【正文】 第六章 薄膜材料的表征方法 第一節(jié) 薄膜厚度測(cè)量技術(shù) 第二節(jié) 薄膜結(jié)構(gòu)的表征方法 第三節(jié) 薄膜成分的表征方法 第一節(jié) 薄膜厚度測(cè)量技術(shù) 一、薄膜厚度的光學(xué)測(cè)量方法 二、薄膜厚度的機(jī)械測(cè)量方法 一、薄膜厚度的光學(xué)測(cè)量方法 光的干涉條件 ( ) 2 c osn A B B C A N nd N??? ? ? ?s in s inn??? ?觀察到干涉極小的條件是光程差等于（ N+1/2） λ 。 不透明薄膜厚度測(cè)量的等厚干涉條紋（ FET）和等色干涉條紋（ FECO）法 等厚干涉條紋的測(cè)量裝置如圖（ a）所示。 首先，在薄膜的臺(tái)階上下均勻地沉積上一層高反 射率的金屬層。然后在薄膜上覆蓋上一塊半反半透的 平面鏡。由于在反射鏡與薄膜表面之間一般總不是完 全平行的，因而在單色光的照射下，反射鏡和薄膜之 間光的多次反射將導(dǎo)致等厚干涉條紋的產(chǎn)生。 等色干涉條紋法需要將反射鏡與薄膜平行放置，另外要使用非單色光源照射 薄膜表面，并采用光譜議分析干涉極大出現(xiàn)的條件。 透明薄膜厚度測(cè)量的干涉法 在薄膜與襯底均是透明的，而且它們的折射率分別為 n1和 n2的情況下，薄膜對(duì)垂直入射的單色光的反射率隨著薄膜的光學(xué)厚度 n1d的變化而發(fā)生振蕩，如圖中針對(duì) n1不同，而 n2=，對(duì)于 n1n2的情況，反射極大的位置出現(xiàn)在 1( 2 1 )4mdn???在兩個(gè)干涉極大之間是相應(yīng)的干涉極小。對(duì)于 n1n2的情況，反射極大的條件變?yōu)? λ 為單色光波長(zhǎng)， m為任意非負(fù)的整數(shù)。 1( 1 )2mdn???為了能夠利用上述關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)于薄膜厚度的測(cè)量，需要設(shè)計(jì)出強(qiáng)振蕩關(guān)系的具體 測(cè)量方法。 （ 1）利用單色光入射，但通過改變?nèi)肷浣嵌龋胺瓷浣嵌龋┑姆椒▉頋M足干涉條 件的方法被稱為 變角度干涉法 （ VAMFO），其測(cè)量裝置原理圖如圖。 （ 2）使用非單色光入射薄膜表面，在固定光的入射角度的情況下，用光譜儀分析 光的干涉波長(zhǎng)，這一方法被稱為 等角反射干涉法 （ CARIS）。 返回 二、薄膜厚度的機(jī)械測(cè)量方法 表面粗糙度儀法 用直徑很小的觸針滑過被測(cè)薄膜的表面，同時(shí)記錄下觸針在垂直方向的移動(dòng) 情況并畫出薄膜表面輪廓的方法被稱為粗糙度儀法。這種方法不僅可以被用來測(cè) 量表面粗糙度，也可以被用來測(cè)量薄膜臺(tái)階的高度。 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，測(cè)量直觀； 缺點(diǎn)：（ 1）容易劃傷較軟的薄膜并引起測(cè)量誤差； （ 2）對(duì)于表面粗糙的薄膜，并測(cè)量誤差較大。 稱重法 如果薄膜的面積 A、密度 ρ 和質(zhì)量 m可以被精確測(cè)定的話，由公式 mdA??就可以計(jì)算出薄膜的厚度 d。 缺點(diǎn)：它的精度依賴于薄膜的密度 ρ 以及面積 A的測(cè)量精度。 3 石英晶體振蕩器法 將石英晶體沿其線膨脹系數(shù)最小的方向切割成片，并在兩端面上沉積上金屬 電極。由于石英晶體具有壓電特性，因而在電路匹配的情況下，石英片上將產(chǎn)生 固有頻率的電壓振蕩。將這樣一只石英振蕩器放在沉積室內(nèi)的襯底附近，通過與 另一振蕩電路頻率的比較，可以很精確地測(cè)量出石英晶體振蕩器固有頻率的微小 變化。在薄膜沉積的過程中，沉積物質(zhì)不斷地沉積到晶片的一個(gè)端面上，監(jiān)測(cè)振 蕩頻率隨著沉積過程的變化，就可以知道相應(yīng)物質(zhì)的沉積質(zhì)量或薄膜的沉積厚度。 返回 第二節(jié) 薄膜結(jié)構(gòu)的表征方法 一、簡(jiǎn) 介 二、掃描電子顯微鏡 三、透射電子顯微鏡 四、 X射線衍射方法 五、低能電子衍射（ LEED）和反射式高能電子衍射 （ RHEED） 六、掃描隧道顯微鏡（ STM） 七、原子力顯微鏡（ AFM） 返回 一、簡(jiǎn) 介 薄膜的性能取決于薄膜的結(jié)構(gòu)和成分。其中薄膜結(jié)構(gòu)的研究可以依所研究的尺度 范圍被劃分為以下三個(gè)層次： （ 1）薄膜的宏觀形貌，包括薄膜尺寸、形狀、厚度、均勻性等； （ 2）薄膜的微觀形貌，如晶粒及物相的尺寸大小和分布、孔洞和裂紋、界面擴(kuò) 散層及薄膜織構(gòu)等； （ 3）薄膜的顯微組織，包括晶粒內(nèi)的缺陷、晶界及外延界面的完整性、位錯(cuò)組 態(tài)等。 針對(duì)研究的尺度范圍，可以選擇不同的研究手段。 返回 二、掃描電子顯微鏡 Scanning Electronic Microscope (SEM) 工作原理：由熾熱的燈絲陰極發(fā)射出的電子在陽極電壓的加 速下獲得一定的能量。其后，加速后的電子將進(jìn) 入由兩組同軸磁場(chǎng)構(gòu)成的透鏡組，并被聚焦成直 徑只有 5nm左右的電子束。裝置在透鏡下面的磁場(chǎng) 掃描線圈對(duì)這束電子施加了一個(gè)總在不斷變化的 偏轉(zhuǎn)力，從而使它按一定的規(guī)律掃描被觀察的樣 品表面的特定區(qū)域上。 優(yōu)點(diǎn)：提供清晰直觀的形貌圖像，分辨率高，觀察景深長(zhǎng)， 可以采用不同的圖像信息形式，可以給出定量或半定量 的表面成分分析結(jié)果等。 二次電子像 二次電子是入射電子從樣品表層激發(fā)出來的能量 最低的一部分電子。二次電子低能量的特點(diǎn)表明，這 部分電子來自樣品表面最外層的幾層原子。用被光電 倍增管接收下來的二次電子信號(hào)來調(diào)制熒光屏的掃描 亮度。由于樣品表面的起伏變化將造成二次電子發(fā)射 的數(shù)量及角度分布的變化，如圖（ c），因此，通過保持屏幕掃描與樣品表面電子束掃描的同步，即可使屏幕圖像重現(xiàn)樣品的表面形貌，而屏幕上圖像的大小與實(shí)際樣品上的掃描面積大小之比即是掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)。 特點(diǎn)：有較高的分辨率。 背反射電子像 如 圖（ b） 所示，除了二次電子之外，樣品表面還會(huì)將相當(dāng)一部分的入射電子反射回來。這部分被樣品表面直接反射回來的電子具有與入射電子相近的高能量，被稱為背反射電子。接收背反射電子的信號(hào)，并用其調(diào)制熒光屏亮度而形成的表面形貌被稱為背反射電子像。 掃描電子顯微鏡提供的其他信號(hào)形式 掃描電子顯微鏡除了可以提供樣品的二次電子和背反射電子形貌以外，同時(shí)還可以產(chǎn)生一些其他的信號(hào)，例如電子在與某一晶體平面發(fā)生相互作用時(shí)會(huì)被晶面所衍射產(chǎn)生通道效應(yīng)，原子中的電子會(huì)在受到激發(fā)以后從高能態(tài)回落到低能態(tài)，同時(shí)發(fā)出特定能量的 X射線或俄歇電子等。接收并分析這些信號(hào)，可以獲得另外一些有關(guān)樣品表層結(jié)構(gòu)及成分的有用信息。 返回 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡 Field Emission SEM (FESEM) 分辨率可達(dá) 12 nm 三、透射電子顯微鏡 Transmission Electronic Microscope 特點(diǎn)：電子束一般不再采取掃描方式對(duì)樣品的一定區(qū)域 進(jìn)行掃描，而是固定地照射在樣品中很小的一個(gè) 區(qū)域上；透射電子顯微鏡的工作方式是使被加速 的電子束穿過厚度很薄的樣品，并在這一過程中 與樣品中的原子點(diǎn)陣發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生各 種形式的有關(guān)薄膜結(jié)構(gòu)和成分的信息。 透射電子顯微鏡的基本工作模式有兩種： 影像模式 和 衍射模式 。 兩種工作模式之間的轉(zhuǎn)換主要依靠改變物鏡光柵 及透鏡系統(tǒng)電流或成像平面位置來進(jìn)行。 透射電子顯微鏡的衍射工作模式 在衍射工作模式下，電子在被晶體點(diǎn)陣衍射以后又 被分成許多束，包括直接透射的電子束和許多對(duì)應(yīng)于不 同晶體學(xué)平面的衍射束。 右圖是不同薄膜材料在透射電子顯微鏡下的電子衍射譜， 通過對(duì)它的分析可以得到如下一些薄膜的結(jié)構(gòu)信息： （ 1）晶體點(diǎn)陣的類型和點(diǎn)陣常數(shù)； （ 2）晶體的相對(duì)方位； （ 3）與晶粒的尺寸大小、孿晶等有關(guān)的晶體缺陷的顯微結(jié)構(gòu)方面的信息。 透射電子顯微像襯度形成 用物鏡光柵取透射電子束或衍射電子束之中的一束就可以構(gòu)成樣品的形貌像。 這是因?yàn)?，樣品中任何的不均勻性都將反映在其?duì)入射電子束的不同的衍射本領(lǐng) 上。對(duì)使用透射束成像的情況來講，空間的不均勻性將使得衍射束的強(qiáng)度隨位置 而變化，因而透射束的強(qiáng)度也隨著發(fā)生相應(yīng)的變化。即不論是透射束還是衍射束， 都攜帶了樣品的不同區(qū)域?qū)﹄娮友苌淠芰Φ男畔?。將這一電子束成像放大之后投 影在熒光屏上，就得到了樣品組織的透射像。 電子束成像的方式可以被進(jìn)一步細(xì)分為三種： （ 1） 明場(chǎng)像 即只使用透射電子束，而用光柵檔掉所有衍射束的成像方式。 （ 2） 暗場(chǎng)像 透射的電子束被光柵檔掉，而用一束衍射束來作為成像光源。 （ 3） 相位襯度 允許兩束或多束電子參與成像