第三章--薄膜的表征与分析课件.pptx

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1、03第三章 薄膜的表征与分析,薄膜的表征与分析,一、薄膜的厚度测量 薄膜是不同于其它物态（气态、液态、固态和等离子体）的一种新的凝聚态，各种电介质材料、半导体材料以及金属材料的薄膜在半导体等工业部门以及研究项目中获得日益广泛的应用。,薄膜的“尺寸效应”，使得薄膜的厚度不同，薄膜的电阻率、霍尔系数、光反射等性质都会发生很大的变化。因此，为了更好地研究物质的结构及性能，就希望对各种薄膜厚度的测量和控制提供灵敏和准确的手段。,薄膜的表征与分析,SS基片表面分子的集合的平均表面；ST薄膜上表面的平均表面；SM将测量的薄膜原子重新排列，使其密度和块体材料相同且均 匀分布在基片表面上，这时产生的平均表面；

2、SP测量薄膜的物理性质，将其等效为一定长度和宽度与所测量的薄膜同尺寸的块体材料的薄膜，此时的平均表面。,薄膜厚度的测量,薄膜厚度的测量,1、光的干涉条件,N为任意正整数，AB、BC和AN为光束经过的线路长度（它们分别乘以相应材料的折射率即为相应的光程），为薄膜内的折射角，它与入射角之间满足折射定律。,观察到干涉极小的条件是光程差等于（N+1/2）。,薄膜厚度的测量,2、不透明薄膜厚度的测量 如果被研究的薄膜是不透明的，而且在沉积薄膜时或在沉积之后能够制备出待测薄膜的一个台阶，那么即可用等厚干涉条纹的方法方便地测出台阶的高度。,薄膜厚度的测量,2、不透明薄膜厚度的测量,台阶上下沉积一层高反射率的

3、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)在玻璃片和薄膜的间距S增加S/2时，将出现一条对应 的干涉条纹，间隔为0。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。条纹移动所对应的台阶高度应为h=/(20)测出0和，即测出了薄膜的厚度.,薄膜厚度的测量,2、不透明薄膜厚度的测量,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1、2，以及台阶h引起的波长差 由下式推算薄膜台阶的高度,等色干涉条纹法需要将反射镜与

4、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。,薄膜厚度的测量,3、透明薄膜厚度的测量 对于透明薄膜来说，其厚度也可以用上述的等厚干涉法进行测量，这时仍需要在薄膜表面制备一个台阶，并沉积上一层金属反射膜。利用单色光入射，通过改变入射角度（及反射角度）的办法来满足干涉条件的方法被称为变角度干涉法（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。得出光的干涉条件为：,薄膜厚度的测量,3、台阶法测量的薄膜厚度 台阶法又称为触针法，是利用一枚金刚石探针在薄膜表面上运动，表面的高低不平使探针在垂直表面的方向上做上下运动，这

5、种运动可以通过连接于探针上的位移传感器转变为电信号，再经过放大增幅处理后，利用计算机进行数据采集和作图以显示出表面轮廓线。这种方法能够迅速、直观地测定薄膜的厚度和表面形貌，并且有相当的精度，但对于小于探针直径的表面缺陷则无法测量。另外，探针的针尖会对膜表面产生很大的压强，导致膜面损伤。,薄膜厚度的测量,将基片的一部分用掩膜遮盖后镀膜，去掉掩膜后形成台阶，即所谓的常用掩膜镀膜法。由于掩膜与基片之间存在着间隙，因此这种方法形成的台阶不是十分清晰，相对误差也比较大，但可以通过多次测量来提高精确度，探针扫过台阶时就能显示出台阶两侧的高度差，从而得到厚度值。,薄膜厚度的测量,4、石英晶体振荡器法,将石英

6、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。,薄膜厚度的测量,5、称重法,如果薄膜的面积A、密度和质量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以及面积A的测量精度。,二、薄膜结构的表征

7、方法 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。,薄膜的表征与分析,薄膜的表征与分析,二、薄膜结构的表征方法,薄膜结构的表征方法,1、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

8、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。,薄膜结构的表征方法,1、扫描电子显微镜,(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，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

9、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。特点：有较高的分辨率。,薄膜结构的表征方法,1、扫描电子显微镜,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。,(2)、背反射电子像,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

10、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。,薄膜结构的表征方法,1、扫描电子显微镜,(3)、扫描电子显微镜提供的其他信号形式,薄膜结构的表征方法,1、扫描电子显微镜,场发射扫描电子显微镜 Field Emission SEM(FESEM)分辨率可达1-2 nm,21,22,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

11、有关薄膜结构和成分的信息。工作模式：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置来进行。）,薄膜结构的表征方法,2、透射电子显微镜（Transmission Electronic Microscope）,薄膜结构的表征方法,2、透射电子显微镜（Transmission Electronic Microscope）,(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

12、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。,薄膜结构的表征方法,2、透射电子显微镜（Transmission Electronic Microscope）,(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置而变化，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

13、。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。,TEM高分辨成像模式：,薄膜结构的表征方法,2、透射电子显微镜（Transmission Electronic Microscope）,TEM高分辨成像模式：,薄膜结构的表征方法,2、透射电子显微镜（Transmission Electronic Microscope）,薄膜结构的表征方法,3、原子力显微镜

14、,薄膜结构的表征方法-AFM,薄膜的形貌分析-AFM,4、扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope-STM）,薄膜结构的表征方法,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和平均功函数有关：,Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，A是常数。,4、扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microsc

15、ope-STM）,薄膜结构的表征方法,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，就得到了样品表面态密度的分布或原子排列的图象。,恒电流模式,恒高度模式,C60,4、扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope-STM）,薄膜结构的表征方法,4、X射线衍射方法,薄膜结构的表征方法,不同功

16、率条件下沉积在C-Si(100)衬底上的薄膜X射线衍射图,薄膜结构的表征-XRD,薄膜衍射强度偏低问题,第一，采用高强度的X射线源，如转靶X 射线源或同步辐射源等，从而提高相应的衍射信号强度；第二，延长测量时间，以部分抵消强度较弱带来的问题，但是在样品信号很弱时，这一方法的有效性会受到很大的限制；第三，采用掠角衍射技术，即将X射线以近于与薄膜样品表面平行的方向入射到薄膜表面，(0.55)其结果是大大增加了参与衍射的样品原子数。,薄膜成分的分析,各种薄膜成分分析方法的特点,41,1、原子内的电子激发及相应的能量过程,在基态时，原子内层电子的排布情况可如示意性地如图(a)所示，其中，K、L、M分别

17、表示了1s、2s-2p、3s等电子态的相应壳层，而用L1、L2，3表示2s和2p两个亚壳层的电子态。,在外部能量的激发下，比如在外来电子的激发下，原子最内层的K壳层上的电子将会受到激发而出现一个空的能态，如图(b)所示。,42,（1）这一空能级为一个外层电子，比如M或L层的电子所占据，并在电子跃迁的同时放出一个X射线光子，如图(c)所示。,（2）空的K能级被外层电子填充的同时并不发出X射线，而是放出另一个外层电子，如图(d)所示。这一能量转换过程被称为俄歇过程，相应放出的电子被称为俄歇电子。,根据其后这一电子态被填充的过程不同，可能发生两种情况。,43,2、X射线能量色散谱（EDX）,X射线能

18、量色谱仪又被简称为能谱仪。,作为一种常规成分分析仪器，它已被广泛安装于扫描和透射电子显微镜上，作为材料结构研究中主要成分分析手段。在这种情况下，电子显微镜产生的高能电子束既要完成提示材料结构特征的任务，又要起到激发材料中电子使其发射特征X射线的作用。,由于电子显微镜中的电子束可以被聚焦至很小的斑点，因而所得到的成分信息可以是来自样品中很小的一点。因此，X射线能量色散谱可以作为样品微区成分分析的手段。,44,3、俄歇电子能谱（AES）,以电子束激发样品元素的内层电子，可以使得该元素发射出俄歇电子。接收、分析这些电子的能量分布，达到分析样品成分目的的仪器被称为俄歇电子能谱仪。,45,4、X射线光电

19、子能谱（XPS）,不仅电子可以被用来激发原子的内层电子，能量足够高的光子也可以作为激发源，通过光电效应产生出具有一定能量的光电子。X射线光电子能谱仪就是利用能量较低的X射线源作为激发源，通过分析样品发射出来的具有特征能量的电子，实现分析样品化学成分目的的一种分析仪器。,在X射线光电子能谱仪的情况下，被激发出来的电子应该具有能量,其中v为入射X射线的频率，EB是被激发出来的电子原来的能级能量。在入射X射线波长固定的情况下，测量激发出来的光电子的能量E，就可以获得样品中元素含量和其分布的情况。,46,4、X射线光电子能谱（XPS）,47,5、卢瑟福背散射技术（RBS）,具有较高能量而质量较小的离子

20、在与物质碰撞的过程中会发生散射现象，这一相应的过程被称为卢瑟福散射。利用这一物理现象作为探测、分析薄膜材料的化学成分的分布的方法，被称为卢瑟福背散射技术。,由于离子能量很高而质量又很小，因而它将具有一定的对物质的穿透能力，并且不会造成物质本身的溅射。在穿透物质的同时，高能离子与物质间的相互作用可以被分为不同的两种情况：（1）高能离子在远离原子核的地方通过，并以不断激发原子周围的电子的方式消耗自身的能量。（2）当离子的运动轨迹接近了物质的原子核时，它与后者之间将发生经典的弹性碰撞过程。,48,2MV Tandem Accelerator,49,Vacuum,Solid,50,51,6、二次离子质

21、谱（SIMS）,质谱方法是利用电离后原子、分子或原子团质量不同的特点分辨其化学构成的方法，相应的分析仪器被称为质谱仪。利用质谱仪可以直接对处于气体状态的原子或分子进行分析。但对于固态物质，就需要先用特定的手段将它变成可供分析的离子状态。二次离子质谱就是利用离子溅射的手段，首先从固体的表面溅射出二次离子，再对其进行质量分析的仪器。,特点：具有极高的检测极限，它可以检测的元素相对含量甚至可以达到10-6的低水平。缺点：谱的分析比较复杂。,52,二次离子质谱仪的结构示意图如图所示，它装备有Ar+、O2-以及Cs+离子源，其能量大致在2-15keV之间。离子束轰击样品后产生出的二次离子或离子团首先被引

22、入离子能量分析器，其结构原理与前面介绍过的静电式俄歇电子能量分析器类似。,53,薄膜附着力的测量方法,刮剥法：将硬度较高的划针垂直置于薄膜表面，施加载荷对薄膜进行划伤试验的方法来评价薄膜的附着力。拉伸法：利用黏结或焊接的方法将薄膜结合于拉伸棒的端面上，测量将薄膜从衬底上拉伸下来所需要的载荷的大小。胶带剥离法：将具有一定粘着力的胶带粘到薄膜表面，在剥离胶带的同时，观察薄膜从衬底上被剥离的难易程度。,54,摩擦法：用布、皮革或橡胶等材料摩擦薄膜表面，以薄膜脱离时所需要的摩擦次数和力的大小推断薄膜附着力的强弱。超声波法：用超声波的方法造成周围介质发生强力的振动，从而在近距离对薄膜产生破坏效应，根据薄膜发生剥离时的超声波的能量水平推断薄膜的附着力。离心力法：使薄膜与衬底一起进行高速旋转，在离心力的作用下，使薄膜从衬底上脱开，用旋转的离心力来表征薄膜的附着力。脉冲激光加热疲劳法：利用薄膜与衬底在脉冲激光作用下周期性热胀冷缩，使薄膜与衬底不断地弯曲变形，从而引起界面疲劳和造成薄膜脱离时单位面积上所吸收的激光能量来表征薄膜的附着力。,Thank you for your co-operation.,THE END,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,