薄膜結(jié)構(gòu)與缺陷

1、第八章 薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷 2022/7/1418-1 薄膜的結(jié)構(gòu)8-2 薄膜的缺陷8-3 薄膜結(jié)構(gòu)和組織的分析方法1 薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷在一定程度上決定著薄膜的性能，因此對薄膜結(jié)構(gòu)與缺陷的研究一直是大家十分關(guān)注的問題。2022/7/14228-1 薄膜的結(jié)構(gòu)薄膜結(jié)構(gòu)因研究對象不同可分為三種類型： 組織結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)。 一薄膜的組織結(jié)構(gòu) 指它的結(jié)晶形態(tài)。 無定形結(jié)構(gòu) 多晶結(jié)構(gòu)（包括纖維結(jié)構(gòu)） 單晶結(jié)構(gòu) 33 1無定形結(jié)構(gòu)(非晶結(jié)構(gòu)或玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)) 無定形近程有序，長程無序，23個原子距離內(nèi)原子排列是有秩序的，大于這個距離其排列是雜亂無規(guī)則的。 如：非晶半導(dǎo)體薄膜、非晶稀土-過渡金屬磁光薄膜

2、，某些陽極氧化膜 類無定形由無序排列的極其微?。?nm）的晶粒組成，其X射線和電子束的衍射圖像發(fā)生嚴(yán)重彌散而類似于無定形結(jié)構(gòu)。如：高熔點金屬薄膜、高熔點非金屬化合物薄膜、碳、硅、鍺的某些化合物薄膜，兩個不相容材料的共沉薄膜。 4無定形結(jié)構(gòu)薄膜在環(huán)境溫度下是穩(wěn)定的。兩種結(jié)構(gòu)：不規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（玻璃態(tài)）主要出現(xiàn)在氧化物薄膜、元素半導(dǎo)體薄膜和硫化物薄膜中。隨機(jī)密堆積的結(jié)構(gòu)主要出現(xiàn)在合金薄膜之中。 不規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是兩種互相貫通的隨機(jī)密堆積結(jié)構(gòu)組成的。這些隨機(jī)結(jié)構(gòu)的特征是缺乏連續(xù)的長程有序性。 在x 射線衍射譜圖中，呈現(xiàn)很寬的漫散射峰，在電子衍射圖中顯示出很寬的彌散性光環(huán)。5形成無定形薄膜的工藝條件：

3、 降低吸附原子的表面擴(kuò)散速率。方法：降低基體溫度Ts、引入反應(yīng)氣體和摻雜。實例：A、硫化物和鹵化物薄膜在基體溫度低于77K時可形成無定形薄膜。B、10-210-3Pa氧分壓中蒸發(fā)鋁、鎵、銦等超導(dǎo)薄膜，由于氧化層阻擋晶粒生長而形成無定形薄膜。C、83%ZrO2 -17%SiO2的摻雜薄膜中，由于兩種沉積原子尺寸的不同也可形成無定形薄膜。2022/7/14662.多晶結(jié)構(gòu) 多晶結(jié)構(gòu)薄膜是由若干尺寸大小不等的晶粒所組成。 晶粒尺寸一般在10-100nm，亦稱為微晶薄膜（如低熔點金屬薄膜）。晶粒特別小（12%時，晶格畸變到完全不匹配 薄膜中有較大的內(nèi)應(yīng)力和表面張力 簡單理論計算： 設(shè)基體表面一個半球形

4、晶粒，半徑為r,單位長度表面自由能為。表面張力作用對晶粒產(chǎn)生的壓力 f 為 承受壓力的面積2022/7/141616壓力強(qiáng)度由虎克定律(8-1)(8-2)(8-3)EV 薄膜彈性系數(shù)將式(8-1)代入式(8-2)說明晶格常數(shù)變化比(即應(yīng)變) 與半徑 r 成反比，r 越小， 越大。說明薄膜中晶格常數(shù)不同于塊狀材料的晶格常數(shù)。熱脹系數(shù)不同2022/7/141717三、薄膜的表面結(jié)構(gòu)1、表面形態(tài) (1) 不連續(xù)膜(島狀、顆粒)，一般厚度較小，50以下。 (2) 多孔網(wǎng)狀膜 (3) 連續(xù)狀膜 熱力學(xué)能量理論分析：理想的薄膜表面應(yīng)具有最小表面積， 才能使其總能量達(dá)到最低值，但實際上是不可能的。 實際情況

5、： 薄膜的表面具有一定的粗糙度，厚度在各處不均勻。 若薄膜的平均厚度為d，它按無規(guī)則變量的泊松幾率分布，由此可得到膜厚的平均偏離值 薄膜的表面積隨著其厚度的平方根值而增大。2022/7/1418 但由于入射原子沉積到基體表面上之后，釋放出能量就吸附在基體表面上。然后依靠橫向擴(kuò)散能量在表面上作擴(kuò)散，占據(jù)表面上的一些空位，使薄膜表面上的谷被填平，峰被削平，導(dǎo)致薄膜表面面積不斷縮小，表面能逐步降低。由于吸附原子在表面上擴(kuò)散，還能使一些低能晶面 (低指數(shù)晶面)得到發(fā)展。在基體溫度較高時，生長最快的晶面能消耗生長較慢的晶面，導(dǎo)致薄膜的粗糙度進(jìn)一步增大。此種結(jié)構(gòu)常在基體溫度較高情況出現(xiàn)。 基體溫度較低時，

6、易發(fā)生吸附原子在表面橫向擴(kuò)散能量 較小，所得表面積較大，易形成多孔結(jié)構(gòu)薄膜。微孔內(nèi)表面積很大，可延續(xù)到最低層，與微觀結(jié)構(gòu)中的柱狀體結(jié)構(gòu)一致。2022/7/141919實驗驗證：當(dāng)入射原子在基片上的表面運(yùn)動能力很小時，所成薄膜的表面積很大。薄膜的表面積隨膜厚成線性增大，以致較厚的薄膜的實有面積與幾何面積之比可能大于100。表面積隨膜厚成線性增大，表明薄膜是多孔結(jié)構(gòu)，能吸附氣體的內(nèi)表面積很大。20原因解釋：陰影效應(yīng) 在沉積過程中，基片表面優(yōu)先生長出許多峰狀微小晶粒，由于陰影效果，遮住了相鄰的晶粒使繼續(xù)入射的原子達(dá)不到其表面，使薄膜表面凹凸不平，內(nèi)部出現(xiàn)大缺陷。212022/7/142222若沉積薄

7、膜時真空度較低，由于殘余氣壓過高，入射的氣相原子和殘余氣體分子相碰撞，先在氣相中凝結(jié)成煙塵然后再到達(dá)基體表面沉積形成薄膜。由于這種在薄膜中塵粒聚積松散，這種薄膜也是多孔性的。 在基體溫度較低時，也易出現(xiàn)這種多孔性結(jié)構(gòu)。2022/7/142323由于薄膜表面結(jié)構(gòu)和構(gòu)成薄膜整體的微型體狀密切相關(guān)，大多數(shù)蒸發(fā)薄膜具有下述特點：(1)呈現(xiàn)柱狀顆粒和空位組合結(jié)構(gòu)；(2)柱狀體幾乎垂直于基體表面生長，而且上下兩 端尺寸基本相同。(3)平行于基體表面的層與層之間有明顯的界面。 上層柱狀與下層柱狀體并不完全連續(xù)生長。 具上述特點的薄膜微型結(jié)構(gòu)用結(jié)構(gòu)區(qū)域模型進(jìn)行分析研究。2022/7/142424(1)結(jié)構(gòu)區(qū)域

8、模型(以蒸發(fā)為主)2022/7/142525 所有真空蒸發(fā)薄膜都呈現(xiàn)柱狀結(jié)構(gòu)。 金屬膜和介質(zhì)膜，決定其微觀結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)是基體溫度Ts 和蒸發(fā)材料熔點溫度Tm的比值Ts/Tm。 當(dāng)Ts/Tm 小于0.45時，薄膜就呈現(xiàn)柱狀結(jié)構(gòu)。以溫度劃分： 區(qū)域 1 柱體和空隙 一般都在此區(qū)域基體溫度下淀 積，柱狀體截 面直徑為幾百，柱狀體之間有明 顯界面。 區(qū)域 2 致密的柱體 區(qū)域 3 多晶狀態(tài) 區(qū)域 4 玻璃態(tài)2022/7/1426262、修正后的結(jié)構(gòu)區(qū)域模型2022/7/142727 同時考慮了Ts/Tm 和 工作氣體壓力因素區(qū)域 1 Ts/Tm較低，吸附原子表面擴(kuò)散不足以克服陰影效 果時薄膜形成生長

9、的區(qū)域。 陰極濺射時，若工作氣體壓力較高，也會促進(jìn)區(qū)域1的成長。 隨著TsTm值的增加，柱狀體截面直徑增大，使正在生長的表面高處比低谷處能接收更多的入射氣相原子，陰影效果促使晶粒間界變得稀疏。當(dāng)入射氣相原子傾斜入射時現(xiàn)象更明顯。 區(qū)域1的形成還和下列因素有關(guān)： 膜層表面粗糙度、初始生長的晶核形狀、不均勻基體上的擇優(yōu)成核、基體表面粗糙度和薄膜擇優(yōu)取向生長等。 特點：由空間隔開的錐狀晶粒組成的多孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不分明，位錯密度較高。2022/7/142828區(qū)域 T 由緊密堆積的纖維狀晶粒組成的結(jié)構(gòu)，可看作區(qū)域1 在Ts/Tm 值為0時在非常光滑基體上形成的極限形式。是區(qū)域1結(jié)構(gòu)中晶粒尺寸小到難以

10、分辨時呈現(xiàn)的纖維結(jié)構(gòu)。 當(dāng)入射氣相粒子流垂直入射沉積在較光滑、均勻的基體表面上時，在吸附原子的表面擴(kuò)散速率大到足以克服由基體和初始成核引起的表面粗糙度的Ts/Tm值的溫度下，可形成接近區(qū)域1 的結(jié)構(gòu)。 特點：晶粒間界致密，機(jī)械性能好。29區(qū)域 2 在基體溫度較大，或沉積吸附原子在基體表面上擴(kuò)散速率較大的情況下形成的無孔洞區(qū)。 區(qū)域2定義為生長過程是由吸附原子的表面擴(kuò)散所支配的TsTm范圍。它是由晶粒間界特別致密的柱狀晶粒所組成。 位錯主要存在于晶粒間界區(qū)域。 隨著TsTm值的增大，晶粒尺寸也不斷增大。當(dāng)TsTm值較高時，晶粒尺寸可以超過膜層厚度導(dǎo)致膜層表面呈現(xiàn)凸凹不平。30區(qū)域 3 再結(jié)晶區(qū)，

11、體內(nèi)擴(kuò)散對膜層最終結(jié)構(gòu)起主要影響的Ts/Tm區(qū)。 由純金屬膜形成的等晶軸區(qū)域3的TsTm值大約為0.5左右。 出現(xiàn)再結(jié)晶時的TsTm值由所存貯的轉(zhuǎn)換能決定。塊狀材料的再結(jié)晶大約在TsTm大于0.33時出現(xiàn)。然而，在同時用離子轟擊的冷基體上，沉積的銅膜在室溫下就可觀察到再結(jié)晶現(xiàn)象。 薄膜在高溫再結(jié)晶時其結(jié)構(gòu)無需等軸化。如果薄膜沉積過程中產(chǎn)生了高晶格轉(zhuǎn)換能的部位，可能產(chǎn)生再結(jié)晶使晶粒等軸化。 濺射薄膜通常都是柱狀晶粒的形貌。31薄膜微觀結(jié)構(gòu)總結(jié)：在低溫時，由于吸附原子表面擴(kuò)散速率減小，成核數(shù)目有限，容易生長成錐狀晶粒結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不致密，在錐狀晶粒之間有直徑可達(dá)幾百埃的縱向氣孔。這種結(jié)構(gòu)稱為葡萄狀

12、結(jié)構(gòu)（區(qū)域1），其位錯密度高，殘余應(yīng)力大。隨著基基體溫度升高，吸附原子表面擴(kuò)散速率增大，結(jié)構(gòu)形貌轉(zhuǎn)移到T 區(qū)。形成晶粒間界較模糊的緊密堆積纖維狀晶粒結(jié)構(gòu)。然后可轉(zhuǎn)變?yōu)橄喈?dāng)于區(qū)域2 的完全致密的柱狀晶體結(jié)構(gòu)。如果溫度繼續(xù)升高，由柱狀晶粒尺寸隨凝結(jié)溫度升高而增大，其結(jié)構(gòu)變成等軸晶形貌即區(qū)域3。32利用晶粒直徑的對數(shù)和區(qū)域2、區(qū)域3沉積溫度的倒數(shù)作圖得到的直線關(guān)系可計算出活化能。從計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在區(qū)域2中晶粒生長的活化能相當(dāng)于表面擴(kuò)散活化能。產(chǎn)生區(qū)域3晶粒的活化能則相當(dāng)于體積自擴(kuò)散的活化能。333、表征薄膜微觀結(jié)構(gòu)的物理參數(shù) 柱狀體半徑 柱狀體內(nèi)表面積 聚集體密度2022/7/143434（1）柱狀

13、體半徑形成薄膜微觀結(jié)構(gòu)的柱狀晶粒不完全是圓柱體，可能是圓錐形柱體或拋物形柱體。 35(2) 柱狀體表面積表示高度與半徑之比。聚集密度較大的薄膜，內(nèi)表面積較小。（3）聚集密度實際的薄膜，P=0.750.95，只有離子鍍、濺射或離子輔助等技術(shù)制備的薄膜才能接近1。聚集密度一般隨膜厚、基板溫度、蒸發(fā)速率和真空度的提高而增加。368-2 薄膜的缺陷 在薄膜生長和形成過程中，各種缺陷都會進(jìn)入到薄膜中。這些缺陷對薄膜性能有重要影響，是導(dǎo)致其與塊材性能差異的重要原因。這些缺陷的出現(xiàn)與薄膜制造工藝密切相關(guān)。 主要缺陷類型： （1）點缺陷； （2）位錯； （3）晶粒間界； （4）層錯缺陷。3737一、點缺陷1.

14、定義 晶體中晶格排列出現(xiàn)的缺陷，若僅涉及到單個晶格結(jié)點則稱這種缺陷為點缺陷。 類型空位和填隙原子。2.形成原因 晶格結(jié)點處原子在平衡位置附近作不停熱振動，一定T下，能量一定，但由于存在能量起伏，個別原子脫離束縛逃離原位，形成空位缺陷； 逃離原位的原子跳進(jìn)原子之間間隙形成填隙缺陷。溫度急劇變化引起，真空蒸發(fā)薄膜過程會引入點缺陷。由雜質(zhì)引起。（置換型或填隙型）383. 原子空位 在點缺陷中數(shù)量最多的是原子空位，原因在于形成原子空位的能量比形成其他點缺陷要小得多。例：一價fcc金屬，如Cu，Au，Ag，原子空位 1eV； Cu 間隙原子 2.53.3eV 存在原子空位的效果主要表現(xiàn)在晶體的體積和密度

15、上。 一個空位可使晶體體積約減少1/2的原子體積。 由于剛形成的薄膜中空位濃度在平衡濃度以上，因此薄膜密度比塊狀小，由于擴(kuò)散作用，空位數(shù)將隨著時間延長而減小，造成膜厚隨時間增加而減薄的現(xiàn)象，同時薄膜的電阻率也隨時間增加而減小。39膜厚小時，即薄膜形成的初期，薄膜密度小，表明點缺陷濃度較大，隨膜厚增加，點缺陷濃度降低，薄膜密度增大。40表明經(jīng)過時效處理后，薄膜中的原子空位通過擴(kuò)散而減小，從而引起薄膜厚度的降低。414、點缺陷的觀測不能用電子顯微鏡直接觀測到。由于點缺陷對薄膜的物理性能有重要影響，故可通過物理性能的測量來研究點缺陷，特別是熱處理過程對薄膜性能的影響來研究點缺陷。經(jīng)過熱處理或長時間的

16、時效處理，點缺陷可以擴(kuò)散，轉(zhuǎn)化或消失，從而引起薄膜的體積和電阻產(chǎn)生不可逆的減小，而密度和折射率則有不可逆的增加。因此可以通過測量電阻率的變化和理論的計算來推算點缺陷的形成能和能量分布情況。42假設(shè)某一時刻t形成點缺陷的能量在E和E+dE之間，超過平衡濃度的點缺陷濃度為N(E,t)dE，測得的電阻率為t，缺陷變化貢獻(xiàn)的電阻率為0，其余電阻率為i，則假設(shè)一個點缺陷的形成能量產(chǎn)生的電阻為r(E),則經(jīng)過推導(dǎo)，可得43當(dāng)溫度T確定后，E和U值可確定，當(dāng)測量得到di/dT時，即可求出F0(E)。一般情況下，r(E)未知，但對fcc金屬來說，每一個原子百分?jǐn)?shù)（原子%）的空位貢獻(xiàn)的電阻率約為(12)10-6

17、cm，從上面的公式就可得到點缺陷濃度，也就知道薄膜剛蒸發(fā)完時形成晶格缺陷時的能量分布。44直接退火加熱時，薄膜的電阻率按上半圖的曲線變化，為不可逆過程；退火后再重復(fù)冷卻和加熱時，按上半圖的直線規(guī)律變化，為可逆過程?？瘴坏男纬赡転?.2eV45二、位錯 位錯是薄膜中最常遇到的缺陷之一，它是晶格結(jié)構(gòu)中的一種“線型”的不完整結(jié)構(gòu)。位錯可以用電子顯微鏡觀測到，其密度約為1012-1013/cm2。塊狀優(yōu)質(zhì)晶體中錯密度約為104 106/cm2 發(fā)生強(qiáng)烈塑性形變晶體中位錯密度約為1010-1012cm2 故薄膜中的位錯密度與塊狀晶體塑性變形后的位錯密度相當(dāng)。薄膜中位錯比塊材穩(wěn)定。薄膜中的位借大部分從薄膜

18、表面伸向基體表面，并在位錯周圍產(chǎn)生畸變。薄膜中多少位錯出現(xiàn)在與薄膜表面相垂直的方向，且被鎖定為穩(wěn)定的位錯。46引起位錯的原因為：1、基體引起的位錯(1)薄膜與基體之間有晶格失配產(chǎn)生位錯；2022/7/1447(2)基體上存在位錯(一般較小，105/cm2)。472、小島聚結(jié)引起的位錯(1)薄膜中產(chǎn)生位錯主要原因來自小島長大和聚結(jié)2022/7/144848 多數(shù)的小島中結(jié)晶方向任意，當(dāng)兩個晶體方向稍有不同的小島互相聚結(jié)成長時，就產(chǎn)生以位錯形式形成的小傾斜角的晶粒間界。絕大多數(shù)位錯是在溝道和空洞階段產(chǎn)生的。2022/7/144949 此外，當(dāng)小島剛一凝結(jié)合并時在薄膜內(nèi)有相當(dāng)強(qiáng)的應(yīng)力產(chǎn)生，有時應(yīng)力集

19、中在小島凝結(jié)過程中形成空位的地方產(chǎn)生位錯。利用這種現(xiàn)象可通過測量薄膜內(nèi)摩擦的方法研究位錯的性質(zhì)。(2)位錯的測定通過內(nèi)耗實驗測定（測量內(nèi)摩擦）內(nèi)摩擦：若讓薄膜隨意振動一下，它的振幅會以某一比率進(jìn)行衰減，這主要是由于振動能量通過薄膜中的位錯運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿慕Y(jié)果，這種能量的轉(zhuǎn)換過程稱為薄膜的內(nèi)摩擦。如塊狀fcc金屬，強(qiáng)加工后，使其降溫，測量其內(nèi)摩擦隨溫度的變化時，會產(chǎn)生玻多尼（Bordoni）峰，它起因于位錯的運(yùn)動。50假設(shè)試樣的振動頻率為f，產(chǎn)生峰值的溫度為TR，則有f0為常數(shù)，Hp為位錯運(yùn)動所需的激活能。51三、晶粒間界 由于薄膜中含有許多微小晶粒，與塊狀材料相比，薄膜晶粒間界面積較大。在吸附

20、原子表面擴(kuò)散率很小的情況下，薄膜中晶粒尺寸與臨界核尺寸無較大差異。 但一般情況下，吸附原子的表面擴(kuò)散率都較大，所以在小島長大到可以互相接觸時，晶粒尺寸則遠(yuǎn)遠(yuǎn)地大于臨界核尺寸。薄膜中的晶粒尺寸隨著沉積條件（膜厚、基片溫度、沉積速度）和退火溫度的變化而變化。522022/7/1453共同點：隨著沉積參數(shù)的變化，晶粒尺寸最終趨于一個飽和尺寸。53(a) 晶粒尺寸薄膜厚度關(guān)系 晶粒尺寸隨膜厚的增加而增加并達(dá)到飽和值。同樣膜厚時，低基溫的比高基溫的晶粒尺寸小。 晶粒尺寸達(dá)到飽和，表明在膜厚達(dá)到一定值之后，在原有老晶粒上又產(chǎn)生出新的晶粒。 新晶粒的產(chǎn)生原因：在老晶粒上面有污染層隔離，使新晶粒不與老晶粒接續(xù)

21、生長；老晶粒上部表面已成為近于完善的封閉堆積面。新入射的氣相原子很難再進(jìn)入到里面，只能在上面重新排列而構(gòu)成新晶粒。2022/7/145454(b) 晶粒尺寸基體溫度關(guān)系： 基體溫度越高，晶粒尺寸越大并達(dá)到飽和值。同樣基體溫度時，厚的膜的晶粒尺寸大于薄的膜的尺寸。(c)晶粒尺寸退火溫度關(guān)系： 晶粒尺寸隨退火溫 度提高而增加。晶粒尺寸隨基體溫度和退火溫度的升高而增大，原因是： 由于在這種條件下，原子的表面活動能力增加，允許薄膜中生長出大量晶粒來減少晶界面積，從而降低薄膜的總能量。與此相反，低溫導(dǎo)致小晶粒。55(d) 晶粒尺寸淀積速率關(guān)系： 影響不如前幾個因素顯著。高基溫的晶粒尺寸大于低基溫晶粒尺寸

22、。淀積速率超過某一臨界速率時，晶粒尺寸開始減小，因為入射原子雖然具有較大的表面遷移能力，但還是來不及作過多的擴(kuò)散運(yùn)動就已被新來的沉積原子層所覆蓋。(e) 雜質(zhì)的影響薄膜中含有雜質(zhì)時，雜質(zhì)會吸附在晶界上，阻礙晶粒的生長，有時甚至可使薄膜具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。雜質(zhì)分布在晶界處，對薄膜中運(yùn)動的電子產(chǎn)生很高的勢壘，使膜在光學(xué)上不連續(xù)。56四、層錯缺陷在真空蒸發(fā)薄膜中存在層錯缺陷，由原子錯排 產(chǎn)生。 在完整的面心立方晶體中應(yīng)以ABC順序堆垛，每三層一個反復(fù)，周而復(fù)始，ABCABC（若在原子排列中缺少某一層，如A層），則為ABC BC ABC，于是產(chǎn)生了層錯。57觀測層錯的方法：電子顯微鏡衍射法光學(xué)顯微鏡觀察腐

23、蝕面分析X射線衍射圖像的峰值位置移動的解析法實例：用電子顯微鏡觀測沉積在MoS2基體上的Au膜。觀察薄膜中兩個小島聚結(jié)合并時，發(fā)現(xiàn)小島剛合并就可在表示各個小島的結(jié)晶點陣衍射條紋邊界處出現(xiàn)較強(qiáng)的衍射襯度，這種襯度反映有層錯缺陷存在。層錯產(chǎn)生的原因：由于兩個島在聚合時，兩者的晶格匹配不良引起。在異質(zhì)外延薄膜中，這種匹配不良類似于薄膜與基底的失配；同質(zhì)外延膜中，不匹配的原因是基底表面的缺陷和污染。2022/7/1458588-3 薄膜結(jié)構(gòu)與組分的分析方法2022/7/1459薄膜的性能取決于薄膜的結(jié)構(gòu)和成分。其中薄膜結(jié)構(gòu)的研究可以依所研究的尺度范圍被劃分為以下三個層次：（1）薄膜的宏觀形貌，包括薄膜

24、尺寸、形狀、厚度、均勻性等；（2）薄膜的微觀形貌，如晶粒及物相的尺寸大小和分布、孔洞和裂紋、界面擴(kuò)散層及薄膜織構(gòu)等；（3）薄膜的顯微組織，包括晶粒內(nèi)的缺陷、晶界及外延界面的完整性、位錯組態(tài)等。針對研究的尺度范圍，可以選擇不同的研究手段。59 在研究薄膜結(jié)構(gòu)與組分時常用的檢測方法有X射線衍射法（XRD - X Ray Diffraction） 電子衍射法 (Electron Diffraction)掃描電子顯微鏡法（SEM-Scanning Electron Microscopy）俄歇電子能譜法 (AES-Auger electron Spectroscopy)X射線光電子能譜法(XPS-X R

25、ay Photoelectron Spectroscopy)二次離子質(zhì)譜(SIMS-Secondary Ion Mass Spectrometry)一、X射線衍射（XRD）法 對元素、化合物和混合物進(jìn)行驗證和定量分析；物相分析和物相界限的確定和相變研究；晶體結(jié)構(gòu)分析；單晶定向；晶格參數(shù)測定；晶粒尺寸和晶格變形的測定以及晶體缺陷研究等。60薄膜樣品的制備要求：薄膜厚度要合適，XRD適合于比較厚的薄膜樣品的粉細(xì)；表面光潔度高、粗糙度小。XRD在薄膜分析中的應(yīng)用實例：薄膜界面物相分布2022/7/146161多層膜結(jié)構(gòu)的測定 多層膜材料中，兩薄膜層反復(fù)重疊，形成調(diào)制界面，當(dāng)X射線入射時，周期良好的調(diào)

26、制界面會與平行于薄膜表面的晶面一樣，在滿足布拉格方程時，產(chǎn)生相干衍射，形成尖銳的衍射峰。62薄膜晶相結(jié)構(gòu)單晶Si片上的TiO2薄膜632022/7/1464二、電子衍射法 電子衍射法在研究分析薄膜時比X射線衍射法有更多的優(yōu)越性。分低能電子衍射和高能電子衍射。應(yīng)用：研究表面原子周期結(jié)構(gòu)。64（8-32）2022/7/1465高能電子衍射法可觀測薄膜生長的各種模式65三、掃描電子顯微鏡（SEM）分析法是分析薄膜形貌和成分的最直接的手段之一。可提供清洗直觀的形貌圖像，分辨率高、景深長，可給出定量或半定量的表面成分分析結(jié)果。2022/7/146666 X 射線能譜法 利用光子能量 E 和波長 的依從關(guān)系 E= hc/ 。