《功能薄膜技術》課件08 薄膜表征1

1、第八講 薄膜的表征1薄膜厚度測量薄膜結構表征薄膜組分測量 薄膜厚度測量1 薄膜的厚度/沉積速率 主要分類1.1 氣相原子密度法一、測量原理 (如右圖所示，與電離真空計類似)：1、氣相原子進入探頭 燈絲熱電子轟擊 電離；2、電場作用下：電離出的電子陽極、離子陰極 (收集極)；3、收集極電流 Ii 和陽極電流 Ie 滿足： Ii nIe 沉積速率 ( ) 滿足： 膜厚 D 滿足： 此處：n 氣相粒子密度； 膜材料密度； a 常數。1 薄膜的厚度/沉積速率1.1 氣相原子密度法二、特點：1、膜厚測量的相對誤差 10%；2、測量結果和蒸發(fā)源溫度及殘余氣體氣壓有關 (分別影響 a 和 Ii )。1 薄膜

2、的厚度/沉積速率1、測量原理： 調整線圈電流，使薄膜增重引起的重力力矩和線圈所產生磁場與吸鐵間的磁場力達到平衡，即可換算出薄膜質量，而薄膜厚度滿足：2、特點： 靈敏度很高 ( 等厚干涉法 測量精度可達 1 nm！1 薄膜厚度/沉積速率1.4 光學干涉法1、測量原理： 直徑很小的觸針 (探針) 在一定載荷作用下滑過被測薄膜表面，同時記錄下觸針在垂直方向的位移大小并描繪樣品表面輪廓，在薄膜邊緣處輪廓的突變即薄膜的厚度（實際上是表面輪廓測量）。 可同時測得薄膜的表面粗糙度及膜厚！2、儀器特征：1）探針：一般為金剛石，頭部磨成 R= 2-10 m的圓弧形；2）載荷：一般為 1-30 mgf；3）分辯率

3、：1 nm (機械/光電放大位移量 103-106倍)。1 薄膜厚度/沉積速率1.5 探針法 (粗糙度儀)3、基本矛盾： 不破壞樣品表面真實形貌 探頭頭部接觸壓力 大直徑探頭有利； 能分辨表面形貌微小起伏 探頭跟隨性、分辨率 小直徑探頭有利！ 4、優(yōu)、缺點：1）方法簡單、測量直觀；2）適合硬膜測量，容易劃傷較軟薄膜并引起測量誤差；3）對表面很粗糙的薄膜測量誤差較大。1 薄膜厚度/沉積速率1.5 探針法 (粗糙度儀)1、測量原理： 用高硬度的磨球通過傳動機構在薄膜表面接觸滾動，待薄膜磨穿之后，測量磨坑直徑和薄膜磨穿區(qū)寬度，進而通過幾何關系折算出薄膜的厚度。2、基本特點：1）簡單快捷、可測多層膜內

4、每層厚度； 2）一定程度上還可評定磨損率及膜基結合強度；3）后效測量手段、使用近似公式有一定測量誤差。1 薄膜厚度/沉積速率1.6 球痕法 (Ball-Crater)球痕法的測量裝置及原理3、近似公式： 磨坑直徑及磨穿區(qū)寬度 磨球直徑 Db 時，任意一層薄膜的厚度 D 近似滿足： 式中：d 該層薄膜下表面對應磨坑直徑； y 該層薄膜對應的磨穿區(qū)寬度。1 薄膜厚度/沉積速率1.6 球痕法 (Ball-Crater)薄膜截面掃描電鏡照片也可以測量薄膜厚度一、測量原理： 1、熾熱的燈絲（陰極）發(fā)射出的電子在電場作用下被加速； 2、加速電子進入兩級磁聚焦透鏡，會聚成直徑約 5 nm的電子束； 3、聚焦

5、電子束被導入偏轉掃描線圈，在磁場作用下掃描照射樣品表面； 4、電子束照射所激發(fā)的各種產物粒子束被樣品附近的探測器接收，形成反映樣品形貌的電子像或結構成分的波譜。2 薄膜形貌/結構2.1 掃描電子顯微鏡 (Scanning Elelctron Microscopy)SEM的成像粒子及測量原理二、基本特點： 1、類似光學金相，可提供清晰直觀的表面/截面形貌像； 2、分辯率高，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，應用極為廣泛。2 薄膜形貌/結構2.1 掃描電子顯微鏡 (Scanning Elelctron Microscopy)SEM的結

6、構與主要組件掃描電鏡三、電子束的作用區(qū)域及主要成像粒子：1、電子束入射到樣品表面后，會與表面層的原子發(fā)生各種交互作用， 其作用區(qū)域大致為一個梨形區(qū)域，深度約 1m；2、該區(qū)域在電子束照射下可實現(xiàn)成像和波譜分析的主要激發(fā)粒子是： 最表層 (10)：俄歇電子； 淺層 (50500)：二次電子； 梨形區(qū)上部：背散射電子； 梨形區(qū)下部：特征X射線。3、分別接收上述激發(fā)粒子，處理后可顯示表層的各種形貌/成分信息。四、主要成像模式：1、二次電子像 (反映表面形貌)：1、入射電子從樣品表層激發(fā)出來能量最低的一部分電子 (來自較淺層 原子的受激發(fā)射)；2、表面起伏變化會造成二次電子發(fā)射數量和角分布變化（如前頁

7、圖)；3、具有較高的分辯率 (5-10 nm)：來自淺表層，分辯率較高；4、景深很大 任何形狀直接觀察 無須拋光處理！5、要求樣品具導電性 防止電荷累積 不導電樣品噴Au噴C處理！2 薄膜形貌/結構2.1 掃描電子顯微鏡 (SEM)PbSn鍍層表面的二次電子像四、主要成像模式：2、背散射電子成像 (反映元素成分 + 形貌)：1、背散射電子：被樣品表面直接碰撞散射返回的高能電子。 能量水平與入射電子相近！2、背散射電子像：接收背散射電子形成的電子像。3、特點： 原子對入射電子的反射能力隨原子序數 Z 而緩慢 背散射電子像可反映元素分布 成分分析 (面分布)！ 重元素反射能力 亮區(qū) (右圖亮區(qū)為富

8、 Pb 成分區(qū)域！) 電子能量較高 穿透能力 作用區(qū)域深、廣 成像分辨率不如二次電子像 (50-200 nm)！ 樣品表面很粗糙時，成分襯度甚至會被形貌襯度掩蓋！同一區(qū)域的背散射電子像透射電鏡一、測量原理：1、把經加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子在穿過樣品的同時與樣品原子碰撞而改變方向，從而產生立體角散射；2、散射角的大小與樣品的密度、厚度相關，因此可形成明暗不同的影像；3、通常：TEM的分辨率達 0.10.2 nm； 放大倍數為 n104n106倍。 用于觀察材料的精細結構，又稱“亞顯微結構”！2. 薄膜形貌/結構2.2 透射電子顯微鏡 (Transmission Electro

9、n Microscopy)TEM的兩種工作模式二、與SEM的主要區(qū)別：1、電子束照射方式不同：SEM 掃描式照射較大區(qū)域； TEM 固定照射很小區(qū)域。2、接收方式不同：SEM 表層激發(fā)或散射的 e (AE、SE、BSE)、 (X-ray)； TEM 電子束穿過很薄樣品并與樣品原子點陣交互作用后被接收！ TEM 的關鍵：電子束與樣品原子點陣的相互作用 攜載結構/成分信息！三、TEM的主要工作模式：1、影像模式：物鏡光闌置于樣品像平面位置 透射電子束直接成像 獲得樣品的結構、形貌信息！2、衍射模式：物鏡光闌置于衍射斑點平面位置 衍射斑點成像 獲得樣品的晶體學、成分信息！四、薄膜 TEM 樣品的制備

10、：1、為防止樣品晶體點陣背散射造成電子束不能穿透樣品 樣品厚度很?。阂话?0.5 m 需要進行減薄處理！2、減薄的基本步驟： 平面樣品：拋光 離子減??； 截面樣品：切片 粘合拋光 離子減??；2 薄膜形貌/結構2.2 透射電子顯微鏡 (TEM)薄膜截面樣品的減薄薄膜平面樣品的減薄五、衍射模式：1、電子的波長： 式中：h 普朗克常數； me 電子質量； qe 電子電量； V 加速電壓。 電子波長極短 V100 kV時，e = 0.0037 nm！2、電子衍射的條件 (布拉格公式)：3、電子衍射的特點： 電子衍射要求滿足的布拉格條件的衍射角 很小； 透射電子束和衍射電子束接近平行 幾乎平行于衍射晶面

11、！2 薄膜形貌/結構2.2 透射電子顯微鏡 (TEM)五、衍射模式：4、典型薄膜結構對應的電子衍射花樣特征 (如右圖所示)：1）非晶薄膜：只有中心粗大透射斑；2）納米晶薄膜：中心粗環(huán) + 外圍較粗的連續(xù)環(huán)；3）細晶粒多晶薄膜：斷續(xù)環(huán)狀特征 (右圖 a )；4）粗晶粒多晶薄膜：環(huán) + 點特征 (右圖 b )；5）單晶薄膜：規(guī)則斑點陣列 (右圖 c )。2 薄膜形貌/結構2.2 透射電子顯微鏡 (TEM)典型薄膜結構的電子衍射花樣5、衍射模式可實現(xiàn)表征的薄膜結構信息：1）晶體點陣類型和點陣常數；2）晶體的相對位向 (織構取向)；3）晶粒的尺寸；4）孿晶、位錯等晶體缺陷信息。6、最常用的公式：式中：a 晶格常數； dhkl 沿hkl 晶向的晶面間距； e 電子波長；L 像平面-樣品間距； R 衍射環(huán)的半徑。2