回场发射扫描电子显微镜 Field Emission SEM (FESEM)分辨率可达1-2 nm三、透射电子显微镜 Transmission Electroni

9、c Microscope特点：电子束一般不再采取扫描方式对样品的一定区域 进行扫描，而是固定地照射在样品中很小的一个 区域上；透射电子显微镜的工作方式是使被加速 的电子束穿过厚度很薄的样品，并在这一过程中 与样品中的原子点阵发生相互作用，从而产生各 种形式的有关薄膜结构和成分的信息。透射电子显微镜的基本工作模式有两种：影像模式和衍射模式。 两种工作模式之间的转换主要依靠改变物镜光栅及透镜系统电流或成像平面位置来进行。1、透射电子显微镜的衍射工作模式 在衍射工作模式下，电子在被晶体点阵衍射以后又被分成许多束，包括直接透射的电子束和许多对应于不同晶体学平面的衍射束。右图是不同薄膜材料在透射电子显微

10、镜下的电子衍射谱，通过对它的分析可以得到如下一些薄膜的结构信息：（1）晶体点阵的类型和点阵常数；（2）晶体的相对方位；（3）与晶粒的尺寸大小、孪晶等有关的晶体缺陷的显微结构方面的信息。2、透射电子显微像衬度形成 用物镜光栅取透射电子束或衍射电子束之中的一束就可以构成样品的形貌像。这是因为，样品中任何的不均匀性都将反映在其对入射电子束的不同的衍射本领上。对使用透射束成像的情况来讲，空间的不均匀性将使得衍射束的强度随位置而变化，因而透射束的强度也随着发生相应的变化。即不论是透射束还是衍射束，都携带了样品的不同区域对电子衍射能力的信息。将这一电子束成像放大之后投影在荧光屏上，就得到了样品组织的透射像

11、。电子束成像的方式可以被进一步细分为三种：（1）明场像 即只使用透射电子束，而用光栅档掉所有衍射束的成像方式。（2）暗场像 透射的电子束被光栅档掉，而用一束衍射束来作为成像光源。（3）相位衬度 允许两束或多束电子参与成像。右图是Au薄膜的高分辨率点阵像，从其中已可以分辨出一个个Au原子的空间排列。返回四、X射线衍射方法 特定波长的X射线束与晶体学平面发生相互作用时会发生X射线的衍射，衍射现象发生的条件即是布拉格公式2 sindn其中，为入射的X射线波长，d为相应晶体学面的面间距，为入射X射线与相应晶面的夹角，如图所示，而n为任意自然数。上式表明，当晶面与X射线之间满足上述几何关系时，X射线的衍

12、射强度将相互加强。因此，采取收集入射和衍射X射线的角度信息及强度分布的方法，可以获得晶体点阵类型、点阵常数、晶体取向、缺陷和应力等一系列有关的材料结构信息。解决薄膜衍射强度偏低问题的途径可以有以下三条：（1）采用高强度的X射线源。（2）延长测量时间。（3）采用掠角衍射技术。返回Ta=300oCTa=200oCTa=400oCTa=500oCas-depositedIntensity (arb.unit)2 (o)fcc-FeNi32030405060708090 100Ni3C五、低能电子衍射（LEED）和反射式高能电子衍射（RHEED）由2dsin=n可知，要想对薄膜的表面进行研究，可以采取

13、两种方法。1、采用波长较长的电子束，对应的电子束入射角和衍射角均比较大。由于这时 的电子能量较低，因而电子束对样品表面的穿透深度很小。2、采用波长远小于晶体点阵原子面间距的电子束。这时，对应的电子入射角和 衍射角均较小，因而穿透深度也只限于薄膜的表层。 下图分别对应低能及高能电子的衍射方法。返回六、扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope-STM）扫描隧道显微镜的基本原理是利用量子理论中的隧道效应。 将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于1nm），在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极，

14、这种现像即是隧道效应。 隧道电流I是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S和平均功函数有关：12exp()bIVAS Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，A是常数。 由上式可知，隧道电流强度对针尖与样品表面之间距非常敏感，如果距离S减小0.1nm，隧道电流I将增加一个数量级。因此利用电子反馈线路控制隧道电流的恒定，并用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面的扫描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出样品表面的起伏，如图（a）。将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹直接在荧光屏或记录纸上显示出来，就得到了样品表面态密度的分布或原子排列的图象。恒电流模式S为针尖与样品间距，I、Vb为隧道电流和偏置电

15、压，Vz为控制针尖在z方向高度的反馈电压。 对于起伏不大的样品表面，可以控制针尖高度守恒扫描，通过记录隧道电流的变化亦可得到表面态密度的分布，如图（b）。这种扫描方式的特点是扫描速度快，能够减少噪音和热漂移对信号的影响，但一般不能用于观察表面起伏大于1nm的样品。 任何借助透镜来对光或其它辐射进行聚焦的显微镜都不可避免的受到一条根本限制：光的衍射现象。由于光的衍射，尺寸小于光波长一半的细节在显微镜下将变得模糊。而STM则能够轻而易举地克服这种限制，因而可获得原子级的高分辨率。 从STM的工作原理可知，在STM观测样品表面的过程中，扫描探针的结构所起的作用是很重要的。如针尖的曲率半径是影响横向分

16、辨率的关键因素；针尖的尺寸、形状及化学同一性不仅影响到STM图象的分辨率，而且还关系到电子结构的测量。返回恒高度模式C60七、原子力显微镜（AFM） AFM的工作原理如图，将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力（10-810-6N），通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。返回Solid State Laborator

17、yDepartment of Electronic Engineering, CUHK Scanning Probe Microscope (SPM)Co23Ag77Co27Ag73Co31Ag69Co47Ag53Co70Ag30Co75Ag25Co 100%Co80Ag20第三节 薄膜成分的表征方法一、原子内的电子激发及相应的能量过程二、X射线能量色散谱（EDX）三、俄歇电子能谱（AES）四、X射线光电子能谱（XPS）五、卢瑟福背散射技术（RBS）六、二次离子质谱（SIMS）返回一、原子内的电子激发及相应的能量过程 在基态时，原子内层电子的排布情况可如示意性地如图(a)所示，其中，K、L、M

18、分别表示了1s、2s-2p、3s等电子态的相应壳层，而用L1、L2，3表示2s和2p两个亚壳层的电子态。 在外部能量的激发下，比如在外来电子的激发下，原子最内层的K壳层上的电子将会受到激发而出现一个空的能态，如图(b)所示。根据其后这一电子态被填充的过程不同，可能发生两种情况。（1）这一空能级被一个外层电子，比如M或L层的电子所占据，并在电子跃迁的同 时放出一个X射线光子，如图(c)所示。（2）空的K能级被外层电子填充的同时并不发出X射线，而是放出另一个外层电 子，如图(d)所示。这一能量转换过程被称为俄歇过程，相应放出的电子被 称为俄歇电子。(a) (b) (c) (d) 返回二、X射线能量

19、色散谱（EDX）X射线能量色谱仪又被简称为能谱仪。 作为一种常规成分分析仪器，它已被广泛安装于扫描和透射电子显微镜上，作为材料结构研究中主要成分分析手段。在这种情况下，电子显微镜产生的高能电子束既要完成提示材料结构特征的任务，又要起到激发材料中电子使其发射特征X射线的作用。 由于电子显微镜中的电子束可以被聚焦至很小的斑点，因而所得到的成分信息可以是来自样品中很小的一点。因此，X射线能量色散谱可以作为样品微区成分分析的手段。返回三、俄歇电子能谱（AES） 以电子束激发样品元素的内层电子，可以使得该元素发射出俄歇电子。接收、分析这些电子的能量分布，达到分析样品成分目的的仪器被称为俄歇电子能谱仪。

20、典型的俄歇能谱仪的示意图如图所示。为了使样品表面不受污染，俄歇电子能谱仪工作在10-8Pa的超高真空条件下。同时，在仪器中一般还配有离子枪，可以对样品表面进行离子溅射，以清洁样品表面或进行样品成分深度分析。返回四、X射线光电子能谱（XPS） 不仅电子可以被用来激发原子的内层电子，能量足够高的光子也可以作为激发源，通过光电效应产生出具有一定能量的光电子。X射线光电子能谱仪就是利用能量较低的X射线源作为激发源，通过分析样品发射出来的具有特征能量的电子，实现分析样品化学成分目的的一种分析仪器。在X射线光电子能谱仪的情况下，被激发出来的电子应该具有能量BEhE其中v为入射X射线的频率，EB是被激发出来

21、的电子原来的能级能量。在入射X射线波长固定的情况下，测量激发出来的光电子的能量E，就可以获得样品中元素含量和其分布的情况。返回0.00.51.0carbide bondsC-C bondsas-deposited 0.00.51.0 Ta=300 oCC/S (x103)2802822842862882900.00.51.0 Ta=400oCBinding Energy (eV)五、卢瑟福背散射技术（RBS） 具有较高能量而质量较小的离子在与物质碰撞的过程中会发生散射现象，这一相应的过程被称为卢瑟福散射。利用这一物理现象作为探测、分析薄膜材料的化学成分的分布的方法，被称为卢瑟福背散射技术。如图

22、(a)所示，由于离子能量很高而质量又很小，因而它将具有一定的对物质的穿透能力，并且不会造成物质本身的溅射。在穿透物质的同时，高能离子与物质间的相互作用可以被分为不同的两种情况：（1）高能离子在远离原子核的地方通过，并以不断激发原子周围的电子的方式 消耗自身的能量。（2）当离子的运动轨迹接近了物质的原子核时，它与后者之间将发生经典的弹 性碰撞过程。下图是卢瑟福背散射分析所使用的装置的示意图。返回Solid State LaboratoryDepartment of Electronic Engineering, CUHKSolid State LaboratoryDepartment of Electronic Engineering, CUHKAnalyser magnetIon SourcesAccelerator tubeElectrostatic quadruple triple lensExternal PIXE irradiation chamberIon-implantation ch