文档介绍：第六章薄膜材料的表征方法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第一节薄膜厚度测量技术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一、薄膜厚度的光学测量方法 1、光的干涉条件( ) 2 cos n AB BC AN nd N ? ?? ??? sin sin n ? ???观察到干涉极小的条件是光程差等于( N+1/2 )λ。 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。 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 n 1和n 2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 n 1d的变化而发生振荡,如图中针对 n 1不同,而 n 2= 时的情况所画出的那样,对于 n 1>n 2的情况,反射极大的位置出现在 1 (2 1) 4 mdn ???在两个干涉极大之间是相应的干涉极小。对于 n 1<n 2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。 1 ( 1) 2 mdn ???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 )。返回二、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 mdA??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。 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。返回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 )返回一、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。返回二、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:提供清晰直观的形貌图像,分辨率高,观察景深长, 可以采用不同的图像信息形式,可以给出定量或半定量的表面成分分析结果等。 1、二次电子像二次电子是入射电子从样品表层激发出来的能量最低的一部分电子。二次电子低能量的特点表明,这部分电子来自样品表面最外层的几层原子。用被光电倍增管接收下来的二