薄膜课件新-第五章

薄膜的厚度测量§5-1§5-15 5§5-1-1薄膜厚度光学测量方光学方法不仅可被用于透明薄膜，也可用于不透明薄膜；使用方便，测量精度高。原理利用不同薄膜厚度造成的光程差而引起的光的现象n(实际使用时，要考虑光在不同物质界面上反射时的相位移动。在正入射和掠入射的情况下，光在反射回光琉物质中时，光的相位移动相当于光程要移动半个波长，光在反射回光密物质中时其相位不变。而透射光在两种情况下均不发生相位变化。如果薄膜不透明，可将薄 一个台阶，利用等 条纹（FET)或等条纹(FECO)的方法测出台阶的高度石英晶体振荡器被广泛应用于薄膜沉积过程中厚度的实时测量。原理是基于石英晶体片固有振动频率随其质量的变化而变化对厚度t己知的石英晶体振片来讲，其固有振动频率f0为厚度方向弹性波的波速。石英片厚度的微小变化业将导致其固有频率变f

df

d f00 00df分别为沉积物的厚度和密度。因此，灵敏度随着石英片厚度的减或晶片的固有频率的提高而提高§§5-2薄膜的宏观形薄膜的微观形貌：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，薄膜的显微组织：晶粒内缺陷、晶界及界面的完整性、位错组态等。研 光学金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、场离子显微镜、射线衍射技术等。§§5-2-1X-在x射线的衍射分析中，常用的X射线波长约0.05-0.25X射线的产阴极灯丝加高压后放出电子，电子经聚焦和高压加速后轰击阳极靶面，将靶材料原子内层（层）电子赶走，外层（L层）电子跃进填补，释放能量，产生射线。电子由L层跃迁到K层产生的X射线称K射线。L层有一些不同能级，发生的X射线分为K1和K2射线。当分辨率低时K1和K2难X-当相干的两个或多个电磁波存在一定相位关系而叠加时将发生衍射现象晶体中的原子在三 周性布每原又可看作散射x射线的散射源，在入射线的激发下，这些散射源四周辐射相干散射波，波长与原射线相同而方向不同。在大多数方向发生消 而某方上于相相同相位差为或的整数倍发生相长 ，称这种 现象为衍射。若令则 2d

的方向上发生衍射X-面间距d与晶格常数，面指数的关立方四方

1d1d

ka2ka2

22c2六方

43232

a2

k

/c21(

d

正交

1d

kb2

22c2单斜

1 d

k2b2三斜

1 (Sh2 d v2 其中：V=单位晶胞的体 S12=abc2(Cosα·Cosβ-CosS23=a2bc(Cosβ·Cos- S13=ab2c(Cos·Cosα-摇摆曲线分析是进一步确定薄膜单晶质量的方法。X衍射时让样品Bragg角附近回摆，就得到了rocking摇摆曲线的半高宽（FWHM）θ是薄膜取向一致性好坏的量度FWHM1o，则是性能优秀AlN(101)RockingX-衍射X衍射～2扫描只能确定法线方向垂直于薄膜表面的晶面，无法判断法线方向在薄膜平面内的晶面取向，因此，薄膜与衬底在膜面内晶轴的取向关系，需用X衍射扫描来确定θθθθc例如一样品为四方晶系，θ～2θ衍射谱为(001)取向。采用（111）面作反射由于膜是沿(001)方向外延，当绕BB‘转360o时，计数器应四次收到衍射号，分别对应为四个(111)面及其等效面的反射信号 扫描曲

BBYYAxis

Si/YSZ/ECO/23.3x10-4/2.6x10-3mb24.9A,31V/ 6Hz,5min/3Hz,3min/3Hz,15min(260mJ)30-50nm/25nm/150nm0 XAxisYBCO/EuCO/YSZ/SiX-衍射谱YAxisYAxisYAxis00XAxis0XAxisXX 射 0 §§5-2-2扫描电子显微镜是材料研究的最直接 之一。可以提供清晰直观的形貌图像，分辨率高。可以采用不同的图像信息形式，现在M不仅有背散射电子像，还能显示二次电子、吸收电子、透射电子X射线等图象。所以M不仅用于观察试样表面形貌。还可以取得晶体缺陷等方面的信息。样样

入射二次电背散射电荧 俄歇电

特征X射吸收电透射电入射电子进入材料表面，被表层原子散射后又从表面反射出来的电电子的信号形成形貌图像称为背反射电子像。原子对于入射电子的反射能力随着原子序数z的增大而缓慢提高。像可以被用来分辨表面成分的宏观差别。由于能量较高的电子来自样品表层深度较大的一部分，因而，背射电子像的分辨率将低于二次电子像的分辨率部分进入表面层后，经多次非弹性散射，能量耗尽，被吸收。试吸收电子前中性，吸收后带负电。它与地之间产生吸收电流层的几层原子。二次电子像是各种工作模式中分辨率最(入射束的照入射电子在薄的试样(<0.1)可以透过而被接收，谓透射电子入射电子 层电子的内层电子，使原子处于激发态或电离态当原子从激态恢复到低能激态时，释放能量而产生的电为防止样品上产生电荷积累而影响观察，样品需要具有一定的导电能力导电性较差的样品，采取喷涂一层导电性较好的c或Au膜的方法性光学显微分辨0.1一0.2放大倍景×100：2×1000：0.7×1000：100×104：10对试样要不严对形状、尺有一定要操方较方不太方 §§5-2-3固定地照射在样品中很小的一个区域上，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于点阵发生相互作用，从而产生各种形式的有关薄膜结构和成分的信息。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的位置。经100—1000kv电压加速后，被磁聚焦到样品上，在衍射工作模(3)NbN/AlN/NbN显微

AlN界面高分辨 AlN/MgO平面高分辨截面高分辨方closed-fieldunbalancedmagnetronsputteringadditionalelectronKyungH.Nam*,JeonG.Han;SurfaceandCoatingsTechnology(2003)§5-2-4 RHEED:reflectionhighenergyelectrondiffraction 一束10keV 掠射到样品表面，受表面原子散射。被散射的电子某些出射方向满足Laue方程,产生衍射极大RHEED图样可以了解样品表面情况，根据衍射条纹的亮度，明锐度和衍射斑的形状，可以推测衬底表面是否有序与平样品表面不完全平整，如存在等，高能也可以透射而产生三维衍射效应，使HD线条断裂为分立的点。而当样品表面严重成岛时，在衍射图样中的衍射斑点会在小面的法线方向略有伸长。 ThesetwoimagesaredifferentorientationsofRHEEDofthesurfaceofachromium（铬）filmgrownonmoly(钼）.Intheimageontheleft,threesetsofreciprocallatticerodsarevisible:onesetthatareverticalandtwosetsatanglesof45degrees,oneleaningrightandtheotherleft.Eachsetisperpendiculartothesurfacethattheyarediffractedfrom,sothereissurfacethatisflatandsurfacesthatareangledat45degrees.(001)§§5-3物质原子的内层电子的排布一般并不受物质中原子间键合的影响。因而，原子内层电子的变化以及相应的能量转换过程为材料的成分分析提供了基础。在外部能量的激发下，如外来电子，原子最内层上的电子将会受到激发而出现一个空的能态，根据其后这个电子态被填充的过程中所发出的各种能量射线，可以对材料的结构、成分、表面、型貌等进行分析。薄膜成分分析方法及特§5-3-1§5-3-1L1KK1L23KK2MKKML§5-3-2§5-3-2x射线能量色散谱 会把衬底的元素反映 中§§5-3-3俄歇电子能谱供了元素的方法。GaAs/AlxGa1-xAs/GaAs薄膜俄谐电子§5-3-4§5-3-4X射线光电子能谱电子的激发也可以由具有相当能量的光于来实现。这时，相应电子跃迁过程发射出的特征射线又被称为荧光射线(FluoescentX-ray)。此电子称为光电子。射出固体后的动能为Ek=h-Eb-ф为功函数(也称逸出功)，电子在该能级上的结合能为Eb只要测出功函数ф和电子的动能Ek,即可求出电子的结合能Eb。它对每个素都有特征值，因而可分析样品表面的化学成分（化学价）。光电子逸出仅发生在最表面的几个原子层宽谱测成原子的一个内壳层电子的结合能受核内电荷和核外电荷分布的影响．当这些电荷分布发生变化时，就会引起结合能的变化，反映在P谱上就是谱线的位移，因此，P分析还可以从理论上推测出化合物的结构或元素(离子)与周围其他离子的结合状态。窄谱测结合能—见合NbN薄膜的XPS§§5-3- 辐背散射技术具有较高能量而质量铰小的离子在与物质碰撞的过程中会发生散射现象，这一过程称为散射。利用这一物理现象可探侧、分析薄膜材料的化学成分和分布。由于离子能量很高而质量又很小，因而对物质具有一定的能力，并且不会造成物质本身的溅射物质时，高能离子与物质间的互作用分为两种情况§5-4Scanning利用探针与样品在近距离（小于0.1纳米）时，由于二者存在电位差而产生隧道电流.隧道电流对距离非常敏感(距离减少0.1纳米，隧道电流就会增大一个数量级),当探针在样品表面扫描时，由于样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离发生变化，隧道电流也随之变化，而得到样品表面高分辨率的形貌图像。恒高模式恒电流模1、原子级高分辨率。如STM在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分可达0.1nm和0.01nm，即可以分辨出单个原子，具有原子级的分辨率2、可实时地得到实空间中表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构研究。这种可实时观测的性能可用于表面扩散等动态过程的研究。3、可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整个表面的平均性质。因而可直接观察到表面缺陷、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、常温等不同环境下工，甚至可将样浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品无损伤。这些特点适用于 物样品和在不同试验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超导机制、电化学反应过程中电表面变化的监测等5、配合扫描隧道谱STS(ScanningTunnelingSpectroscopy)可以得到有关表面结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等分辨率0.1nm，垂直0.01nm原子功率密度:通过电压调节隧道电流的功率密度10-低的电子能量：几伏近百调节探针和样品间的电压，当隧道电流具有一定的能量时，可使样品表面局域发生结构或化学的变化。STM的几种微加工化学淀积法：通入金属有机物气k，使它在隧道电流的作用下被分解，固相物沉积在衬底上。分解机制：a)电子与吸附于样品表面的气体分子碰撞分解。b)在大的隧道电流下金属有机物气体在样品表面热解。c)电 法：大能量的隧道电流直接扫描在光致抗蚀剂上，使 再经显影、刻蚀成形热致加工：调节偏压和隧道电流，使样品表面局域升T

k材料热导和电子平均自提高I,使从几nA—几百nA甚至mA，直到隧道电 熔化，样品与探针之间呈“液体桥”。探针收回后，“液体桥”断裂固机械移动法：调节探针与样品间的距离，将原子在一个位置吸住，再运到另一个