薄膜材料表征与测量方法

1、薄膜材料表征与测量方法6.1 6.1 薄膜厚度的测量薄膜厚度的测量n在薄膜技术中，所希望的性质在薄膜技术中，所希望的性质Ei通常与许多参量有关，通常与许多参量有关，特别是与厚度有较大关系，即：特别是与厚度有较大关系，即：nEi=EiD，P，.，基片，基片n 式中式中D代表薄膜厚度；代表薄膜厚度；P为残留气体气压。为残留气体气压。n在薄膜制备过程中和沉积以后需要测量薄膜的厚度。在薄膜制备过程中和沉积以后需要测量薄膜的厚度。在薄膜沉积过程中的膜厚确定采用原位测量，可以在薄膜沉积过程中的膜厚确定采用原位测量，可以通过许多技术手段和方法实现膜厚和相关物理量的通过许多技术手段和方法实现膜厚和相关物理量的

2、测量。测量。23n特点：不仅被用于透明薄膜，还可被特点：不仅被用于透明薄膜，还可被用于不透明薄膜；使用方便，测量精用于不透明薄膜；使用方便，测量精度较高。度较高。n原理：多利用光的干预现象作为测量原理：多利用光的干预现象作为测量的物理根底。的物理根底。4n从平行单色光源从平行单色光源S射到薄膜外表一点射到薄膜外表一点A的光将有一局的光将有一局部被界面反射，另一局部在折射后进入薄膜中。部被界面反射，另一局部在折射后进入薄膜中。n这一射入薄膜中的光束将在薄膜与衬底的界面上的这一射入薄膜中的光束将在薄膜与衬底的界面上的B点再次发生反射和折射。点再次发生反射和折射。n为简单起见，可先假设在第二个界面上

3、，光全部被反为简单起见，可先假设在第二个界面上，光全部被反射回来并到达薄膜外表的射回来并到达薄膜外表的C点，在该点处，光束又会点，在该点处，光束又会发生发射和折射。发生发射和折射。n要想在要想在P点观察到光的干预极大，其条件是直接反射点观察到光的干预极大，其条件是直接反射回来的光束与折射后又反射回来的光束之间的光程差回来的光束与折射后又反射回来的光束之间的光程差为波长的整数倍。为波长的整数倍。56不透明薄膜厚度测量的等厚干预不透明薄膜厚度测量的等厚干预FET和等色干预和等色干预FECO法法7透明薄膜厚度测量的干预法透明薄膜厚度测量的干预法薄膜测量的椭偏仪方法薄膜测量的椭偏仪方法8一外表粗糙度仪

4、法一外表粗糙度仪法用直径很小的触针滑过被测薄膜的外表，用直径很小的触针滑过被测薄膜的外表，同时记录下触针在垂直方向的移动情况同时记录下触针在垂直方向的移动情况并画出薄膜外表轮廓的方法。并画出薄膜外表轮廓的方法。不仅可以用来测量外表粗糙度，也可以用不仅可以用来测量外表粗糙度，也可以用来测量特意制备的薄膜台阶高度，得到来测量特意制备的薄膜台阶高度，得到薄膜厚度的信息。薄膜厚度的信息。9n粗糙度仪触针的头部是用金刚石磨成约粗糙度仪触针的头部是用金刚石磨成约210m半径的圆弧后做成的。半径的圆弧后做成的。n在触针上加有在触针上加有130mg的可以调节的压力。的可以调节的压力。n垂直位移可以通过机械、电

5、子和光学的方垂直位移可以通过机械、电子和光学的方法被放大几千倍甚至一百万倍，因此垂直法被放大几千倍甚至一百万倍，因此垂直位移的分辨率最高可以到达位移的分辨率最高可以到达1nm左右。左右。10n容易划伤较软的薄膜并引起测量误差。尽管在触容易划伤较软的薄膜并引起测量误差。尽管在触针上施加的力很小，但是由于触针头部直径也很针上施加的力很小，但是由于触针头部直径也很小，因而触针对薄膜外表的压强很大，即使在薄小，因而触针对薄膜外表的压强很大，即使在薄膜较软时，薄膜的划伤和由此引起的误差是不能膜较软时，薄膜的划伤和由此引起的误差是不能忽略的。忽略的。n对于外表粗糙的薄膜，其测量误差较大。对于外表粗糙的薄膜

6、，其测量误差较大。n测量薄膜台阶高度时，应尽量选用头部直径较大的测量薄膜台阶高度时，应尽量选用头部直径较大的触针。但大的触针不能分辨薄膜外表形貌的小的起触针。但大的触针不能分辨薄膜外表形貌的小的起伏变化。伏变化。1112二称重法二称重法如果薄膜的面积如果薄膜的面积A、密度、密度和质量和质量m可以被精确测定的话，由公式可以被精确测定的话，由公式Amh 薄膜的密度随制备方法、工薄膜的密度随制备方法、工艺的不同有很大变化；艺的不同有很大变化；准确测量薄膜的面积也有困准确测量薄膜的面积也有困难。难。13n由于可以实现在沉积过程中对衬底及由于可以实现在沉积过程中对衬底及薄膜的质量加以控制，因而称重法可薄

7、膜的质量加以控制，因而称重法可以被用于薄膜厚度的实时测量。以被用于薄膜厚度的实时测量。n采用将质量测量精度提高至采用将质量测量精度提高至10-8g，同，同时加大衬底面积并降低其质量的方法，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。至低于一个原子层的高水平。14三石英晶体振荡器法三石英晶体振荡器法已被广泛应用于薄膜沉积过程中厚度的实已被广泛应用于薄膜沉积过程中厚度的实时测量。时测量。原理：基于石英晶体片的固有振动频率随原理：基于石英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。其质量的变化而变化的物理现象。1

8、516薄膜结构的研究可以依所研究的薄膜结构的研究可以依所研究的尺度范围划分为以下三个层次尺度范围划分为以下三个层次: :n薄膜的宏观形貌薄膜的宏观形貌, ,包括薄膜尺寸、形状、厚度、包括薄膜尺寸、形状、厚度、均匀性等；均匀性等；n薄膜的微观形貌，如晶粒及物相的尺寸大小和分薄膜的微观形貌，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；布、孔洞和裂纹、界面扩散层及薄膜织构等；n薄膜的显微组织，包括晶粒内的缺陷、晶界及外薄膜的显微组织，包括晶粒内的缺陷、晶界及外延界面的完整性、位错组态等。延界面的完整性、位错组态等。6.2 6.2 薄膜结构的表征方法薄膜结构的表征方法17针对研究

9、的尺度范围，可以选择不同针对研究的尺度范围，可以选择不同的研究手段：的研究手段：n光学金相显微镜光学金相显微镜n扫描电子显微镜扫描电子显微镜n透射电子显微镜透射电子显微镜n场离子显微镜场离子显微镜nX射线衍射技术射线衍射技术18扫描电子显微镜扫描电子显微镜SEMn是目前材料结构研究的最直接手段之一。是目前材料结构研究的最直接手段之一。n可以提供清晰直观的形貌图像，同时又具可以提供清晰直观的形貌图像，同时又具有分辨率高、观察景深长。有分辨率高、观察景深长。n可以采用不同的图像信息形式。可以采用不同的图像信息形式。n可以给出定量或半定量的外表成分分析结可以给出定量或半定量的外表成分分析结果。果。1

10、920n二次电子：入射电子从样品表层激发出二次电子：入射电子从样品表层激发出来的能量最低的一局部电子。它们来自来的能量最低的一局部电子。它们来自样品外表最外层的几层原子。样品外表最外层的几层原子。n二次电子像：较高的分辨率。二次电子像：较高的分辨率。n需要样品具有一定的导电能力，对于导需要样品具有一定的导电能力，对于导电性较差的样品，可以采用喷涂一层导电性较差的样品，可以采用喷涂一层导电性较好的电性较好的C C或或AuAu膜的方法，提高样品外膜的方法，提高样品外表的导电能力。表的导电能力。二次电子像二次电子像21n背反射电子：被样品外表直接反射回来的电子具有与背反射电子：被样品外表直接反射回来

11、的电子具有与入射电子相近的高能量。入射电子相近的高能量。n背反射电子像：接收背反射电子的信号，并用其调背反射电子像：接收背反射电子的信号，并用其调制荧光屏亮度而形成的外表形貌。制荧光屏亮度而形成的外表形貌。n原子对于入射电子的反射能力随着原子序数原子对于入射电子的反射能力随着原子序数Z的的增大而缓慢提高。对于外表化学成分存在显著差增大而缓慢提高。对于外表化学成分存在显著差异的不同区域来讲，其平均原子序数的差异将造异的不同区域来讲，其平均原子序数的差异将造成背反射电子信号强度的变化，即样品外表上原成背反射电子信号强度的变化，即样品外表上原子序数大的区域将与图像中背反射电子信号强的子序数大的区域将

12、与图像中背反射电子信号强的区域相对应。区域相对应。背反射电子像背反射电子像22n电子显微镜：透射式、反射式、扫描式和电子显微镜：透射式、反射式、扫描式和扫描透射式。扫描透射式。n透射电子显微镜，透射电子显微镜，Transmission Electron Microscope, 简称简称TEM。开展较早，技术。开展较早，技术理论较成熟，分辨率高，因此得到广泛应理论较成熟，分辨率高，因此得到广泛应用。用。n组成：电子光学系统、真空系统和供电系组成：电子光学系统、真空系统和供电系统。统。透射电子显微镜透射电子显微镜TEM23工作方式工作方式n电子束固定地照射在样品中很小的一个电子束固定地照射在样品中

13、很小的一个区域上。区域上。n使被加速的电子束穿过厚度很薄的样品，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生相互作用，从而产生各种形式的有关材料结构和成分的信息。材料结构和成分的信息。n影像模式和衍射模式。两种工作模式之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阑及透镜间的转换主要依靠改变物镜光阑及透镜系统电流或成像平面位置来进行。系统电流或成像平面位置来进行。24n任何物质都是由原子组成，在固体物质任何物质都是由原子组成，在固体物质中原子核半径约中原子核半径约10-5 ，原子与原

14、子之间，原子与原子之间的距离为几埃，因此原子之间是非常空的距离为几埃，因此原子之间是非常空的。当一束高能电子穿过很薄的试样时，的。当一束高能电子穿过很薄的试样时，大量电子将直接穿过物质，而有一局部大量电子将直接穿过物质，而有一局部电子那么与原子核或核外电子发生作用，电子那么与原子核或核外电子发生作用，这些相互作用只有在非常接近原子核或这些相互作用只有在非常接近原子核或电子的情况下才会发生。由于原子核或电子的情况下才会发生。由于原子核或电子都带有电荷，这种相互作用往往使电子都带有电荷，这种相互作用往往使入射电子改变方向，产生散射。入射电子改变方向，产生散射。252627衍射工作模式衍射工作模式n

15、电子在被晶体点阵衍射以后又被分成许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。应于不同晶体学平面的衍射束。n被被1001000kV的电压加速过的电子具有的电压加速过的电子具有很短的波长，因此一束入射的电子能够很短的波长，因此一束入射的电子能够同时产生多束衍射。同时产生多束衍射。mqVh2电子波长与加速电压之间的关系。电子波长与加速电压之间的关系。h普朗克常数，普朗克常数，m、q电子的质电子的质量和电量。量和电量。28将透射束和衍射束斑点组成的图像投影到荧将透射束和衍射束斑点组成的图像投影到荧光屏上，就给出了晶

16、体在特定入射方向上的光屏上，就给出了晶体在特定入射方向上的衍射谱，包含的结构信息：衍射谱，包含的结构信息：n晶体点阵的类晶体点阵的类型和点阵常数型和点阵常数n晶体的相对位晶体的相对位向向n与晶粒的尺寸与晶粒的尺寸大小、挛晶等大小、挛晶等有关的晶体显有关的晶体显微缺陷方面的微缺陷方面的信息。信息。29透射电子显微像透射电子显微像n用物镜光阑选取透射电子束或衍射电子用物镜光阑选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。束之中的一束就可以构成样品的形貌像。n明场像：只使用透射电子束，用光阑挡明场像：只使用透射电子束，用光阑挡掉所有衍射束的成像方式。掉所有衍射束的成像方式。n暗场像：透

17、射电子束被用光阑挡掉，用暗场像：透射电子束被用光阑挡掉，用一束衍射束来作为成像光源。一束衍射束来作为成像光源。n明场像、暗场像和电子衍射技术相互配明场像、暗场像和电子衍射技术相互配合使用，可得到有关材料结构的丰富信合使用，可得到有关材料结构的丰富信息息。30n按晶体对按晶体对X射线衍射的几何原理设计制造的衍射实射线衍射的几何原理设计制造的衍射实验仪器。验仪器。n由由X射线管发射出的射线管发射出的X射线照射到试样上产生衍射现象，射线照射到试样上产生衍射现象，用辐射探测器接收衍射线的用辐射探测器接收衍射线的X射线光子，经测量电路射线光子，经测量电路放大处理后在显示或记录装置上给出精确的衍射线位放大

18、处理后在显示或记录装置上给出精确的衍射线位置、强度和线形等衍射信息。置、强度和线形等衍射信息。n根本组成：根本组成： X射线发生器、衍射测角仪、辐射探射线发生器、衍射测角仪、辐射探测器、测量电路以及控制操作和运行软件的电子测器、测量电路以及控制操作和运行软件的电子计算机系统。计算机系统。X射线衍射仪射线衍射仪XRD3132测角仪测角仪核心组成局部核心组成局部n扫描范围：正向逆时针零度以上扫描范围：正向逆时针零度以上2角可达角可达1650；负向顺时针零度以下；负向顺时针零度以下 2角可达角可达-1000。 2测量的绝对精度为测量的绝对精度为0.020，重复精度为，重复精度为0.0010。33布拉

19、格公式布拉格公式n特定波长的特定波长的X射线束与晶体学平面发生相射线束与晶体学平面发生相互作用时会发生互作用时会发生X射线衍射。衍射现象发射线衍射。衍射现象发生的条件必须满足布拉格公式：生的条件必须满足布拉格公式：2dSin =n 式中：式中： 为入射的为入射的X射线的波长；射线的波长；d为相应为相应晶体学面的面间距；晶体学面的面间距； 为入射为入射X射线与相射线与相应晶面的夹角；应晶面的夹角；n为任意自然数。为任意自然数。34n采取收集入射和衍射采取收集入射和衍射X射线的角度信息及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、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、

20、缺陷和应力等有关点阵常数、晶体取向、缺陷和应力等有关材料结构的信息。材料结构的信息。35n1981年，美国年，美国IBM公司公司Prof. G. Binning和和Dr. H. Rohrer创造了扫描隧道电子显创造了扫描隧道电子显微镜微镜Scanning Tunneling Microscope，简称简称STM。1986年获诺贝尔物理奖年获诺贝尔物理奖n原理：利用量子力学中的隧道效应对样原理：利用量子力学中的隧道效应对样品外表进行分析，可以直接观察到原子，品外表进行分析，可以直接观察到原子，是目前进行外表分析的最精密的仪器。是目前进行外表分析的最精密的仪器。n横向分辨率横向分辨率0.1nm，纵

21、向分辨率，纵向分辨率0.01nm。扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜STM36隧道效应隧道效应Tunneling Effect是量子力学中的微观粒子所具有的特性，即是量子力学中的微观粒子所具有的特性，即在电子能量低于它要穿越的势垒高度时，由在电子能量低于它要穿越的势垒高度时，由于电子具有波动性而具有穿越势垒的几率。于电子具有波动性而具有穿越势垒的几率。STM通过探针针尖与样品外表通过探针针尖与样品外表保持恒定距离而移动扫描时，保持恒定距离而移动扫描时，通过测量隧道效应电流而对外通过测量隧道效应电流而对外表形貌进行观察。表形貌进行观察。隧道效应电流隧道效应电流是电子是电子波函数重叠的量度，波函数重叠的

22、量度，它与两金属电极之间它与两金属电极之间的距离以及衰减常数的距离以及衰减常数有关。有关。37隧道效应隧道效应n由于电子具有波动性，在金属由于电子具有波动性，在金属中的电子并非仅存在于外表边中的电子并非仅存在于外表边界以内，即电子刻度并不是在界以内，即电子刻度并不是在外表边界上突然降低为零，而外表边界上突然降低为零，而是在外表边界以外按指数规律是在外表边界以外按指数规律衰减，衰减长度约衰减，衰减长度约1nm。这样，。这样，如果两块金属外表互相靠近到如果两块金属外表互相靠近到间隙小于间隙小于1nm时，它们的外表时，它们的外表电子云将发生重叠。如果将探电子云将发生重叠。如果将探针极细的原子尺度的针

23、尖与被针极细的原子尺度的针尖与被研究的试样外表作为电极，当研究的试样外表作为电极，当探针与试样外表间的距离接近探针与试样外表间的距离接近1nm内时，在外加电场的作用内时，在外加电场的作用下，电子就会穿过两个电极之下，电子就会穿过两个电极之间的绝缘层而流向另一电极。间的绝缘层而流向另一电极。38STM的结构示意图的结构示意图n探针与试样的逼近装探针与试样的逼近装置置n保持隧道电流恒定保持隧道电流恒定的电子反响电路及的电子反响电路及显示探针显示探针Z方向位置方向位置变化的显示器变化的显示器n操纵探针沿试样外表操纵探针沿试样外表X方向和方向和Y方向运动方向运动的压电陶瓷扫描控制的压电陶瓷扫描控制及位

24、置显示器，以及及位置显示器，以及数据采集和图像处理数据采集和图像处理系统。系统。39优点优点n有原子量级的极高分辨率，能够分辨出单个原子。有原子量级的极高分辨率，能够分辨出单个原子。n直接观测到单原子层外表的局部结构，如外表缺陷、直接观测到单原子层外表的局部结构，如外表缺陷、外表重构、外表吸附体的形态和位置等。外表重构、外表吸附体的形态和位置等。n能够实时地得到外表的三维图像，可测量具有周能够实时地得到外表的三维图像，可测量具有周期性和不具备周期性的外表结构。特别有利于对期性和不具备周期性的外表结构。特别有利于对外表摩擦磨损行为和性能变化等动态过程研究。外表摩擦磨损行为和性能变化等动态过程研究

25、。n可以在不同环境条件下工作，包括真空、大气、低温，可以在不同环境条件下工作，包括真空、大气、低温，甚至试样浸湿在水或电解液中。适用于研究环境因素甚至试样浸湿在水或电解液中。适用于研究环境因素对试样外表的影响。对试样外表的影响。n可以操纵和移动单个原子或分子，按照人们的意愿可以操纵和移动单个原子或分子，按照人们的意愿排布原子或分子，实现对外表进行纳米尺度的微加排布原子或分子，实现对外表进行纳米尺度的微加工。工。40n 1986年，诺贝尔奖金获得者宾尼等人创年，诺贝尔奖金获得者宾尼等人创造了原子力显微镜造了原子力显微镜Atomic Force Microscope，简称，简称AFM。横向分辨率。

26、横向分辨率为为30 。n 原理：这种外表分析仪是靠探测针尖与原理：这种外表分析仪是靠探测针尖与样品外表微弱的原子间作用力的变化来样品外表微弱的原子间作用力的变化来观察外表结构。观察外表结构。 原子力显微镜原子力显微镜AFM41三种不同的工作模式三种不同的工作模式n接触式接触式 显微探针与样品外表相接触，探针直接感受到显微探针与样品外表相接触，探针直接感受到外表原子与探针间的排斥力外表原子与探针间的排斥力10-610-7 N，分辨力较，分辨力较强。强。n非接触式非接触式 原子力显微镜的探针以一定的频率在距外表原子力显微镜的探针以一定的频率在距外表510nm的距离上振动，引力大小约的距离上振动，引

27、力大小约10-12N，分辨力较，分辨力较低。优点在于探针不直接接触样品，对硬度较低的样低。优点在于探针不直接接触样品，对硬度较低的样品外表不会造成损坏，且不会引起样品外表的污染。品外表不会造成损坏，且不会引起样品外表的污染。n点击式点击式 探针处于上下振动状态，振幅约探针处于上下振动状态，振幅约100nm。在每次。在每次振动中，探针与样品外表接触一次。可以到达与接触式振动中，探针与样品外表接触一次。可以到达与接触式相近的分辨率，又防止了接触式样品外表原子对探针所相近的分辨率，又防止了接触式样品外表原子对探针所产生的拖拽力的影响。产生的拖拽力的影响。42AFM的优点的优点n不仅可以观察导体和半导

28、体的外不仅可以观察导体和半导体的外表形貌，而且可以观察非导体的表形貌，而且可以观察非导体的外表形貌，弥补了外表形貌，弥补了STM只能直接只能直接观察导体和半导体的之缺乏。观察导体和半导体的之缺乏。43446.3 6.3 薄膜成分的表征方法薄膜成分的表征方法45n对薄膜最根本的性能要求之一：对衬底对薄膜最根本的性能要求之一：对衬底的附着力要好。的附着力要好。n薄膜附着力测试方法的共同点：在对薄薄膜附着力测试方法的共同点：在对薄膜施加载荷的前提下，测量薄膜脱落时膜施加载荷的前提下，测量薄膜脱落时的临界载荷。测试结果只具有定性意义。的临界载荷。测试结果只具有定性意义。n刮剥法和拉伸法。刮剥法和拉伸法。6.4 6.4 薄膜附着力的测量方法薄膜附着力的测量方法4647刮剥法刮剥法n将硬度较高的划针垂直置于薄膜外表，施加载荷对薄将硬度较高的划针垂直置于薄膜外表，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。膜进行划伤试验的方法来评价薄膜的附着力。n当划针前沿的剪切