【正文】 五、盧瑟福背散射技術(shù)（ RBS） 六、二次離子質(zhì)譜（ SIMS） 返回 一、原子內(nèi)的電子激發(fā)及相應(yīng)的能量過程 在基態(tài)時，原子內(nèi)層電子的排布情況可如示意性地如圖 (a)所示，其中， K、 L、 M分別表示了 1s、 2s2p、 3s等電子態(tài)的相應(yīng)殼層，而用 L L2， 3表示 2s和 2p兩個亞殼層的電子態(tài)。由于針尖尖端原子與樣品表面原子間 存在極微弱的排斥力（ 108~106N），通過在掃描時控制這種力的恒定，帶有針 尖的微懸臂將對應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表 面方向起伏運動。如針尖的曲率半徑是影響橫向分辨率的關(guān)鍵因素；針尖的 尺寸、形狀及化學(xué)同一性不僅影響到 STM圖象的分辨率，而且還關(guān)系到電子結(jié)構(gòu) 的測量。而 STM則能夠輕而易舉地克服這種限制，因而可獲得原子級的高分 辨率。 任何借助透鏡來對光或其它輻射進行聚焦的顯微鏡都不可避免的受到一條根 本限制：光的衍射現(xiàn)象。 對于起伏不大的樣品表面，可以控制針尖高度守恒掃描，通過記錄隧道電流 的變化亦可得到表面態(tài)密度的分布，如圖（ b）。將針尖在樣品表面掃描時運動的軌跡直接 在熒光屏或記錄紙上顯示出來，就得到了樣品表 面態(tài)密度的分布或原子排列的圖象。 由上式可知，隧道電流強度對針尖與樣品表 面之間距非常敏感，如果距離 S減小 ，隧道 電流 I將增加一個數(shù)量級。 將原子線度的極細探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個電極，當(dāng)樣品與針尖的 距離非常接近時（通常小于 1nm），在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極 之間的勢壘流向另一電極，這種現(xiàn)像即是隧道效應(yīng)。 下圖分別對應(yīng)低能及高能電子的衍射方法。 采用波長遠小于晶體點陣原子面間距的電子束。 采用波長較長的電子束，對應(yīng)的電子束入射角和衍射角均比較大。 （ 3）采用掠角衍射技術(shù)。 解決薄膜衍射強度偏低問題的途徑可以有以下三條： （ 1）采用高強度的 X射線源。上式表明，當(dāng)晶面與 X射線之間滿 足上述幾何關(guān)系時， X射線的衍射強度將相互加強。 右圖是 Au薄膜的高分辨率點陣 像，從其中已可以分辨出一個 個 Au原子的空間排列。 （ 2） 暗場像 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。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。對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度隨位置 而變化，因而透射束的強度也隨著發(fā)生相應(yīng)的變化。 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。 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應(yīng)于不 同晶體學(xué)平面的衍射束。 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 。接收并分析這些信號，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。接收背反射電子的信號，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。 背反射電子像 如 圖（ b） 所示，除了二次電子之外，樣品表面還會將相當(dāng)一部分的入射電子反射回來。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)。二次電子低能量的特點表明，這 部分電子來自樣品表面最外層的幾層原子。 優(yōu)點：提供清晰直觀的形貌圖像，分辨率高，觀察景深長， 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。其后，加速后的電子將進 入由兩組同軸磁場構(gòu)成的透鏡組，并被聚焦成直 徑只有 5nm左右的電子束。 針對研究的尺度范圍，可以選擇不同的研究手段。 返回 第二節(jié) 薄膜結(jié)構(gòu)的表征方法 一、簡 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 介 薄膜的性能取決于薄膜的結(jié)構(gòu)和成分。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，可以很精確地測量出石英晶體振蕩器固有頻率的微小 變化。 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。 稱重法 如果薄膜的面積 A、密度 ρ 和質(zhì)量 m可以被精確測定的話，由公式 mdA??就可以計算出薄膜的厚度 d。這種方法不僅可以被用來測 量表面粗糙度，也可以被用來測量薄膜臺階的高度。 （ 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，這一方法被稱為 等角反射干涉法 （ CARIS）。 1( 1 )2mdn???為了能夠利用上述關(guān)系實現(xiàn)對于薄膜厚度的測量，需要設(shè)計出強振蕩關(guān)系的具體 測量方法。 透明薄膜厚度測量的干涉法 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 n1不同，而 n2=，對于 n1n2的情況，反射極大的位置出現(xiàn)在 1( 2 1 )4mdn???在兩個干涉極大之間是相應(yīng)的干涉極小。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。 首先，在薄膜的臺階上下均勻地沉積上一層高反 射率的金屬層。第六章 薄膜材料的表征方法 第一節(jié) 薄膜厚度測量技術(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) 薄膜厚度測量技術(shù) 一、薄膜厚度的光學(xué)測量方法 二、薄膜厚度的機械測量方法 一、薄膜厚度的光學(xué)測量方法 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 等厚干涉條紋的測量裝置如圖（ a）所示。然后在薄膜上覆蓋上一塊半反半透的 平面鏡。 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。對于 n1n2的情況，反射極大的條件變?yōu)? λ 為單色光波長， m為任意非負的整數(shù)。 （ 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），其測量裝置原理圖如圖。 返回 二、薄膜厚度的機械測量方法 表面粗糙度儀法 用直徑很小的觸針滑過被測薄膜的表面，同時記錄下觸針在垂直方向的移動 情況并畫出薄膜表面輪廓的方法被稱為粗糙度儀法。 優(yōu)點：簡單，測量直觀； 缺點：（ 1）容易劃傷較軟的薄膜并引起測量誤差； （ 2）對于表面粗糙的薄膜，并測量誤差較大。 缺點：它的精度依賴于薄膜的密度 ρ 以及面積 A的測量精度。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。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端面上，監(jiān)測振 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。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 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、位錯組 態(tài)等。 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。裝置在透鏡下面的磁場 掃描線圈對這束電子施加了一個總在不斷變化的 偏轉(zhuǎn)力，從而