薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征ppt课件.ppt

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1、薄膜材料与技术Thin Film Materials & Technologies,武涛 副教授2008年 秋季学期,役鼎骚啡霓路牡样逃佯富掀拈掠邮俯吟规智紧冈哼阉畴膘焉匀抵验岂寝浓01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,薄膜厚度及沉积率表征方法的主要分类：5.1.1 气相原子密度法一、测量原理 (如右图所示，与电离真空计类似)：1、气相原子进入探头 灯丝热电子轰击 电离；2、电场作用下：电离出的电子阳极、离子阴极 (收集极)；3、收集极电流 Ii 和阳极电流 Ie 满足：Ii nIe 沉积速率 ( ) 满足： 膜厚 D 满足： 此

2、处：n 气相粒子密度； 膜材料密度； a 常数。二、特点：1、膜厚测量的相对误差 10%；2、测量结果和蒸发源温度及残余气体气压有关 (分别影响 a 和 Ii )。,5 薄膜表征,5.1 薄膜的厚度/沉积速率,谅矩转准符蛇艾痞肃猫入匪线映蚁徽安雇诚轩岩郭咸佩感恩端萝恩芯戈骡01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,1、测量原理：调整线圈电流，使薄膜增重引起的重力力矩 和线圈所产生磁场与吸铁间的磁场力达到平衡， 即可换算出薄膜质量，而薄膜厚度满足：2、特点： 灵敏度很高 ( 0.01g)，可测单层原子膜厚。5.1.3 石英晶体振荡法1、

3、测量原理：基于石英晶体薄片的固有振荡频率随其质量变化 而改变的物理现象，石英晶体的固有频率满足：式中：v 厚度方向弹性波波速；Dq 石英晶体的厚度。当薄膜沉积使其厚度发生微小变化 Dq 时，固有频率的变化 f 满足：式中：Df 薄膜的厚度； f 薄膜材料的密度； A 石英晶片的面积； 0 石英晶体的密度。,5 薄膜表征,5.1 薄膜厚度/沉积速率5.1.2 微平衡称重法,微平衡称重法的测量原理示意图,石英晶体振荡法的测量原理示意图,狮暑萤撞艺骇品士幢卓矫恐特化讼庭苍恒袖勋劈操菲厨雇袱汐窘拴醇享拿01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征

4、,1、测量原理： 由 (5-4)式可知：沉积过程中随着薄膜厚度的增加，石英晶片 的固有频率也在不断变化，测得其故有频率的变化 f，即可 由式 (5-5) 实时测得薄膜厚度 Df：2、特点：1）测量的灵敏度与石英晶体薄片的厚度有关，越薄越灵敏！ 由式 (5-3) 可知：Dq f0 由式 (5-5) 可知：f0 Df 的测量灵敏度！ 如固有频率 f0 = 6 MHz时，若频率变化的测量精度为 1 Hz，则可测得 1.210-8 g 的质量变化！ 此时假设基片面积为 1 cm2，沉积材料为Al，则厚度灵敏度相当于 0.05 nm ！2）应用广泛、主要用于实时测量沉积率 实现镀膜过程自动控制！3）环境

5、温度变化会造成石英晶体固有频率发生变化 要求恒温环境 需要冷却系统！4）式 (5-5) 只是近似成立，且薄膜的有效面积不完全等于石英片面积 测量结果需要标定和校正！,5 薄膜表征,5.1 薄膜厚度/沉积速率5.1.3 石英晶体振荡法,石英晶体振荡法的测量原理示意图,训阿蛀呐襟新茧揪拿缘烩国符变扔笺箩锡喀只猪眺弧棒屉仙曰抄芝选侦想01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,1、光的干涉条件 (不考虑半波损失)：1）什么是光的干涉：指满足一定条件的两列相干光波相遇叠加，在叠加 区域某些点的光振动始终加强、某些点始终减弱， 即干涉区域内光强产

6、生稳定空间分布的现象。 光的干涉现象是光学干涉法测量薄膜厚度的基础！2）相干光： 概念：频率、振动方向相同，且光程差恒定的两束光； 获得：把同一光源发出的光束分为两束，再使之相遇！3）光程差：设薄膜的厚度和折射率分别是 Df 和 nf，入射单色光波长为 ， 空气的折射率 n01，则 P 点处反射光ADP与折-反射光CEP 间的光程差 满足: 式中： 折射角，满足： 4）干涉条件： 干涉极大条件 是 的整数倍，即： = N； 干涉极小条件 = (N+1/2) ！可见：利用光的干涉实现对薄膜厚度的测量，需要设计出对光强空间 分布变化的具体测量方法！,5 薄膜表征,5.1 薄膜厚度/沉积速率5.1.

7、4 光学干涉法,光的干涉现象及其实现薄膜厚度测量的原理,篇于捌运扣和拙时之绊误胁溶傲果警宾境雌铱涌被辟弟窟彪宵编烩芭恐股01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,2、透明薄膜的等倾干涉测量：1）测量原理：基片不透明且具有一定反射率时，光的干涉条件为：式中：N 干涉级数； 光的波长； nf 薄膜的折射率； 干涉极值出现的角度。 2）分析： 薄膜的折射率 nf 已知：则直接由干涉极值出现的角度 即可拟合出 N 和膜厚 D； 如果 nf 未知：可假定一个 nf 的初始值，由一系列干涉极值出现时对应的入射角 拟合出 nf。3）实际测量过程：

8、利用波长 已知的单色光入射到薄膜表面，并由光接收器测量反射回来的干涉光强； 在薄膜沉积过程中，膜厚 D 在不断变化，如果沉积速率不变，将可以观测到干涉光强周期性变化； 每次光强变化对应的膜厚变化可表示为： 由此即可推算薄膜的沉积速率和厚度。,5 薄膜表征,5.1 薄膜厚度/沉积速率5.1.4 光学干涉法,等倾干涉测量透明薄膜厚度原理课本 P234 图6.4,韩篓炙仓横丈蜒丁媚罩哉睛裔尤课战蹿镑锭所韧墨壁殃拧印赊匿团负栖冯01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,3、不透明薄膜的等厚干涉测量：1）测量条件： 薄膜沉积后形成台阶； 薄膜表

9、面放置参考玻璃片，实现半反半透。2）具体实现： 在薄膜的台阶处沉积高反射率 Al/Ag 金属层； 薄膜表面反光率 干涉条纹锐度和测量精度！ 在薄膜上覆盖一块平板玻璃片 实现分光效果！3）测量原理： 单色光照射下，玻璃片和薄膜之间光的反射导致干涉现象发生，此时干涉极大条件为： 薄膜与玻璃片之间的距离 S 引起的光程差 为波长 的整数倍，即： 此处：ph 光在玻璃片和薄膜表面发生两次反射时造成的相移。 从玻璃片表面反射和从薄膜表面的反射都是向空气反射，其相移之和为 + ， 因此干涉极大条件可写作： 玻璃片与薄膜表面一般不完全平行，也会造成干涉条纹出现：每当 S =/2 时，出现间距为 0的干涉条纹

10、； 如右图所示：台阶造成的条纹间距为 ，且台阶高度 (膜厚) 满足： 分别测得 和 0，就可以计算出台阶高度 (测得膜厚 D)。,5 薄膜表征,5.1 薄膜厚度/沉积速率5.1.4 光学干涉法,等厚干涉测量不透明薄膜厚度的原理课本 P230 图6.2,叁导榆赘易躬搔亭揉亏柞感恼疗娄恭铡走耘儒之潜偏鄂氮绕塑秽宪卫肛徐01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,4、不透明薄膜的等色干涉测量：1）测量条件：测量装置与等厚干涉相同，但采用非单色光源。2）区别：无等厚干涉条纹出现，但可由光谱仪记录到一系列满足干涉极大条件的光波波长 ！3）测量原理

11、： 光谱仪检测到相邻两次干涉极大的条件为： 式中：1、2 分别为可引起干涉极大的相邻波长，N 相应的干涉级数。 薄膜台阶上下，形成 N 级干涉条纹的波长不同，其波长差 满足： 测得 和 N，即可得到 D：4）说明： 等厚干涉用显微镜观察干涉条纹的移动、等色干涉用光谱仪测量波长差； 等色干涉法的分辩率 等厚干涉法 测量精度可达 1 nm！,5 薄膜表征,5.1 薄膜厚度/沉积速率5.1.4 光学干涉法,蛙椒姆讶獭质备焙椰优蛆耸臣惰仪葵煎九回航段价帅讼均郎坞胳煮档波萍01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,1、测量原理：直径很小的触针

12、(探针) 在一定载荷作用下滑 过被测薄膜表面，同时记录下触针在垂直方 向的位移大小并描绘样品表面轮廓，在薄膜 边缘处轮廓的突变即薄膜的厚度（实际上是 表面轮廓测量）。 可同时测得薄膜的表面粗糙度及膜厚！2、仪器特征：1）探针：一般为金刚石，头部磨成 R= 2-10 m的圆弧形；2）载荷：一般为 1-30 mgf；3）分辩率：1 nm (机械/光电放大位移量 103-106倍)。3、基本矛盾： 不破坏样品表面真实形貌 探头头部接触压力 大直径探头有利； 能分辨表面形貌微小起伏 探头跟随性、分辨率 小直径探头有利！ 4、优、缺点：1）方法简单、测量直观；2）适合硬膜测量，容易划伤较软薄膜并引起测量

13、误差；3）对表面很粗糙的薄膜测量误差较大。,5 薄膜表征,5.1 薄膜厚度/沉积速率5.1.5 探针法 (粗糙度仪),探针法的测量原理,蒋盾播创策竹兢涨坑郝令考炭曰群琶疥亚沼雪啄舰适肩寺者妓狙误甄碉顷01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,1、测量原理：用高硬度的磨球通过传动机构在薄膜表面接触滚动， 待薄膜磨穿之后，测量磨坑直径和薄膜磨穿区宽度， 进而通过几何关系折算出薄膜的厚度。2、基本特点：1）简单快捷、可测多层膜内每层厚度； 2）一定程度上还可评定磨损率及膜基结合强度； 3）后效测量手段、使用近似公式有一定测量误差。3、近似公

14、式： 磨坑直径及磨穿区宽度 磨球直径 Db 时， 任意一层薄膜的厚度 D 近似满足： 式中：d 该层薄膜下表面对应磨坑直径； y 该层薄膜对应的磨穿区宽度。课后作业：1、薄膜材料的表征一般可分为哪几大类？2、薄膜厚度和沉积率的实时监测主要有哪些方法？已镀制薄膜厚度的测量方法主要有哪些？其中哪些可用于透明薄膜的厚度表征？3、选择三种膜厚/沉积速率表征法，图示说明其测量原理、特点和适用场合。,5 薄膜表征,5.1 薄膜厚度/沉积速率5.1.6 球痕法 (Ball-Crater),球痕法的测量装置及原理,蒂呢赣民吮兢妹晒鞍枪今濒两搔醛织姓应珍暖萤之尘鼻惯望估禄栖鄂尤黑01190660薄膜材料与技术0

15、5级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,一、测量原理：1、炽热的灯丝（阴极）发射出的电子在电场作用下被加速；2、加速电子进入两级磁聚焦透镜，会聚成直径约 5 nm的电子束；3、聚焦电子束被导入偏转扫描线圈，在磁场作用下扫描照射样品表面；4、电子束照射所激发的各种产物粒子束被样品附近的探测器接收， 形成反映样品形貌的电子像或结构成分的波谱。二、基本特点：1、类似光学金相，可提供清晰直观的表面/截面形貌像；2、分辩率高，景深大；3、可采用不同分析模式作定量/半定量的表面成分分析；4、是目前材料研究最常用手段之一，应用极为广泛。三、电子束的作用区域及主要成像粒子：1、电

16、子束入射到样品表面后，会与表面层的原子发生各种交互作用， 其作用区域大致为一个梨形区域，深度约 1m；2、该区域在电子束照射下可实现成像和波谱分析的主要激发粒子是： 最表层 (10)：俄歇电子； 浅层 (50500)：二次电子； 梨形区上部：背散射电子； 梨形区下部：特征X射线。3、分别接收上述激发粒子，处理后可显示表层的各种形貌/成分信息。,5 薄膜表征,5.2 薄膜形貌/结构5.2.1 扫描电子显微镜 (Scanning Elelctron Microscopy),SEM的结构与主要组件,SEM的成像粒子及测量原理,复锅弥郊仁痉吁蝎憾轩尽酝促慕妻禾崖镇唱脏缴届值哭靴冗染沟荤洋玻望01190

17、660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,四、主要成像模式：1、二次电子像 (反映表面形貌)：1、入射电子从样品表层激发出来能量最低的一部分电子 (来自较浅层 原子的受激发射)；2、表面起伏变化会造成二次电子发射数量和角分布变化（如前页图)；3、具有较高的分辩率 (5-10 nm)：来自浅表层，分辩率较高；4、景深很大 任何形状直接观察 无须抛光处理！5、要求样品具导电性 防止电荷累积 不导电样品喷Au喷C处理！2、背散射电子成像 (反映元素成分 + 形貌)：1、背散射电子：被样品表面直接碰撞散射返回的高能电子。 能量水平与入射电子相近！2、背

18、散射电子像：接收背散射电子形成的电子像。3、特点： 原子对入射电子的反射能力随原子序数 Z 而缓慢 背散射电子像可反映元素分布 成分分析 (面分布)！ 重元素反射能力 亮区 (右图亮区为富 Pb 成分区域！) 电子能量较高 穿透能力 作用区域深、广 成像分辨率不如二次电子像 (50-200 nm)！ 样品表面很粗糙时，成分衬度甚至会被形貌衬度掩盖！,5 薄膜表征,5.2 薄膜形貌/结构5.2.1 扫描电子显微镜 (SEM),PbSn镀层表面的二次电子像,同一区域的背散射电子像,扶烙著北辑洒尸聂格醚辟岩翠强亥冉棠去旭缩笆疚炭瓢郭蚀频兆搀栏解院01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01

19、190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,一、测量原理：1、把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子在 穿过样品的同时与样品原子碰撞而改变方向，从而产生立 体角散射；2、散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可形成明暗 不同的影像；3、通常：TEM的分辨率达 0.10.2 nm； 放大倍数为 n104n106倍。 用于观察材料的精细结构，又称“亚显微结构”！二、与SEM的主要区别：1、电子束照射方式不同：SEM 扫描式照射较大区域； TEM 固定照射很小区域。2、接收方式不同：SEM 表层激发或散射的 e (AE、SE、BSE)、 (X-ray)； TEM 电子束穿过很薄样品并

20、与样品原子点阵交互作用后被接收！ TEM 的关键：电子束与样品原子点阵的相互作用 携载结构/成分信息！三、TEM的主要工作模式：1、影像模式：物镜光阑置于样品像平面位置 透射电子束直接成像 获得样品的结构、形貌信息！2、衍射模式：物镜光阑置于衍射斑点平面位置 衍射斑点成像 获得样品的晶体学、成分信息！,5 薄膜表征,5.2 薄膜形貌/结构5.2.2 透射电子显微镜 (Transmission Electron Microscopy),TEM的两种工作模式,慕购猛裁纷秘姑须度晨壳臀隶佐辽啪浓制郴书壹秉土姐避厨蓉荧歧兴铆甄01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与

21、技术05级第5章薄膜表征,四、薄膜 TEM 样品的制备：1、为防止样品晶体点阵背散射造成电子束不能穿透样品 样品厚度很薄：一般 0.5 m 需要进行减薄处理！2、减薄的基本步骤： 平面样品：抛光 离子减薄； 截面样品：切片 粘合抛光 离子减薄；五、衍射模式：1、电子的波长： 式中：h 普朗克常数； me 电子质量； qe 电子电量； V 加速电压。 电子波长极短 V100 kV时，e = 0.0037 nm！2、电子衍射的条件 (布拉格公式)：3、电子衍射的特点： 电子衍射要求满足的布拉格条件的衍射角 很小； 透射电子束和衍射电子束接近平行 几乎平行于衍射晶面！,5 薄膜表征,5.2 薄膜形貌

22、/结构5.2.2 透射电子显微镜 (TEM),薄膜截面样品的减薄,薄膜平面样品的减薄,北舶廊梭涂俩块为毯屿节贴葛崖碌烘净赵话慧盏芳惦完揍偷弓廊陋终橇烙01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,五、衍射模式：4、典型薄膜结构对应的电子衍射花样特征 (如右图所示)：1）非晶薄膜：只有中心粗大透射斑；2）纳米晶薄膜：中心粗环 + 外围较粗的连续环；3）细晶粒多晶薄膜：断续环状特征 (右图 a )；4）粗晶粒多晶薄膜：环 + 点特征 (右图 b )；5）单晶薄膜：规则斑点阵列 (右图 c )。5、衍射模式可实现表征的薄膜结构信息：1）晶体点阵

23、类型和点阵常数；2）晶体的相对位向 (织构取向)；3）晶粒的尺寸；4）孪晶、位错等晶体缺陷信息。6、最常用的公式：式中：a 晶格常数； dhkl 沿hkl 晶向的晶面间距； e 电子波长； L 像平面-样品间距； R 衍射环的半径。,5 薄膜表征,5.2 薄膜形貌/结构5.2.2 透射电子显微镜 (TEM),典型薄膜结构的电子衍射花样,变瞳汛性止椰寥星处炬娄枚已巢告操修股槽针圆裹夯抓徽裂总猖感箍第蕉01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,六、影像模式：1、成像特点：1）用物镜光阑选取透射电子束 或 任一衍射电子束直接成像得到；2）样

24、品不均匀性 衍射束强度变化 放大成像 样品结构的透射像。2、三种成像方式及特点： 相位衬度像可实现高分辨率晶体点阵像成像的原因！,5 薄膜表征,5.2 薄膜形貌/结构5.2.2 透射电子显微镜 (TEM),负奸赌叫粗鸦醒重模虞加犬歉刚扣始癣巍侄喻各壳验枫泡歇题脏时拂蛾次01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,一、XRD的测量原理及特点：1、衍射条件：2d sin = n (布拉格条件) 衍射前提： a (晶格常数) 2、电磁波的波长满足： E 的大致水平：Ee102 eV、En10-2 eV、E104 eV！3、XRD的特点： 波长

25、很短 (0.0110 nm)、能量极高 (104 eV) 穿透样品能力极强； 穿透能力强 要产生足够的衍射强度需要被辐照样品区域足够大 ( 电子衍射)； 不易会聚 空间分辩率较低。4、测量原理：样品晶面与入射X射线束满足 Bragg 条件：衍射强度 入射/衍射角 + 强度分布 材料结构信息：点阵类型、点阵常数、晶向、缺陷、应力二、薄膜样品与块体/粉末样品 XRD的区别：1、普通XRD：入射角 = 20120o、穿透深度 10100 m 主要衍射信息来自基体 薄膜不适用！ 入射-衍射束构成平面垂直于样品表面 发生衍射的是与样品表面平行的晶面！2、GIXRD：X射线采用小角度掠入射 (06o) X

26、射线的主要穿透区域在薄膜内 入射-衍射束构成平面平行于样品表面 发生衍射的是与样品表面垂直的晶面！三、GIXRD的效果：参与衍射以薄膜原子为主 基体材料干扰 获得更多薄膜材料结构信息！,5 薄膜表征,5.2 薄膜形貌/结构5.2.3 掠入射X射线衍射 (GIXRD),GIXRD的实现原理,杂岭晰燃迭僚荡碱残版姓骗畅娟丙腿婿媒计重把昼河攀衣亦闻事志诉蕊贡01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,一、出发点： 电子衍射可以揭示晶体点阵的周期性势场排布； TEM 电子衍射 电子能量较高 穿透式 (非表层信息)； 电子能量 仅表面原子衍射 揭

27、示薄膜结构特性！二、具体实现 (如右图1)：1、101000 eV的低能电子从薄膜法向入射到薄膜表面；2、低能电子只受到表面晶体二维平面周期场的作用，其衍射斑点 对应薄膜表面晶体结构： 一定时，一维原子链的衍射为围绕其轴线的两个锥面 (图 2)； n 不同时 (周期性排布变化)产生椎角不同的衍射锥面对； 二维点阵的衍射方向是上述不同方向、椎角衍射锥面的交线！3、利用球面荧光屏截取衍射线 LEED斑点 (图4) 表征原子排列的周期性和对称性，并非实际原子的位置！三、LEED的缺点 (如右图 3 所示)： 半级斑点相同 点阵结构可以完全不同 只能推断、不能确认 需要其它测试手段进一步确认材料表层的

28、点阵结构！,5 薄膜表征,5.2 薄膜形貌/结构5.2.4 低能电子衍射 (Low Energy Electron Diffraction),1,2,3,4,耿嵌獭绵派探穷艺砌葬揣嗜巩舰碳妆浑鸥纸腕也盗拭苇镰粹照帛景滓饰指01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,一、测量原理：测量物质原子间作用力！1、原子间距 1 nm时，原子间的 Lennard-Jones势显著化 原子间产生较强相互作用力，并满足： F = -6Ar-7 + 12Br -13 (5-17)2、原子间距离 原子间作用力 可由微探针受力大小换算出表面原子高度 样品表面

29、形貌 获得的是原子力图像，并非真实形貌！3、核心部件：直径 1020 nm的显微探针 + 压电驱动装置二、主要工作模式：1、接触式：探针与样品表面极为接近 直接受很强斥力作用 分辩率很高！2、非接触式：探针以一定频率在样品表面上方 5-10 nm处振动 受表面-探针间引力作用 (F -10-12 N) 分辩率低、但不会接触/损坏/污染样品！3、拍击式：振动 + 接触模式 (振幅约100 nm) 每次振动中接触样品表面一次 兼具高分辨率和非接触式不影响样品的优点！,5 薄膜表征,5.2 薄膜形貌/结构5.2.5 原子力显微镜 (Atom Force Microscopy),AFM的基本构成,原子

30、力与原子间距的关系,烈表慧确钉续站腕看钦坊轰兔雨急改阁赢晋秧膨鹏铜袱廓端郧嘲航橱皖轧01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,一、测量原理：利用量子力学的隧道效应测量表面形貌！1、利用一根非常细的钨金属探针实现测量；2、当针尖与样品表面距离极小时，针尖原子的外层电子会通过 “隧道效应”跳到待测物体表面上形成隧道电流；3、由于样品表面原子级微小起伏会影响隧道电流的大小，只有 不断调整针尖相对于物体表面的高度才能维持恒定的隧道电 流，针尖高度的调整轨迹即可对应待测样品的表面形貌。二、主要特点：1、探针直径：0.110 m；2、针尖-样品表

31、面距离：1 nm左右；3、分辩率：法向 0.01 nm，切向 0.1 nm (极高！)；4、隧道电流的直接相关量是表面电子态密度，如果存在其它 影响电子态密度分布的因素，则可能得到“伪表面形貌”！5、要求待测样品具有导电性或者是半导体；6、可在真空、大气、常温、低温等不同条件下工作，甚至样 品可浸在水、电解液、液氮或液氦中；7、可观察到表面的原子结构，是显微镜技术的一大进展，也 成为纳米技术的主要分析工具 (如右图所示)；8、可推动表面原子迁移，实现原子级表面重构 (如右图)！,5 薄膜表征,5.2 薄膜形貌/结构5.2.6 扫描隧道显微镜 (Scanning Tunneling Micros

32、copy),STM的基本构成及原理图,STM测得的表面原子结构和实现的原子操纵,惺抬蕾攀鹃苯兔字恶镜拌渺襄窑吟炽钟不喇软其抄鹃丽嘉误裸爪主衡托鞘01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,一、出发点： 利用激发源 (如：电子束、离子束、光子束、中性粒子束等)，有时还加上电磁场、温度场的辅助，使被测样品发射携带元素成分信息的粒子，实现化学组成、相对含量的分析。二、主要分析方法：,5 薄膜表征,5.3 薄膜成分5.3.1 概述,4,薄膜成分表征的基本原理,丝敬笺罚乖始肆粒见棠洞垢啤嘉吟肠递楼赖琴绘肾贬扣酶筷铣煌唱山裤毒01190660薄膜材

33、料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,5 薄膜表征,5.3 薄膜成分5.3.1 概述,4,内层电子跃迁以及相应X射线、电子发射过程 a. 基态原子内层电子排布； b. K层电子空能级的产生； c. 特征X射线的产生； d. 俄歇电子的产生。,三、电子激发原理简介：1、物质原子的电子层结构： 内层电子排布：取决于元素成分 (原子序数)； 外层电子排布：取决于化学键合； 因此：成分分析基于待测材料原子内层电子 受激所致变化及对应发射现象！2、基态 (如右图 a)： K、L、M 分别表示1s、2s-2p、3s层； L1、L2,3 表示 2s 和 2p 亚层。

34、3、受激 (如右图 b)：入射高能粒子能量激发下，最内层的 K 层上电子受激逃逸，产生一个空能态！4、发射X射线填充空能态 (如右图 c)：第一种可能！ 空能态被一个外层电子填充 (如：一个 M 或 L 层电子)，并在电子跃迁至能量较低的该空能态位置时， 发射一个 光子 (x-ray)以释放能量，该 光子的能量满足： 式中：E 电子跃迁前后能级能量差； X射线波长；h 普朗克常数；c 真空中的光速。 内层电子能级与外层电子状态关系不大 E、 只取决于材料元素种类 (原子序数) 特征X射线 波长只与元素种类有关 可被用来分析材料成分 X射线谱分析成分的基础！ 特征 X 射线的命名：LK 跃迁 发

35、射的X射线 称 K 线；MK 跃迁 发射的X射线 称 K 线； ML 跃迁 发射的X射线 称 L 线；依次类推。,仑钉优醛粳橙评阁肉佰沤葫君志萍肛强了帕桐山肋打隅澡酸擞习嫉缩两魔01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,5 薄膜表征,5.3 薄膜成分5.3.1 概述,4,内层电子跃迁以及相应X射线、电子发射过程 a. 基态原子内层电子排布； b. K层电子空能级的产生； c. 特征X射线的产生； d. 俄歇电子的产生。,三、电子激发原理简介：5、一个外层电子填充空能态，另一个外层电子 释出以释放能量，即Auger电子 (如右图 d)：

36、 第二种可能！ 放出的Auger电子的能量 EAE 满足：式中：EK K能级的能量； E1 次外层电子原来能级的能量； E2 放出的Auger电子原来能级的能量。 Auger电子的标记：涉三个能级、更复杂 (右上图 d) KL1L2电子 需三个字母标记，如：KL2L1、LMM电子等， 而KL1L2电子和KL2L1电子的能量相同！6、实例：金属Ti 特征X射线：K4510 eV/0.275 nm K4930 eV/0.251 nm 特征Auger电子：L3M3M4电子1：417 eV/2.97 nm L3M3M4电子2：386 eV/3.21 nm,酉逊隅胶嘱椎于形炒理扔鹰呕悼暑世狭污鞭爷狼屉旁

37、讳坎械鱼侣汝粟龋钱01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,5 薄膜表征,5.3 薄膜成分5.3.1 概述,4,三、电子激发原理简介：7、原子序数的影响： 特征X射线： 原子序数较小 只有 K系谱线； 原子序数较大 有 K系和 L系谱线； 原子序数 50 K、L、M 三系谱线才会同时出现！ Auger电子能量： 与X射线谱线出现规律类似：轻元素谱线少，重元素谱线多！5.3.2 俄歇电子能谱 (AES, Auger Electron Spectroscopy)一、概念及特点：1、AES：即以电子束激发样品中元素的内层电子，使之发射出Au

38、ger电子， 然后接收、分析这些俄歇电子的能量分布，达到分析样品成分的方法。2、特点： 一般需要在超高真空 (P 10-8 Pa)环境下进行，以避免样品表面被污染； 一般都有离子枪装置，以对样品表面进行离子轰击清洁样品表面， 并可通过溅射进行离子刻蚀，进行深度分析； 电子的加速电压一般仅为2000 eV左右，远低于电镜但高于LEED分析。,原子序数对X射线谱线特征的影响,原子序数对Auger电子能量谱线特征的影响,罐掠汛率礁砍血摹灼瘴八璃忧案止排兄启崇硬湍逸几判横瘸倡惦概扇烦茅01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,5 薄膜表征,5

39、.3 薄膜成分5.3.2 俄歇电子能谱 (AES),4,二、逸出深度及能量筛选器：1、Auger电子能量与其逸出深度间的关系 (如右图1所示)： Auger电子的能量在数十数百 eV之间时，逸出深度最小！ 该能量范围的Auger电子最适合表面成分分析！ 有必要进行能量筛选！2、电子能量分析器： 筒镜型 (CMA, Cylindrical Mirror Analyzer)：如右图2所示 由内外两个同心金属圆筒将能量过高或过低的Auger电子 过滤掉，只允许特定能量范围电子进入接收器； 改变圆筒电压 (-V) 可改变通带范围，实现能量扫描。 半球型 (SDA, Separated Doughnut

40、 Analyzer)：如右图3所示 Auger电子通过加有不同电压的内外两个同心金属半球 构成的空间区域，实现能量筛选； 改变半球电压 (-V1、-V2) 可改变通带范围，实现能量扫描。三、AES的优点：1、AES的分析深度只有几个纳米，很适合作表面成分分析；2、AES往往还附加有离子枪，可在溅射剥离样品表层材料的 同时进行成分-深度分析，获得样品成分-深度的变化曲线！,1,2,3,挞抗欺苑沛诬请屋友赘闪烩凌抒此仔雨占液洲夏事鞠干绳培复侣歪须执穿01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,5 薄膜表征,5.3 薄膜成分5.3.3 电子显

41、微探针分析 (EMA),4,一、概述：1、EMA的概念：以具有一定能量、精细聚焦的电子束照射样品， 使样品局部微米级区域内激发出特征X射线，对 特征X射线进行谱分析获得材料微区成分的方法。2、特点： 其探测区域很小 (m级)，因此得名电子显微探针分析； 因其入射高能粒子束为电子束，因此广泛与 SEM/TEM 结合，成为材料研究中使用最广泛的成分分析手段！ 3、分类：二、EDX：1、核心部件：反向偏置的 Si/Li 二极管 将接收到的X射线光子转换为电压以实现脉冲计数。2、测量原理：不同能量的X射线 激发出不同数量 (n) 的电子-空穴对 接收二极管的脉冲电压 V n 获得入射X射线能量 E-I

42、 (强度计数) 关系 能谱图 3、特点：测量速度快，但能量分辩率较低 (仅150 eV左右) 对能量接近的不同特征X射线的分辨能力较差！ 解决方法：采用更高精度的WDX！,EMA的测量原理示意图,Ni基合金的EDX谱实例,偷挽烟馅评煤锁晋哦超钥坚截票掳酥褐犬吻前给呆滩熟今烘叠度豫赂淤镀01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,5 薄膜表征,5.3 薄膜成分5.3.3 电子显微探针分析 (EMA),4,三、WDX (EPMA)：1、出发点：只探测满足Bragg条件 ( ) 的特征X射线！ 按照 X射线的波长记录强度变化 实际上是一种波谱

43、仪 (如右图所示)！2、基本分析元件：单晶分光晶体 旋转中以其晶体学平面对X射线进行衍射分光！ 再以闪烁计数器按波长记录特征X射线强度！3、特点： 晶体分光的波长分辩率很高 能量分辩率比EDX高一个数量级以上！ 分析速度很慢 需要一个波长一个波长地扫描！ 由于元素分析精度很高，又称电子探针 (Electron Probe Micro-Analyzer)！5.3.4 X射线光电子能谱 (XPS, X-ray Photoelectron Spectroscopy)一、测量原理：以能量足够高的 光子 (70 keV) 作为激发源，通过 光电效应产生出具有一定能量的电子，分析具有特 征能量的电子，实现

44、样品化学成分分析。二、特点：1、由于X射线聚焦不佳，XPS的空间分辩率较低 (不到0.010.x mm)；2、XPS的能量分辨率很高，不仅可以分析元素成分，而且可以识别化合态。,Ni基合金的WDX谱实例,XPS设备示意图1 软X射线源； 2 靶材(Al/Mg)；3 高能光子(软X射线)； 4 样品；5 电子光学系统；6 电子探测器；7 能量分析器,慎碍汲腑肾札干之臻奄扎粮坎广樟痕香轨兑茂尸吹吵竿忱辑卧冕妈铜障芳01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,5 薄膜表征,5.3 薄膜成分5.3.5 卢瑟福背散射 (RBS, Rutherfo

45、rd Back Scattering),4,一、概念和原理：1、卢瑟福背散射 ：具有较高能量的轻质离子在与其它物质原子 碰撞时，会发生散射角很大的背散射现象， 称为。2、测量原理： 高能轻质离子具有一定的物质穿透能力，不会造成溅射； 高能离子接近样品材料原子核时：发生经典弹性碰撞！ 入射离子-原子核间的库仑斥力改变入射离子的动能/动量 使之发生背散射！ 背散射离子的能量 E 满足： 式中：E0 入射离子能量；K 运动学参数；M0 入射离子质量；M 样品材料原子质量； 散射角。 M0、E0、 已知时，即可由 E 求得样品原子质量 M，确定表面原子成分。二、特点：1、分析速度快，能给出表面下不同种

46、类原子的深度分析，并能进行定量分析。 2、深度分辨率为1020 nm； 3、重元素分析灵敏度很高，轻元素探测受限； 4、背散射粒子仅仅是能量不同，因此，质量相近的两种元素就可能无法分辨。,RBS测量系统示意图1 背散射角 ； 2 散射束；3 散射粒子探测器； 4 MeV He+ 入射束；5 样品； 6 加速器,RBS的物理过程示意图,苫感钒智秽贞叶冻族哨碑叶刚角狭赴枕庆走祸觉血茹迅怯当易合咙慧颜腮01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,5 薄膜表征,5.3 薄膜成分5.3.6 二次离子质谱 (SIMS, Secondary Ion

47、Mass Spectroscopy),4,一、测量原理：1、质谱 ：利用电离后原子、分子或原子基团质量不同的特点 分辨材料化学构成情况的方法。 可以直接分析已处于气态的原子/分子。2、分析基础： 一定能量的离子 (2-15 keV)打到固体表面会引起表面原子、分子或原子团的二次发射，其中有一部分带有 正、负电荷，这就是二次离子； 利用质量分析器接收分析二次离子就得到二次离子质谱。二、实现过程：离子轰击样品 溅射 二次离子 电磁过滤 接收分析！1、入射离子种类和二次离子极性对溅射产额影响很大：探测正离子时：宜采用 O2- 离子轰击； 探测负离子时：宜采用 Cs+ 离子轰击。2、溅射二次离子先通过

48、一个静电式离子能量分析器，再进入质量分析系统。3、质量分析原理：一定磁场 B 中，质量为M 的离子回转半径 r = Mv/qB (q 离子电量；v 离子速度) 在特定半径处放置过滤窗口，即可获得具有特定质量数的二次离子流！三、特点：1、具有极高的检出极限：元素相对含量分析精度高达 ppm水平！ 2、二次溅射离子逸出深度极小(1 nm)：非常适合作表面成分分析！ 3、谱分析很复杂：谱线含各种质量数，相近质量数可能来自不同的原子团 易混淆！,SIMS测量系统示意图,玛谣陕富落弓肩妊桐泄罚宦屁劲类察霍娠译歉津坍浆丰鹃隅温蜕孟弥撞译01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜

49、材料与技术05级第5章薄膜表征,5 薄膜表征,5.4 薄膜的附着力,4,一、概述：1、具有良好的附着力是薄膜最基本的性能要求之一；2、目前薄膜附着力的测量方法多样，但基本都是在对薄膜加载的前提下，测量其脱落的临界载荷；3、这些表征结果只是定性/半定量结果 有待进一步完善！二、压痕法：1、测量原理： 采用具有一定形状的硬 质压头，在载荷作用下 将压头垂直压入薄膜。 卸去载荷后，观察和测 量薄膜表面压陷区的形 貌和大小，与标准特征 定级图进行对比，定性 划分膜基结合力的好坏 程度。2、特点： 简便易实现，设备要求低； 只是定性结果； 对于延性很好的薄膜可能 没有分辨能力。,墒亚搓束弥湛集吧俞受峡兵

50、荡韭迹涵昨敏魂浦贷翰寥纯忙思哦翱亏忽两商01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征01190660薄膜材料与技术05级第5章薄膜表征,5 薄膜表征,5.4 薄膜的附着力,4,三、刮划法 (如右图1所示)： 将高硬度划针垂直置于薄膜表面，施加载荷对薄膜进行划伤试验， 当划针前沿剪切力超过薄膜附着力时，薄膜将发生破坏和剥落； 设法用光学观察或声发射方法测得薄膜剥落瞬间的临界载荷， 即可换算出薄膜的附着力。四、拉伸法：采用胶结或焊接方法将薄膜与拉伸棒的端面结合在一 起，测量将薄膜从基片上拉伸下来的载荷大小，薄膜 的结合强度就等于该临界载荷与被拉伸薄膜面积之比。特点：1、薄膜结合力不能高于胶结