【2019年整理】第七章薄膜材料的表征方法

将其与电子技术相结合，不仅可实现沉积速度、厚度的检测，
6.2 薄膜形貌的表征方法 电子束与固体样品作用时产生的信号
散射 当一束聚焦电子沿一定方向射到样品上时，在样品物质原 子的库仑电场作用下，入射电子方向将发生改变，称为散 射。 原子对电子的散射还可以进一步分为弹性散射和非弹性散 射。 在弹性散射中，电子只改变运动方向，基本上无能量变化。 在非弹性散射中，电子不但改变方向，能量也有不同程度 的衰减，衰减部分转变为热、光、X射线、二次电子等。
薄膜上形成的厚度台阶也会引起光程差S的改变，因而它会
使得从显微镜中观察到的光的干涉条纹发生移动。 条纹移动Δ所对应的台阶高度应为h=Δλ/(2Δ0)
测出Δ0和Δ，即测出了薄膜的厚度
6.1.1 薄膜厚度的光学测量方法
6.1.1.2 不透明薄膜厚度测量的等色干涉法
使用非单色光源照射薄膜表面 采用光谱仪测量玻璃片、薄膜间距S引起的相邻两个干涉极大 条件下的光波长λ1、λ2，以及台阶h引起的波长差Δλ 由下式推算薄膜台阶的高度
化，而θ不变，
h=N1λ1/(2n1cosθ)＝N2λ2/(2n1cosθ)
h= -ΔNλ1λ2/[2n1(λ1-λ2)cosθ] 前提条件是已知薄膜的折射率n1，且不随波长λ变化。
6.1.2 薄膜厚度的机械测量方法
6.1.2.1 表面粗糙度仪法
直径很小的触针滑过薄膜表面，同时记录触针在垂直方向的 移动情况并画出薄膜表面轮廓。 可测量表面粗糙度，也可测量特意制备的薄膜台阶高度，得 到薄膜厚度的信息。 垂直位移的分辨率最高可达1nm。 方法简单，测量直观 缺点在于：
2 h 1 2 2
等色干涉法的厚度分辨率高于等厚干涉法，可以达到小于1nm
6.1.1 薄膜厚度的光学测量方法
6.1.1.3 透明薄膜厚度测量的干涉法
原理： 在薄膜与衬底均是透明的，且折射率分别为 n1 、 n2 时，薄 膜对垂直入射的单色光的反射率随着薄膜的光学厚度 n1h的变化 而发生振荡。 当n1> n2（n2＝1.5，相当于玻璃）时，反射极大的位置： h = (2m+1)λ/4n1 对于n1< n2，反射极大的条件变为：
缺点：必须已知波长λ时薄膜的n1。否则，就需要先由一个假
设的折射率出发，并由测量得到的一系列干涉极值时的入射角 θ′（θ）去拟合它。
6.1.1.3 透明薄膜厚度测量的干涉法
第二种，等角反射干涉法（CARIS）。 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λ。
干涉极大或极小出现的条件与上同，但此时N与λ均在变
（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，其测量误差较大。
6.1.2 薄膜厚度的机械测量方法
6.1.2.2 称量法
精确测定薄膜的A、ρ和m，由h=m/Aρ可计算薄膜厚度h。
缺点：精确度依赖于薄膜的密度 ρ以及面积 A的测量精度；在
衬底不很规则时，准确测量薄膜的面积也较难。 可用于薄膜厚度的实时测量。 采取将质量测量精度提高至 10-8g ，同时加大衬底面积并降低 其质量的方法，甚至可以将薄膜厚度的测量精度提高至低于 一个原子层的高水平。
6.2 薄膜形貌的表征方法 电子束与固体样品作用时产生的信号
6.2 薄膜形貌的表征方法
二次电子：外层价电子激发(SEM)
背散射电子：被反弹回来的一部分入射电子
(SEM)
透射电子（TEM）
俄歇电子：内层电子激发(AES，表面层成分分 析)
6.2 薄膜形貌的表征方法
6.2.1 SEM (scanning electron microscope) ---电镜的发展简史
nc(AB+BC)-AN=2 nchcosθ=Nλ (N-任意正整数)
6.1.1 薄膜厚度的光学测量方法
6.1.1.2 不透明薄膜厚度测量的等厚干涉法
台阶上下沉积一层高反射率的金属层 覆盖半反射半透明的平板玻璃片 单色光照射，玻璃片和薄膜之间光的反射导致干涉现象 光干涉形成极大的条件为S=1/2(N-1)λ 在玻璃片和薄膜的间距S增加ΔS＝λ/2时，将出现一条对应 的干涉条纹，间隔为Δ0。
h = (m+1)λ/2n1
6.1.1.3 透明薄膜厚度测量的干涉法
第一种，变角度干涉法（VAMFO）
在样品角度连续变化的过程中，在光学显微镜下可以观 察到干涉极大和极小的交替出现。当衬底不透明，且具有一定 的反射率时，光的干涉条件为： h=Nλ/(2n1cosθ) 由干涉极值出现的角度θ′和已知的n1，可以拟合求出N和 薄膜厚度h。
• 1935年Βιβλιοθήκη BaiduKnoll提出扫描电镜的设计思想
• 1942年， Zworykin等人通过反复研究，设计了第一台用于观察厚试样的扫 描电镜，并提出形貌反差主要是由二次电子发射所致，获得了 50nm的分辨 率。并且建立了现代扫描电镜的基本理论的。 • 第一台商品扫描电镜于1965年研制成功（英国剑桥科学公司MarkⅠ型）。 • 以后直到70年代末，美、英、法、荷兰、日、德等十多家厂商生产和出售了 6000多台扫描电镜，这些公司积极发展新的改进型仪器，但直到现在，扫描 电镜的基本结构与1942年的仪器仍相差不大。 • 后来扫描电镜的发展主要表现在，电子光源 ——如 LaB6阴极、场发射电子 源，反差机理研究及图像处理功能等方面。
6.1.2 薄膜厚度的机械测量方法
6.1.2.2 石英晶体振荡器法
基于适应晶体片的固有振动频率随其质量的变化而变化的物 理现象。 使用石英晶体振荡器测量薄膜厚度需要注意两个问题: 一，石英晶体的温度变化会造成其固有频率的漂移；
二，应采用实验的方法事先对实际的沉积速度进行标定。
在大多数的情况下，这种方法主要是被用来测量沉积速度。 还可反过来控制物质蒸发或溅射的速率，从而实现对于薄膜 沉积过程的自动控制。
第六章 薄膜材料的表征方法
较为广泛的方法:
薄膜的厚度测量
薄膜的形貌和结构的表征
薄膜成分的分析
薄膜附着力的测量
6.1.1 薄膜厚度的光学测量方法
光学方法可被用于透明和不透明薄膜
使用方便，测量精度高
多利用光的干涉现象作为测量的物理基础
6.1.1 薄膜厚度的光学测量方法
6.1.1.1 光的干涉条件