電子材料表征課件

1、1電子材料電子材料是指電子信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)中所廣泛使用的具有功能特性、結(jié)構(gòu)特性以及物理、化學(xué)性能等特定要求的材料，是電子信息技術(shù)的基礎(chǔ)與先導(dǎo)，也是當(dāng)前材料領(lǐng)域中最重要和最活躍的部分。電子材料的主要分類：電子材料的主要分類：1. 1. 按用途分類按用途分類 結(jié)構(gòu)電子材料和功能電子材料2. 2. 按組成分類按組成分類 無機(jī)電子材料和有機(jī)電子材料3. 3. 按物理性質(zhì)分類按物理性質(zhì)分類 超導(dǎo)材料、導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料、絕緣材料、壓電材料、鐵電材料、磁性材料、光學(xué)材料、敏感材料等4. 4. 按應(yīng)用領(lǐng)域分類按應(yīng)用領(lǐng)域分類 微電子材料、電阻器材料、電容器材料、磁性材料、光電子材料、壓電材料、電聲材料等4導(dǎo)電

2、材料導(dǎo)電材料半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料絕緣材料絕緣材料Cu、Al及合金等V族（Si、Ge、C）II-VI族（ZnO、ZnS、ZnSe等）III-V族（GaAs、InP、InSb）SiO2、Al2O3、HfO2等微電子材料微電子材料：Si、Ge、GaAs等制作半導(dǎo)體器件與集成電路的材料。5p+-SiSiO2 (300nm)Schematic diagram (top) and SEM image (down) of a “Bottom-gate” FET based on a single CdS:Cl nanowires.In/AuIn/Au電極制備： In-電阻式蒸發(fā) Au-電子束蒸發(fā)器件性能表征

3、： 半導(dǎo)體參數(shù)測試系統(tǒng)CdS:Cl NW納米線生長：化學(xué)氣相沉積（CVD）納米線的結(jié)構(gòu)、物相、性能表征：X射線衍射（XRD）透射電子顯微鏡（TEM，含HRTEM、ED）掃描電子顯微鏡（SEM，含F(xiàn)ESEM）X射線能量色散譜（EDS）X射線光電子能譜（XPS）光致發(fā)光光譜（PL）6“Bottom-Gate”納米線場效應(yīng)器件制備流程圖 7課程內(nèi)容課程內(nèi)容 二二 、電子材料的制備方法、電子材料的制備方法 物理氣相沉積（物理氣相沉積（PVD）熱蒸發(fā)熱蒸發(fā)（電阻式蒸發(fā)，電子束蒸發(fā)，脈沖激光沉積）（電阻式蒸發(fā)，電子束蒸發(fā)，脈沖激光沉積）磁控濺射磁控濺射化學(xué)氣相沉積（化學(xué)氣相沉積（CVD）三、三、 電子材料

4、常規(guī)電子材料常規(guī)表征手段表征手段XRD、TEM、SEM、EDS、XPS、PL、半導(dǎo)體參數(shù)測試系統(tǒng)半導(dǎo)體參數(shù)測試系統(tǒng) 一一 、真空技術(shù)基礎(chǔ)、真空技術(shù)基礎(chǔ) 參考書：薄膜材料制備原理、技術(shù)及應(yīng)用，唐偉忠，冶金工業(yè)出版社8一一 、真空技術(shù)基礎(chǔ)、真空技術(shù)基礎(chǔ)1. 真空環(huán)境劃分：真空環(huán)境劃分： 低真空 102 Pa 中真空 102 10-1 Pa 高真空 10-1 10-5 Pa 超高真空 10-5 Pa 92. 不同真空技術(shù)的使用環(huán)境不同真空技術(shù)的使用環(huán)境 低壓化學(xué)氣相沉積：中、低真空（10 100Pa） 濺射沉積：中、高真空（10-2 10Pa） 真空蒸發(fā)沉積：高真空和超高真空（TT2 2=T=Ts

5、s) )T1T2solidgasfilm薄膜的化學(xué)氣相沉積72熱力學(xué)分析：預(yù)測化學(xué)反應(yīng)能否發(fā)生，熱力學(xué)分析：預(yù)測化學(xué)反應(yīng)能否發(fā)生， 進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)路線的選擇，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)路線的選擇， 進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)平衡點(diǎn)位置的計(jì)算；進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)平衡點(diǎn)位置的計(jì)算；動(dòng)力學(xué)分析：預(yù)測上述過程發(fā)生的動(dòng)力學(xué)分析：預(yù)測上述過程發(fā)生的速度速度以及以及 它在有限時(shí)間內(nèi)可以進(jìn)行的它在有限時(shí)間內(nèi)可以進(jìn)行的程度程度。73薄膜制備的兩個(gè)重要參數(shù)： 氣相反應(yīng)物的過飽和度和沉積溫度。完整單晶的沉積條件： 氣相過飽和度低，沉積溫度高。 在強(qiáng)調(diào)薄膜晶體質(zhì)量的場合，多采用高溫CVD系統(tǒng)；而強(qiáng)調(diào)材料的低溫制備條件的場合，多使用低溫CVD系統(tǒng)。74C

6、VD裝置的基本部分： (1)反應(yīng)氣體和載氣的供給和計(jì)量裝置； (2)必要的加熱和冷卻系統(tǒng)； (3)反應(yīng)產(chǎn)物氣體的排出裝置或真空系統(tǒng)。75高溫?zé)岜谑紺VD系統(tǒng)763.1 X射線衍射射線衍射 （X-Ray Diffraction，XRD） 特定波長的X射線束與晶體學(xué)平面發(fā)生相互作用時(shí)會(huì)發(fā)生X射線的衍射。 衍射發(fā)生的條件即布拉格公式 2dsin=n 式中：d 相應(yīng)晶面的面間距； 入射的X射線的波長； X射線與相應(yīng)晶面的夾角。三、三、 電子材料常規(guī)電子材料常規(guī)表征手段表征手段77X射線粉末衍射儀組成結(jié)構(gòu)示意圖 薄膜材料的表征方法78Rigaku D/Max-rA型X射線衍射儀 79XRD patter

7、n : 80分析軟件：PCPDFWIN分析方法： 1. PDF number 2. 元素檢索（結(jié)合三強(qiáng)峰） JADE8182作圖軟件：Origin參考書：X光衍射技術(shù)基礎(chǔ) 王英華著，原子能出版社薄膜材料的表征方法83工作模式（改變物鏡光闌及透鏡系統(tǒng)電流或成像平面位置） ：影像模式影像模式：利用衍射現(xiàn)象隨樣品的不均勻性，即晶體的位向差、晶界、位錯(cuò)、第二相顆粒等造成的衍射強(qiáng)度隨空間位置的變化，將部分透射束或衍射束投影在屏幕上構(gòu)成樣品的結(jié)構(gòu)形貌。衍射模式衍射模式：將電子束與樣品晶體點(diǎn)陣的周期場相互作用后產(chǎn)生的各個(gè)衍射束全部投影放大給出晶體點(diǎn)陣的衍射譜。3.2 透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡 (Tran

8、smission Electron Microscope，TEM) 薄膜材料的表征方法84影像工作模式： 用透鏡光闌選取透射電子束或衍射束之中的一束或多束，構(gòu)成樣品的形貌像。成像方式：（1）明場像，只使用透射電子束，而用光闌擋掉所有衍射束；（2）暗場像，透射電子束被光闌擋掉，而用一束衍射束作為成像光源；（3）相位襯度，允許兩束或多束電子參與成像。理想的情況下可重現(xiàn)引起電子衍射的晶體點(diǎn)陣的周期場，形成高分辨晶體點(diǎn)陣像。振幅襯度85250nmTEMHRTEM薄膜材料的表征方法86衍射工作模式（ED）： 電子被晶體點(diǎn)陣衍射以后又被分成許多束，包括直接透射的電子束和許多對(duì)應(yīng)于不同晶體學(xué)平面的衍射束。

9、將透射束和衍射束斑點(diǎn)組成的圖像投影到熒光屏上，給出晶體在特定入射方向上的衍射譜。 通過衍射譜的分析可得到： （1）晶體點(diǎn)陣的類型和點(diǎn)陣常數(shù)；（2）晶體的相對(duì)位向；（3）與晶粒的尺寸大小、孿晶等有關(guān)的晶體顯微缺陷方面的信息。 薄膜材料的表征方法8788標(biāo)定：1. 晶面的確定（rd=相機(jī)常數(shù)，平行四邊形法則）2. 晶帶軸的確定（晶帶定律，晶面(hkl)和晶帶軸uvw滿足hu+kv+lw=0）89六方晶系指數(shù)標(biāo)定六方晶系指數(shù)標(biāo)定晶面晶面 晶向晶向三指數(shù)三指數(shù) (hkl) uvw四指數(shù)四指數(shù) (hkil) UVTW其中：其中：i=-(h+k) T=-(U+V) u=2U+V, v=2V+U, w=W

10、或或 U=(2u-v)/3, V=(2v-u)/3, T=-(u+v)/3, W=w90結(jié)合HRTEM和ED，標(biāo)定晶體生長方向。參考書：參考書：透射電子顯微學(xué)黃孝瑛著，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社91二次電子像 3.3 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy，SEM）特點(diǎn)：分辨率較高（可以達(dá)到5nm左右）； 景深很大； 需要樣品具有一定的導(dǎo)電能力。 二次電子是入射電子從樣品表層激發(fā)出來能量最低的一部分電子。光電倍增管接收二次電子信號(hào)調(diào)制熒光屏掃描亮度,樣品表面的起伏變化使二次電子發(fā)射的數(shù)量及角度分布變化，保持屏幕掃描與樣品表面電子束掃描同步，即可使屏幕圖像

11、重現(xiàn)樣品的表面形貌，而屏幕上圖像的大小與實(shí)際掃描面積大小之比即是掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)。92933.4 X射線能量色散譜射線能量色散譜(Energy dispersive X-ray spectrometer ，EDS) SEM、TEM的附件，高能電子束激發(fā)材料中的電子，使其發(fā)射特征X射線，用于微區(qū)成分分析。注意：測量范圍Na-U。CdCdSCd : S = 52.69 : 47.31943.5 X射線光電子能譜射線光電子能譜 (X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS) 利用能量較低的X射線作為激發(fā)源，通過分析樣品發(fā)射出來的具有特征能量的電子，實(shí)現(xiàn)分析樣品化

12、學(xué)成分目的。 被激發(fā)出的來的電子具有的能量 E=h-EB 式中： 入射X射線的頻率 EB 被激發(fā)出來的電子原來的能級(jí)能量95作用：元素分析；價(jià)態(tài)確定；定量分析。參考書：Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy (Perkin-Elmer)薄膜材料的表征方法96 在實(shí)際分析工作中，有些XPS 譜中的光電子峰位移小或強(qiáng)度弱，對(duì)一些過渡金屬如Cu、Zn 等、一些重元素如Ag 等、堿土金屬M(fèi)g 等，很難唯一指認(rèn)出元素及其化學(xué)價(jià)態(tài)。因此，可以結(jié)合XPS 和XAES，利用修正的俄歇參數(shù)（）來指認(rèn)元素及其化學(xué)態(tài)。薄膜材料的表征方法97 Cu的的XPS參考數(shù)值參考數(shù)值 2p3/2 LMM薄膜材料的表征方法98 Cu的XPS參考數(shù)值 2p3/2 LMM Eb(Cu 2p3/2) = 932.08 eV Eb(Cu LMM) = 569.08 eV Ek(Cu LMM) = 917.52eV光源 單色化的Al K