文档介绍：第六章薄膜材料的表征方法
第一节薄膜厚度测量技术
第二节薄膜结构的表征方法
第三节薄膜成分的表征方法
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第一节薄膜厚度测量技术
一、薄膜厚度的光学测量方法
二、薄膜厚度的机械测量方法
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一、薄膜厚度的光学测量方法
1、光的干涉条件
观察到干涉极小的条件是光程差等于（N+1/2）λ。
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2、不透明薄膜厚度测量的等厚干涉条纹（FET）和等色干涉条纹（FECO）法
等厚干涉条纹的测量装置如图（a）所示。
首先，在薄膜的台阶上下均匀地沉积上一层高反
射率的金属层。然后在薄膜上覆盖上一块半反半透的
平面镜。由于在反射镜与薄膜表面之间一般总不是完
全平行的，因而在单色光的照射下，反射镜和薄膜之
间光的多次反射将导致等厚干涉条纹的产生。
等色干涉条纹法需要将反射镜与薄膜平行放置，另外要使用非单色光源照射
薄膜表面，并采用光谱议分析干涉极大出现的条件。
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3、透明薄膜厚度测量的干涉法
在薄膜与衬底均是透明的，而且它们的折射率分别为n1和n2的情况下，薄膜对垂直入射的单色光的反射率随着薄膜的光学厚度n1d的变化而发生振荡，如图中针对n1不同，而n2=，对于n1>n2的情况，反射极大的位置出现在
在两个干涉极大之间是相应的干涉极小。对于n1<n2的情况，反射极大的条件变为
λ为单色光波长，m为任意非负的整数。
为了能够利用上述关系实现对于薄膜厚度的测量，需要设计出强振荡关系的具体
测量方法。
（1）利用单色光入射，但通过改变入射角度（及反射角度）的方法来满足干涉条
件的方法被称为变角度干涉法（VAMFO），其测量装置原理图如图。
（2）使用非单色光入射薄膜表面，在固定光的入射角度的情况下，用光谱仪分析
光的干涉波长，这一方法被称为等角反射干涉法（CARIS）。
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二、薄膜厚度的机械测量方法
1、表面粗糙度仪法
用直径很小的触针滑过被测薄膜的表面，同时记录下触针在垂直方向的移动
情况并画出薄膜表面轮廓的方法被称为粗糙度仪法。这种方法不仅可以被用来测
量表面粗糙度，也可以被用来测量薄膜台阶的高度。
优点：简单，测量直观；
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，并测量误差较大。
2、称重法
如果薄膜的面积A、密度ρ和质量m可以被精确测定的话，由公式
就可以计算出薄膜的厚度d。
缺点：它的精度依赖于薄膜的密度ρ以及面积A的测量精度。
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3 石英晶体振荡器法
将石英晶体沿其线膨胀系数最小的方向切割成片，并在两端面上沉积上金属
电极。由于石英晶体具有压电特性，因而在电路匹配的情况下，石英片上将产生
固有频率的电压振荡。将这样一只石英振荡器放在沉积室内的衬底附近，通过与
另一振荡电路频率的比较，可以很精确地测量出石英晶体振荡器固有频率的微小
变化。在薄膜沉积的过程中，沉积物质不断地沉积到晶片的一个端面上，监测振
荡频率随着沉积过程的变化，就可以知道相应物质的沉积质量或薄膜的沉积厚度。
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第二节薄膜结构的表征方法
一、简介
二、扫描电子显微镜
三、透射电子显微镜
四、X射线衍射方法
五、低能电子衍射（LEED）和反射式高能电子衍射（RHEED）
六、扫描隧道显微镜（STM）
七、原子力显微镜（AFM）
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一、简介
薄膜的性能取决于薄膜的结构和成分。其中薄膜结构的研究可以依所研究的尺度
范围被划分为以下三个层次：
（1）薄膜的宏观形貌，包括薄膜尺寸、形状、厚度、均匀性等；
（2）薄膜的微观形貌，如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，包括晶粒内的缺陷、晶界及外延界面的完整性、位错组
态等。
针对研究的尺度范围，可以选择不同的研究手段。
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二、扫描电子显微镜Scanning Electronic Microscope (SEM)
工作原理：由炽热的灯丝阴极发射出的电子在阳极电压的加
速下获得一定的能量。其后，加速后的电子将进
入由两组同轴磁场构成的透镜组，并被聚焦成直
径只有5nm左右的电子束。装置在透镜下面的磁场
扫描线圈对这束电子施加了一个总在不断变化的
偏转力，从而使它按一定的规律扫描被观察的样
品表面的特定区域上。
优点