薄膜物理与技术第七章：薄膜的测试分析

薄膜的测试分析第七章2014年6月早期：薄膜厚度、均匀性以及光学性能。目前：结构特征、成分分布、界面性质以及电学性质。引言本章关注：（1）薄膜的厚度测量（2）薄膜的形貌和结构表征（3）薄膜的成分分析（4）薄膜的附着力测量7.1薄膜的厚度测量7.1.1

光学测量方法光干涉法光程差为：nc(AB+BC)–AN=Nl又，折射定律：sinq

=ncsinq2nchcosq位相变化(正入射)0，透射光π，反射光反射回折射率小的物质0，反射光反射回折射率大的物质7.1.1.1不透明薄膜厚度的测量－等厚干涉条纹法单色平行光照射到楔形薄膜上，反射后，会在固定的位置产生干涉的最大和最小，所以可观察到明暗相间的平等条纹。在薄膜上沉积金属层可以显著提高薄膜表面对光的反射率，从而大大提高干涉条纹的明锐度和等厚干涉的测量精度。△0△若膜厚不均，干涉条纹也就不规则。若膜厚有台阶，干涉条纹出现台阶，显然相邻干涉条纹间相差λ/2。7.1.1.2透明薄膜厚度测量的干涉法测试条件：单色光、垂直入射，反射光强度将随膜厚而周期变化。透明薄膜的上下表面本身就可以引起光的干涉，可以直接用于薄膜的厚度测量而不必预先制备台阶。但由于透明薄膜的上下界面属于不同材料之间的界面，因而在光程差计算中需要分别考虑不同界面造成的相位移动。7.1.2

台阶仪法用直径很小的触针滑过具有台阶的被测薄膜表面，同时记录下触针在垂直方向的移动情况。触针的头部的圆弧金刚石磨成半径约2-10mm的圆弧。触针上加有1-30mg的可以调节的压力。垂直位移可以通过机械、电子或光学方法被放大几千倍甚至一百万倍。垂直位移的分辨率最高可以达到1nm左右。缺点：1、容易划伤较软的薄膜并引起测量误差。2、对于表面粗糙的薄膜，其测量误差较大。7.1.3石英晶体振荡法原理：利用石英晶体的振荡频率随晶片厚度变化的关系，在晶片上镀膜，测频率的变化，就可求出质量膜厚。缺点：

（1）只能得到平均膜厚；

（2）当石英晶片与蒸发源位置改变时，需校准；（3）在溅射法中测膜厚，易受电磁干扰；

（4）探头温度不能超过80℃。优点：原位测量法，引入时间的微分电路，还可测薄膜的生长速度，灵敏度高，20Hz左右，相应于石英的质量膜厚为12埃。7.2薄膜形貌和结构的表征方法薄膜的性能取决于薄膜的结构和成分。薄膜结构：1、薄膜的宏观形貌（尺寸、形状、厚度、均匀性等）；2、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）；3、薄膜的显微组织（晶粒内的缺陷、晶界及外延界面的完整性、位错组态等）。光学金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、场离子显微镜以及X射线衍射技术等。7.2.1扫描电子显微镜定量或半定量的表面成分分析清晰直观的形貌图像分辨率高观察景深长扫描电子显微镜结构示意图扫描电子显微镜电子束与样品表面相互作用示意图7.2.1.1

二次电子像扫描电子显微镜的主要工作模式之一就是二次电子模式。入射电子从样品表层激发出来的能量最低的一部分电子；来自样品表面最外层的几层原子。1、较高的分辨率特点：2、景深大样品具有一定的导电能力7.2.1.2

背反射电子像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。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。背反射电子像可以被用来分辨表面成分的宏观差别。分辨率将低于二次电子像的分辨率。7.2.1.3

扫描电子显微镜的其他信号形式X射线、俄歇电子等7.2.2

透射电子显微镜工作方式：电子束照射在样品中很小的一个区域上，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。晶体点阵对电子具有很大的散射能力，而且这种散射能力随着样品原子序数的增加而提高。因而，TEM所用的样品需要被减薄到很薄的程度。对Si晶体而言，在100kV电子加速电压的条件下，样品厚度应在0.6微米以下。电子束被磁聚焦透镜聚焦到样品上，在透射过程中发生弹性散射或衍射现象。将衍射束投影放大后就给出了晶体点阵的衍射谱。从上图获得信息：（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、孪晶等相关的晶体缺陷的显微结构信息。影像模式衍射模式多晶薄膜单晶薄膜7.2.3

X射线衍射法特点：不能聚焦，束斑尺寸大；穿透能力强。适合晶粒尺寸较小（>10nm）和厚度较厚的薄膜（>200nm）。•依据的理论基础：X射线晶体学。•分析对象：元素、化合物、混合物。•表征内容：晶体结构分析；单晶定向、晶格参数测定；晶粒尺寸测定；晶体缺陷研究；物相分析等。透射电子显微镜对薄膜的表征属于事后表征。需要发展一种薄膜表面结构敏感实时的结构表征方法。7.2.4低能电子衍射（LEED）和反射式高能电子衍射（RHEED）要对薄膜表面进行研究，可以采取两种方法。•低能电子衍射－采用波长较长的电子束，入射角、衍射角均比较大。由于此时电子能量低，电子束对样品表面的穿透深度很小。•高能电子衍射－采用波长远小于晶体点阵原子面间距的电子束。对应的电子入射角、衍射角均较小。因而穿透深度也只限于薄膜的表层。低能电子衍射中，10～1000eV的低能电子从薄膜法线方向入射到薄膜表面，穿透深度只有几埃，电子束被二维的周期势场所衍射，并向空间各个方向射出。考虑波长为λ的电子束入射到间距为a的一维原子链上的情况。衍射波相干的条件为：是研究表面原子周期结构的有效手段。高能电子衍射中，5～100keV的电子束以略射的角度入射到薄膜表面，衍射方向几乎与入射方向平行。可方便地观察到薄膜生长的各种模式。7.3薄膜的成分分析基本原理：核外电子的能级分布反应了原子的特征信息。利用不同的入射波激发核外电子，使之发生层间跃迁，在此过程中产生元素的特征信息。7.3.1

XPS--光电子能谱仪定性分析，根据测量所得光电子谱峰位置，可以确定表面存在哪些元素以及这些元素存在于什么化合物中。查阅X射线光电子谱手册。对照实测谱图与标准谱图，确定表面存在的元素及其化学状态。一般进行定性分析首先进行全扫描，以鉴定存在的元素，然后再对所选择的谱峰进行窄扫描，以鉴定化学状态。光子作为激发源，通过光电效应产生出具有一定能量的光电子。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的目的。由于只有表面处的光电子才能从固体中逸出，因而测得的电子结合能必然反应了表面化学成份的情况。定量分析表面分析：获得样品表面的全扫描谱获得各元素的高分辨谱由高分辨谱的面积和散射因子求的各元素的原子百分比或质量百分比深度剖析利用离子溅射，获得不同深度处各元素的高分辨谱由高分辨谱的面积和散射因子求得各元素的原子百分比或质量百分比7.3.2AES—俄歇电子能谱俄歇电子能谱提供的信息表面元素的定性鉴定；表面元素的半定量分析；表面成份的微区分析；元素的深度分布分析；元素的二维分布分析；元素的化学价态分析；7.3.3X射线光谱分析--能谱仪分析方法:当用X射线、高速电子和其它高能粒子轰击样品时，试样中各元素的原子若受到激发，将处于高能量状态，当它们向低能量状态转变时，产生特征X射线。将产生的特征X射线按波长或能量展开，所得谱图即为波谱或能谱，从谱图中可辨认元素的特征谱线，并测得它们的强度，据此进行材料的成分分析。定性分析：

利用X射线谱仪，先将样品发射的X射线展成X射线谱，记录下样品所发射的特征谱线的波长，然后根据X射线波长表，判断这些特征谱线是属于哪种元素的哪根谱线，最后确定样品中含有什么元素．定量分析

定量分析时，不仅要记录下样品发射的特征谱线的波长，还要记录下它们的强度，然后将样品发射的特征谱线强度(只需每种元素选一根谱线，一般选最强的谱线)与成分已知的标样(一般为纯元素标样)的同名谱线相比较，确定出该元素的含量。为获得元素含量的精确值，还要进行修正，常用的修正方法有“经验修正法”和“ZAF”修正法。以点、线、微区、面的方式测定样品的成份和平均含量。（定点分析）测定样品在某一线长度上的元素分布分析模式。电子束沿样品表面选定的直线轨迹进行所含元素质量分数的定性或半定量分析。（线扫描分析）测定元素在样品指定区域内的面分布分析模式。电子束在样品表面作光栅式面扫描，以特定元素的X射线的信号强度调制阴极射线管荧光屏的亮度，获得该元素质量分数分布的扫描图像．（面扫描分析）7.4薄膜附着力的测量方法共同特点：在对薄膜施加载荷的前提下，测量薄膜脱落时的临界载荷。薄膜附着力的测试结果一般只具有定性的意义。目前，还没有可用于各种薄膜的统一的附着力测试方法。刮剥法、拉伸法、胶带剥离法、摩擦法、超声波法、离心力法、脉冲激光加热疲劳法。第七章--薄膜的测试分析了解薄膜的厚度、成分、结构分析方法。第六章--薄膜的形成掌握薄膜生长的基本过程，薄膜生长的成核理论，微滴理论的基本推导过程。理解薄膜生长的三种模式。了解原子团理论的主要结果及与毛细管理论的对比。第五章--溶液镀膜法掌握溶胶-凝胶法、LB膜的概念、制备原理及特点。理解化学镀、阳极氧化、电镀法的原理。第四章--化学气相沉积掌握CVD、PECVD、MOCVD的基本概念，CVD的成膜过程及要求，化学输运反应的原理及装置，等离子体CVD的原理、特点及等离子体的激励方式、金属有机物CVD的原理及特点。理解CVD的特点及与PVD的对比，CVD的分类，CVD中化学反应的分类，低压CVD的原理及特点。了解其他CVD的方法，CVD的装置。第三章--溅射镀膜掌握溅射、等离子体、辉光放电、溅射率的概念，巴刑定律，溅射的级联碰撞理论，磁控溅射、射频溅射的原理和特点。

理解溅射的作用及用途，辉光放电的原理及其空间分布特性，为什么通常采用氩气作为工作气体，溅射率的影响因素，溅射原子的能量分布和空间角度分布，溅射的热蒸发理论不能解释的现象，二极溅射、三极溅射、偏压溅射、对向靶溅射、反应溅射、离子束溅射的原理及特点。了解等离子体鞘层的形成原理。

掌握离子镀的概念。

理解离子轰击对镀膜的影响，PVD三种方法的对比，离子镀中离化的方式。了解离子镀的基本类型。第二章--真空蒸发镀膜掌握饱和蒸汽压、蒸发温度、外延、分子束外延的概念，真空镀膜的原理及基本过程，饱和蒸汽压、蒸发速度、薄膜纯度以及合金蒸发的公式，电子束蒸发及激光蒸发的原理及特点、分子束外延的特点以及监控仪器的功能，石英晶振法、等厚干涉条纹法测量膜厚的原理。理解点蒸发源和小平面蒸发源的膜厚分布特征，电阻蒸发的原理、特点，闪烁蒸发法、多源蒸发法、反应蒸发法的原理及特点。

了解其他蒸发源的膜厚分布，高频感应蒸发、电弧蒸发、热壁法的原理，