《功能薄膜技术》课件08 薄膜表征1

1、第八讲 薄膜的表征1薄膜厚度测量薄膜结构表征薄膜组分测量 薄膜厚度测量1 薄膜的厚度/沉积速率 主要分类1.1 气相原子密度法一、测量原理 (如右图所示，与电离真空计类似)：1、气相原子进入探头 灯丝热电子轰击 电离；2、电场作用下：电离出的电子阳极、离子阴极 (收集极)；3、收集极电流 Ii 和阳极电流 Ie 满足： Ii nIe 沉积速率 ( ) 满足： 膜厚 D 满足： 此处：n 气相粒子密度； 膜材料密度； a 常数。1 薄膜的厚度/沉积速率1.1 气相原子密度法二、特点：1、膜厚测量的相对误差 10%；2、测量结果和蒸发源温度及残余气体气压有关 (分别影响 a 和 Ii )。1 薄膜

2、的厚度/沉积速率1、测量原理： 调整线圈电流，使薄膜增重引起的重力力矩和线圈所产生磁场与吸铁间的磁场力达到平衡，即可换算出薄膜质量，而薄膜厚度满足：2、特点： 灵敏度很高 ( 等厚干涉法 测量精度可达 1 nm！1 薄膜厚度/沉积速率1.4 光学干涉法1、测量原理： 直径很小的触针 (探针) 在一定载荷作用下滑过被测薄膜表面，同时记录下触针在垂直方向的位移大小并描绘样品表面轮廓，在薄膜边缘处轮廓的突变即薄膜的厚度（实际上是表面轮廓测量）。 可同时测得薄膜的表面粗糙度及膜厚！2、仪器特征：1）探针：一般为金刚石，头部磨成 R= 2-10 m的圆弧形；2）载荷：一般为 1-30 mgf；3）分辩率

3、：1 nm (机械/光电放大位移量 103-106倍)。1 薄膜厚度/沉积速率1.5 探针法 (粗糙度仪)3、基本矛盾： 不破坏样品表面真实形貌 探头头部接触压力 大直径探头有利； 能分辨表面形貌微小起伏 探头跟随性、分辨率 小直径探头有利！ 4、优、缺点：1）方法简单、测量直观；2）适合硬膜测量，容易划伤较软薄膜并引起测量误差；3）对表面很粗糙的薄膜测量误差较大。1 薄膜厚度/沉积速率1.5 探针法 (粗糙度仪)1、测量原理： 用高硬度的磨球通过传动机构在薄膜表面接触滚动，待薄膜磨穿之后，测量磨坑直径和薄膜磨穿区宽度，进而通过几何关系折算出薄膜的厚度。2、基本特点：1）简单快捷、可测多层膜内

4、每层厚度； 2）一定程度上还可评定磨损率及膜基结合强度；3）后效测量手段、使用近似公式有一定测量误差。1 薄膜厚度/沉积速率1.6 球痕法 (Ball-Crater)球痕法的测量装置及原理3、近似公式： 磨坑直径及磨穿区宽度 磨球直径 Db 时，任意一层薄膜的厚度 D 近似满足： 式中：d 该层薄膜下表面对应磨坑直径； y 该层薄膜对应的磨穿区宽度。1 薄膜厚度/沉积速率1.6 球痕法 (Ball-Crater)薄膜截面扫描电镜照片也可以测量薄膜厚度一、测量原理： 1、炽热的灯丝（阴极）发射出的电子在电场作用下被加速； 2、加速电子进入两级磁聚焦透镜，会聚成直径约 5 nm的电子束； 3、聚焦

5、电子束被导入偏转扫描线圈，在磁场作用下扫描照射样品表面； 4、电子束照射所激发的各种产物粒子束被样品附近的探测器接收，形成反映样品形貌的电子像或结构成分的波谱。2 薄膜形貌/结构2.1 扫描电子显微镜 (Scanning Elelctron Microscopy)SEM的成像粒子及测量原理二、基本特点： 1、类似光学金相，可提供清晰直观的表面/截面形貌像； 2、分辩率高，景深大； 3、可采用不同分析模式作定量/半定量的表面成分分析； 4、是目前材料研究最常用手段之一，应用极为广泛。2 薄膜形貌/结构2.1 扫描电子显微镜 (Scanning Elelctron Microscopy)SEM的结

6、构与主要组件扫描电镜三、电子束的作用区域及主要成像粒子：1、电子束入射到样品表面后，会与表面层的原子发生各种交互作用， 其作用区域大致为一个梨形区域，深度约 1m；2、该区域在电子束照射下可实现成像和波谱分析的主要激发粒子是： 最表层 (10)：俄歇电子； 浅层 (50500)：二次电子； 梨形区上部：背散射电子； 梨形区下部：特征X射线。3、分别接收上述激发粒子，处理后可显示表层的各种形貌/成分信息。四、主要成像模式：1、二次电子像 (反映表面形貌)：1、入射电子从样品表层激发出来能量最低的一部分电子 (来自较浅层 原子的受激发射)；2、表面起伏变化会造成二次电子发射数量和角分布变化（如前页

7、图)；3、具有较高的分辩率 (5-10 nm)：来自浅表层，分辩率较高；4、景深很大 任何形状直接观察 无须抛光处理！5、要求样品具导电性 防止电荷累积 不导电样品喷Au喷C处理！2 薄膜形貌/结构2.1 扫描电子显微镜 (SEM)PbSn镀层表面的二次电子像四、主要成像模式：2、背散射电子成像 (反映元素成分 + 形貌)：1、背散射电子：被样品表面直接碰撞散射返回的高能电子。 能量水平与入射电子相近！2、背散射电子像：接收背散射电子形成的电子像。3、特点： 原子对入射电子的反射能力随原子序数 Z 而缓慢 背散射电子像可反映元素分布 成分分析 (面分布)！ 重元素反射能力 亮区 (右图亮区为富

8、 Pb 成分区域！) 电子能量较高 穿透能力 作用区域深、广 成像分辨率不如二次电子像 (50-200 nm)！ 样品表面很粗糙时，成分衬度甚至会被形貌衬度掩盖！同一区域的背散射电子像透射电镜一、测量原理：1、把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子在穿过样品的同时与样品原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射；2、散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可形成明暗不同的影像；3、通常：TEM的分辨率达 0.10.2 nm； 放大倍数为 n104n106倍。 用于观察材料的精细结构，又称“亚显微结构”！2. 薄膜形貌/结构2.2 透射电子显微镜 (Transmission Electro

9、n Microscopy)TEM的两种工作模式二、与SEM的主要区别：1、电子束照射方式不同：SEM 扫描式照射较大区域； TEM 固定照射很小区域。2、接收方式不同：SEM 表层激发或散射的 e (AE、SE、BSE)、 (X-ray)； TEM 电子束穿过很薄样品并与样品原子点阵交互作用后被接收！ TEM 的关键：电子束与样品原子点阵的相互作用 携载结构/成分信息！三、TEM的主要工作模式：1、影像模式：物镜光阑置于样品像平面位置 透射电子束直接成像 获得样品的结构、形貌信息！2、衍射模式：物镜光阑置于衍射斑点平面位置 衍射斑点成像 获得样品的晶体学、成分信息！四、薄膜 TEM 样品的制备

10、：1、为防止样品晶体点阵背散射造成电子束不能穿透样品 样品厚度很薄：一般 0.5 m 需要进行减薄处理！2、减薄的基本步骤： 平面样品：抛光 离子减薄； 截面样品：切片 粘合抛光 离子减薄；2 薄膜形貌/结构2.2 透射电子显微镜 (TEM)薄膜截面样品的减薄薄膜平面样品的减薄五、衍射模式：1、电子的波长： 式中：h 普朗克常数； me 电子质量； qe 电子电量； V 加速电压。 电子波长极短 V100 kV时，e = 0.0037 nm！2、电子衍射的条件 (布拉格公式)：3、电子衍射的特点： 电子衍射要求满足的布拉格条件的衍射角 很小； 透射电子束和衍射电子束接近平行 几乎平行于衍射晶面

11、！2 薄膜形貌/结构2.2 透射电子显微镜 (TEM)五、衍射模式：4、典型薄膜结构对应的电子衍射花样特征 (如右图所示)：1）非晶薄膜：只有中心粗大透射斑；2）纳米晶薄膜：中心粗环 + 外围较粗的连续环；3）细晶粒多晶薄膜：断续环状特征 (右图 a )；4）粗晶粒多晶薄膜：环 + 点特征 (右图 b )；5）单晶薄膜：规则斑点阵列 (右图 c )。2 薄膜形貌/结构2.2 透射电子显微镜 (TEM)典型薄膜结构的电子衍射花样5、衍射模式可实现表征的薄膜结构信息：1）晶体点阵类型和点阵常数；2）晶体的相对位向 (织构取向)；3）晶粒的尺寸；4）孪晶、位错等晶体缺陷信息。6、最常用的公式：式中：a 晶格常数； dhkl 沿hkl 晶向的晶面间距； e 电子波长；L 像平面-样品间距； R 衍射环的半径。2