電子科大薄膜物理(趙曉輝)第七章薄膜表征

1、 物理性能表征物理性能表征X-ray diffraction X射線衍射射線衍射 (XRD)Transmission electron microscopy透射電鏡透射電鏡 (TEM)Optical microscopy 光學顯微鏡光學顯微鏡Scanning electron microscopy 掃描電鏡掃描電鏡 (SEM) Atom force microscopy 原子力顯微鏡原子力顯微鏡(AFM)Secondary ion mass spectroscopy 二次離子質(zhì)譜二次離子質(zhì)譜 (SIMS) 電學性能測試電學性能測試Van der Pauw Hall 霍爾效應霍爾效應Capaci

2、tance-voltage (C-V) 光學性能測試光學性能測試 Photoluminescence (PL) 熒光光譜熒光光譜材料表征方法材料表征方法Extracted from 厚度和沉積速率表征方法厚度和沉積速率表征方法厚度表征方法厚度表征方法 臺階儀臺階儀Profiler 干涉顯微鏡干涉顯微鏡 Interference microscope 石英晶體振蕩薄膜厚度監(jiān)控石英晶體振蕩薄膜厚度監(jiān)控Oscillator for quartz crystal thickness monitor 橢偏儀橢偏儀 ellipsometer 電子顯微鏡電子顯微鏡 SEM斷面掃描斷面

3、掃描臺階儀臺階儀臺階儀測試結(jié)果示例臺階儀測試結(jié)果示例光干涉法光干涉法單色光從薄膜上、下表面反射，當膜厚導致單色光從薄膜上、下表面反射，當膜厚導致的光程差為的光程差為n倍倍時，會發(fā)生干涉。時，會發(fā)生干涉。光程差為：光程差為：nc(AB+BC) AN又，折射定律：又，折射定律：光程差光程差cos2hnc位相變化位相變化(正入射正入射)0，透射光，透射光，反射光反射回折射率小的物質(zhì)反射光反射回折射率小的物質(zhì)0，反射光反射回折射率大的物質(zhì)，反射光反射回折射率大的物質(zhì)2.1 透明薄膜厚度的測量透明薄膜厚度的測量測試條件：單色光、垂直入射，反射光強度測試條件：單色光、垂直入射，反射光強度將隨膜厚而周期變化

4、。將隨膜厚而周期變化。14) 12(nmh極值出現(xiàn)在：極值出現(xiàn)在：n1n2，極大值，極大值n1n2，極小值，極小值金屬膜吸收太金屬膜吸收太強，不適用。強，不適用。2.2 不透明薄膜厚度的測量不透明薄膜厚度的測量 等厚干涉條紋法等厚干涉條紋法單色平行光照射到楔單色平行光照射到楔形薄膜上，反射后，形薄膜上，反射后，會在固定的位置產(chǎn)生會在固定的位置產(chǎn)生干涉的最大和最小，干涉的最大和最小，所以可觀察到明暗相所以可觀察到明暗相間的平等條紋。間的平等條紋。若膜厚不均，干涉若膜厚不均，干涉條紋也就不規(guī)則。條紋也就不規(guī)則。若膜厚有臺階，干若膜厚有臺階，干涉條紋出現(xiàn)臺階，涉條紋出現(xiàn)臺階，顯然相鄰干涉條紋顯然相鄰

5、干涉條紋間相差間相差/2。2LhL石英晶體振蕩法石英晶體振蕩法 原理：利用石英晶體的振蕩頻率隨晶片厚度變化的原理：利用石英晶體的振蕩頻率隨晶片厚度變化的關(guān)系，在晶片上鍍膜，測頻率的變化，就可求出關(guān)系，在晶片上鍍膜，測頻率的變化，就可求出質(zhì)量膜厚。質(zhì)量膜厚。 固有頻率：固有頻率：02qvfh厚度方向彈性波的速度厚度方向彈性波的速度000qqqdhdmdfffhAh 數(shù)學關(guān)系數(shù)學關(guān)系200002ffqffdfdxdxAhv 若在蒸鍍時石英晶體上接收的淀積厚度若在蒸鍍時石英晶體上接收的淀積厚度(質(zhì)量膜質(zhì)量膜厚厚)為為dx，則相應的晶體厚度變化為，則相應的晶體厚度變化為fdmdx:f薄膜密度薄膜密度優(yōu)

6、點：原位測量法，引入時間的微分電路，還可優(yōu)點：原位測量法，引入時間的微分電路，還可測薄膜的生長速度，靈敏度高，測薄膜的生長速度，靈敏度高，20Hz左右，相應左右，相應于石英的質(zhì)量膜厚為于石英的質(zhì)量膜厚為12埃。埃。缺點：缺點：（1）只能得到平均膜厚；）只能得到平均膜厚；（2）當石英晶片與蒸發(fā)源位置改變時，需校準；）當石英晶片與蒸發(fā)源位置改變時，需校準；（3）在濺射法中測膜厚，易受電磁干擾；）在濺射法中測膜厚，易受電磁干擾；（4）探頭溫度不能超過）探頭溫度不能超過80。 特點特點形貌表征形貌表征 Microscope/顯微鏡顯微鏡 Polarizing Microscopes/極化顯微鏡極化顯微

7、鏡 phase contrast microscope/相襯度顯微相襯度顯微鏡鏡 SEM TEM原子級分辨率原子級分辨率 AFM，STMAFMa.30minb.1hc.3hd.6hdislocation結(jié)構(gòu)表征結(jié)構(gòu)表征 Diffraction XRD HEED，LEED，RHEED Neutron diffraction/中子衍射中子衍射 TEM薄膜結(jié)構(gòu)薄膜結(jié)構(gòu)F位錯，弛豫位錯，弛豫晶格失配晶格失配應力應力織構(gòu)織構(gòu)結(jié)晶度結(jié)晶度粗糙度粗糙度厚度厚度密度密度SubstrateLayer 1Layer 2薄膜內(nèi)在結(jié)構(gòu)薄膜內(nèi)在結(jié)構(gòu)單晶單晶多晶多晶無定形無定形薄膜相關(guān)參數(shù)薄膜相關(guān)參數(shù)應力，弛豫，應力，弛

8、豫，晶格失配晶格失配粗糙度粗糙度晶體取向晶體取向缺陷和晶粒大小缺陷和晶粒大小厚度厚度A CA BA BxC1-x化學組成化學組成晶格常數(shù)晶格常數(shù)abc平面結(jié)構(gòu)平面結(jié)構(gòu)X X射線衍射儀示意圖射線衍射儀示意圖布拉維格子布拉維格子XRDXRD圖譜圖譜薄膜織構(gòu)分析薄膜織構(gòu)分析323436380123-GaN on c-plane Sapphirea) random distribution of crystallites: no textureb) strong texturec) Epitaxy002100101002101100002rel. Intensity2 degSapphireGaNSapphireGaNSapphireGaNa)b)c)面內(nèi)和面外取向面內(nèi)和面外取向薄膜組分薄膜組分 Xray fluorescence/x射線熒光分析射線熒光分析 Electron Probe Micro-analyzer 光電子能譜光