【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(guò)程 在基態(tài)時(shí)，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(gè)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(guò)在掃描時(shí)控制這種力的恒定，帶有針 尖的微懸臂將對(duì)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(yùn)動(dòng)。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(cè)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(jí)的高分 辨率。 任何借助透鏡來(lái)對(duì)光或其它輻射進(jìn)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(duì)于起伏不大的樣品表面，可以控制針尖高度守恒掃描，通過(guò)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(shí)運(yùn)動(dòng)的軌跡直接 在熒光屏或記錄紙上顯示出來(lái)，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(qiáng)度對(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)。 將原子線(xiàn)度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的 距離非常接近時(shí)（通常小于 1nm），在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過(guò)兩個(gè)電極 之間的勢(shì)壘流向另一電極，這種現(xiàn)像即是隧道效應(yīng)。 下圖分別對(duì)應(yīng)低能及高能電子的衍射方法。 采用波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于晶體點(diǎn)陣原子面間距的電子束。 采用波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電子束，對(duì)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(qiáng)度偏低問(wèn)題的途徑可以有以下三條： （ 1）采用高強(qiáng)度的 X射線(xiàn)源。上式表明，當(dāng)晶面與 X射線(xiàn)之間滿(mǎn) 足上述幾何關(guān)系時(shí)， X射線(xiàn)的衍射強(qiáng)度將相互加強(qiáng)。 右圖是 Au薄膜的高分辨率點(diǎn)陣 像，從其中已可以分辨出一個(gè) 個(gè) Au原子的空間排列。 （ 2） 暗場(chǎng)像 透射的電子束被光柵檔掉，而用一束衍射束來(lái)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(duì)使用透射束成像的情況來(lái)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。 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(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。 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(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。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(chēng)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(huì)將相當(dāng)一部分的入射電子反射回來(lái)。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(guò)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)。二次電子低能量的特點(diǎn)表明，這 部分電子來(lái)自樣品表面最外層的幾層原子。 優(yōu)點(diǎn)：提供清晰直觀(guān)的形貌圖像，分辨率高，觀(guān)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。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。 針對(duì)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(jiǎn) 介 二、掃描電子顯微鏡 三、透射電子顯微鏡 四、 X射線(xiàn)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。將這樣一只石英振蕩器放在沉積室內(nèi)的襯底附近，通過(guò)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。 3 石英晶體振蕩器法 將石英晶體沿其線(xiàn)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(chēng)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(huà)，由公式 mdA??就可以計(jì)算出薄膜的厚度 d。這種方法不僅可以被用來(lái)測(cè) 量表面粗糙度，也可以被用來(lái)測(cè)量薄膜臺(tái)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(zhǎng)，這一方法被稱(chēng)為 等角反射干涉法 （ CARIS）。 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。 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。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(tái)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(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(guān)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。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(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）利用單色光入射，但通過(guò)改變?nèi)肷浣嵌龋胺瓷浣嵌龋┑姆椒▉?lái)滿(mǎn)足干涉條 件的方法被稱(chēng)為 變角度干涉法 （ VAMFO），其測(cè)量裝置原理圖如圖。 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(guò)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(huà)出薄膜表面輪廓的方法被稱(chēng)為粗糙度儀法。 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，測(cè)量直觀(guān)； 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。 缺點(diǎn)：它的精度依賴(lài)于薄膜的密度 ρ 以及面積 A的測(cè)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(guò)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(guò)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(gè)層次： （ 1）薄膜的宏觀(guān)形貌，包括薄膜尺寸、形狀、厚度、均勻性等； （ 2）薄膜的微觀(guān)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。 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(yáng)極電壓的加 速下獲得一定的能量。裝置在透鏡下面的磁場(chǎng) 掃描線(xiàn)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