薄膜材料的表征方法

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
m d A
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。
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第二节
一、简 介
薄膜结构的表征方法
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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fcc-FeNi3
Intensity (arb.unit)
Ta=500 C Ta=400 C Ta=300 C Ta=200 C as-deposited
Ni3C
o o o
o
20
30
40
50
60 70 o 2 ( )
80
90 100
五、低能电子衍射（LEED）和反射式高能电子衍射（RHEED）
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Solid State Laboratory
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Байду номын сангаас
四、X射线衍射方法
特定波长的X射线束与晶体学平面发生相互作用时会发生X射线的衍射，衍射 现象发生的条件即是布拉格公式
2d sin n
其中，λ为入射的X射线波长，d为相应晶体学面的面 间距，θ为入射X射线与相应晶面的夹角，如图所示， 而n为任意自然数。上式表明，当晶面与X射线之间满 足上述几何关系时，X射线的衍射强度将相互加强。 因此，采取收集入射和衍射X射线的角度信息及强度 分布的方法，可以获得晶体点阵类型、点阵常数、晶 体取向、缺陷和应力等一系列有关的材料结构信息。 解决薄膜衍射强度偏低问题的途径可以有以下三条： （1）采用高强度的X射线源。 （2）延长测量时间。 （3）采用掠角衍射技术。
I Vb exp( A 2 S )
Vb是加在针尖和样品之间的偏臵电压，A是常数。 由上式可知，隧道电流强度对针尖与样品表 面之间距非常敏感，如果距离S减小0.1nm，隧道 电流I将增加一个数量级。因此利用电子反馈线路 控制隧道电流的恒定，并用压电陶瓷材料控制针 尖在样品表面的扫描，则探针在垂直于样品方向 上高低的变化就反映出样品表面的起伏，如图 （a）。将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹直接 在荧光屏或记录纸上显示出来，就得到了样品表 恒电流模式 面态密度的分布或原子排列的图象。 S为针尖与样品间距，I、Vb为隧道电流和偏臵
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
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
n( AB BC ) AN 2nd cos N
sin n sin
2、背反射电子像 如图（b）所示，除了二次电子之外，样品表面还会将相当一部分 的入射电子反射回来。这部分被样品表面直接反射回来的电子具有与入 射电子相近的高能量，被称为背反射电子。接收背反射电子的信号，并 用其调制荧光屏亮度而形成的表面形貌被称为背反射电子像。
3、扫描电子显微镜提供的其他信号形式 扫描电子显微镜除了可以提供样品的二次电子和背反射电子形貌以外， 同时还可以产生一些其他的信号，例如电子在与某一晶体平面发生相互作用 时会被晶面所衍射产生通道效应，原子中的电子会在受到激发以后从高能态 回落到低能态，同时发出特定能量的X射线或俄歇电子等。接收并分析这些 信号，可以获得另外一些有关样品表层结构及成分的有用信息。
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六、扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope-STM）
扫描隧道显微镜的基本原理是利用量子理论中的隧道效应。 将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的 距离非常接近时（通常小于1nm），在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极 之间的势垒流向另一电极，这种现像即是隧道效应。 隧道电流I是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S和平均功函数 1 Φ有关：
由2dsinθ=nλ可知，要想对薄膜的表面进行研究，可以采取两种方法。 1、采用波长较长的电子束，对应的电子束入射角和衍射角均比较大。由于这时 的电子能量较低，因而电子束对样品表面的穿透深度很小。 2、采用波长远小于晶体点阵原子面间距的电子束。这时，对应的电子入射角和 衍射角均较小，因而穿透深度也只限于薄膜的表层。 下图分别对应低能及高能电子的衍射方法。
4n1
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），其测量装臵原理图如图。 （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）。
电压，Vz为控制针尖在z方向高度的反馈电压。
对于起伏不大的样品表面，可以控制针尖高度守恒扫描，通过记录隧道电流 的变化亦可得到表面态密度的分布，如图（b）。这种扫描方式的特点是扫描速度 快，能够减少噪音和热漂移对信号的影响，但一般不能用于观察表面起伏大于 1nm的样品。
恒高度模式
任何借助透镜来对光或其它辐射进行聚焦的显微镜都不可避免的受到一条根 本限制：光的衍射现象。由于光的衍射，尺寸小于光波长一半的细节在显微镜下 将变得模糊。而STM则能够轻而易举地克服这种限制，因而可获得原子级的高分 辨率。 从STM的工作原理可知，在STM观测样品表面的过程中，扫描探针的结构所 起的作用是很重要的。如针尖的曲率半径是影响横向分辨率的关键因素；针尖的 尺寸、形状及化学同一性不仅影响到STM图象的分辨率，而且还关系到电子结构 的测量。 返回
2、透射电子显微像衬度形成
用物镜光栅取透射电子束或衍射电子束之中的一束就可以构成样品的形貌像。 这是因为，样品中任何的不均匀性都将反映在其对入射电子束的不同的衍射本领 上。对使用透射束成像的情况来讲，空间的不均匀性将使得衍射束的强度随位臵 而变化，因而透射束的强度也随着发生相应的变化。即不论是透射束还是衍射束， 都携带了样品的不同区域对电子衍射能力的信息。将这一电子束成像放大之后投 影在荧光屏上，就得到了样品组织的透射像。 电子束成像的方式可以被进一步细分为三种： （1）明场像 即只使用透射电子束，而用光栅档掉所有衍射束的成像方式。 （2）暗场像 透射的电子束被光栅档掉，而用一束衍射束来作为成像光源。 （3）相位衬度 允许两束或多束电子参与成像。 右图是Au薄膜的高分辨率点阵 像，从其中已可以分辨出一个 个Au原子的空间排列。
C60
七、原子力显微镜（AFM）
AFM的工作原理如图，将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有 一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间 存在极微弱的排斥力（10-8~10-6N），通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针 尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表 面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描 各点的位臵变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。
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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。装臵在透镜下面的磁场 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次电子信号来调制荧光屏的扫描 亮度。由于样品表面的起伏变化将造成二次电子发射 的数量及角度分布的变化，如图（c），因此，通过保持屏幕扫描与样品表面电子 束扫描的同步，即可使屏幕图像重现样品的表面形貌，而屏幕上图像的大小与实 际样品上的扫描面积大小之比即是扫描电子显微镜的放大倍数。
场发射扫描电子显微镜 Field Emission SEM (FESEM) 分辨率可达1-2 nm
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三、透射电子显微镜 Transmission Electronic Microscope
特点：电子束一般不再采取扫描方式对样品的一定区域 进行扫描，而是固定地照射在样品中很小的一个 区域上；透射电子显微镜的工作方式是使被加速 的电子束穿过厚度很薄的样品，并在这一过程中 与样品中的原子点阵发生相互作用，从而产生各 种形式的有关薄膜结构和成分的信息。 透射电子显微镜的基本工作模式有两种：影像模式和衍射模式。 两种工作模式之间的转换主要依靠改变物镜光栅 及透镜系统电流或成像平面位臵来进行。 1、透射电子显微镜的衍射工作模式 在衍射工作模式下，电子在被晶体点阵衍射以后又 被分成许多束，包括直接透射的电子束和许多对应于不 同晶体学平面的衍射束。 右图是不同薄膜材料在透射电子显微镜下的电子衍射谱， 通过对它的分析可以得到如下一些薄膜的结构信息： （1）晶体点阵的类型和点阵常数； （2）晶体的相对方位； （3）与晶粒的尺寸大小、孪晶等有关的晶体缺陷的显微结构方面的信息。