薄膜材料的表征與測量方法

第六章薄膜材料的表征方法§6.1薄膜厚度測量§6.2薄膜結(jié)構(gòu)的表征方法§6.3薄膜成分的表征方法§6.4薄膜附著力的測量方法1光學(xué)薄膜材料：薄膜的厚度、均勻性、光學(xué)性能。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，研究內(nèi)容擴(kuò)展到薄膜的各種結(jié)構(gòu)特征、成分分布、界面性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)。如果沒有先進(jìn)分析手段的建立和廣泛使用，就沒有現(xiàn)代意義上的薄膜材料制備技術(shù)。2§6.1薄膜厚度的測量在薄膜技術(shù)中，所希望的性質(zhì)Ei通常與許多參量有關(guān)，特別是與厚度有較大關(guān)系，即：Ei=Ei（D，P，….，基片）式中D代表薄膜厚度；P為殘留氣體氣壓。在薄膜制備過程中和沉積以后需要測量薄膜的厚度。在薄膜沉積過程中的膜厚確定采用原位測量，可以通過許多技術(shù)手段和方法實(shí)現(xiàn)膜厚和相關(guān)物理量的測量。34§6.1.1薄膜厚度的光學(xué)測量方法特點(diǎn)：不僅被用于透明薄膜，還可被用于不透明薄膜；使用方便，測量精度較高。原理：多利用光的干涉現(xiàn)象作為測量的物理基礎(chǔ)。5從平行單色光源S射到薄膜表面一點(diǎn)A的光將有一部分被界面反射，另一部分在折射后進(jìn)入薄膜中。這一射入薄膜中的光束將在薄膜與襯底的界面上的B點(diǎn)再次發(fā)生反射和折射。為簡單起見，可先假設(shè)在第二個(gè)界面上，光全部被反射回來并到達(dá)薄膜表面的C點(diǎn)，在該點(diǎn)處，光束又會發(fā)生發(fā)射和折射。要想在P點(diǎn)觀察到光的干涉極大，其條件是直接反射回來的光束與折射后又反射回來的光束之間的光程差為波長的整數(shù)倍。光的干涉條件67不透明薄膜厚度測量的等厚干涉（FET）和等色干涉（FECO）法8透明薄膜厚度測量的干涉法

薄膜測量的橢偏儀方法9（一）表面粗糙度儀法用直徑很小的觸針滑過被測薄膜的表面，同時(shí)記錄下觸針在垂直方向的移動情況并畫出薄膜表面輪廓的方法。不僅可以用來測量表面粗糙度，也可以用來測量特意制備的薄膜臺階高度，得到薄膜厚度的信息?！?.1.2薄膜厚度的機(jī)械測量方法10粗糙度儀觸針的頭部是用金剛石磨成約210m半徑的圓弧后做成的。在觸針上加有130mg的可以調(diào)節(jié)的壓力。垂直位移可以通過機(jī)械、電子和光學(xué)的方法被放大幾千倍甚至一百萬倍，因此垂直位移的分辨率最高可以達(dá)到1nm左右。11缺點(diǎn)容易劃傷較軟的薄膜并引起測量誤差。盡管在觸針上施加的力很小，但是由于觸針頭部直徑也很小，因而觸針對薄膜表面的壓強(qiáng)很大，即使在薄膜較軟時(shí)，薄膜的劃傷和由此引起的誤差是不能忽略的。對于表面粗糙的薄膜，其測量誤差較大。測量薄膜臺階高度時(shí)，應(yīng)盡量選用頭部直徑較大的觸針。但大的觸針不能分辨薄膜表面形貌的小的起伏變化。1213（二）稱重法如果薄膜的面積A、密度

和質(zhì)量m可以被精確測定的話，由公式薄膜的密度隨制備方法、工藝的不同有很大變化；準(zhǔn)確測量薄膜的面積也有困難。14由于可以實(shí)現(xiàn)在沉積過程中對襯底及薄膜的質(zhì)量加以控制，因而稱重法可以被用于薄膜厚度的實(shí)時(shí)測量。采用將質(zhì)量測量精度提高至10-8g，同時(shí)加大襯底面積并降低其質(zhì)量的方法，甚至可以將薄膜厚度的測量精度提高至低于一個(gè)原子層的高水平。15（三）石英晶體振蕩器法已被廣泛應(yīng)用于薄膜沉積過程中厚度的實(shí)時(shí)測量。原理：基于石英晶體片的固有振動頻率隨其質(zhì)量的變化而變化的物理現(xiàn)象。1617薄膜結(jié)構(gòu)的研究可以依所研究的尺度范圍劃分為以下三個(gè)層次:薄膜的宏觀形貌,包括薄膜尺寸、形狀、厚度、均勻性等；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；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(cuò)組態(tài)等。§6.2薄膜結(jié)構(gòu)的表征方法18針對研究的尺度范圍，可以選擇不同的研究手段：光學(xué)金相顯微鏡掃描電子顯微鏡透射電子顯微鏡場離子顯微鏡X射線衍射技術(shù)19掃描電子顯微鏡（SEM）是目前材料結(jié)構(gòu)研究的最直接手段之一?？梢蕴峁┣逦庇^的形貌圖像，同時(shí)又具有分辨率高、觀察景深長?？梢圆捎貌煌膱D像信息形式?？梢越o出定量或半定量的表面成分分析結(jié)果。2021二次電子：入射電子從樣品表層激發(fā)出來的能量最低的一部分電子。它們來自樣品表面最外層的幾層原子。二次電子像：較高的分辨率。需要樣品具有一定的導(dǎo)電能力，對于導(dǎo)電性較差的樣品，可以采用噴涂一層導(dǎo)電性較好的C或Au膜的方法，提高樣品表面的導(dǎo)電能力。二次電子像22背反射電子：被樣品表面直接反射回來的電子具有與入射電子相近的高能量。背反射電子像：接收背反射電子的信號，并用其調(diào)制熒光屏亮度而形成的表面形貌。原子對于入射電子的反射能力隨著原子序數(shù)Z的增大而緩慢提高。對于表面化學(xué)成分存在顯著差別的不同區(qū)域來講，其平均原子序數(shù)的差別將造成背反射電子信號強(qiáng)度的變化，即樣品表面上原子序數(shù)大的區(qū)域?qū)⑴c圖像中背反射電子信號強(qiáng)的區(qū)域相對應(yīng)。背反射電子像23電子顯微鏡：透射式、反射式、掃描式和掃描透射式。透射電子顯微鏡，TransmissionElectronMicroscope,簡稱TEM。發(fā)展較早，技術(shù)理論較成熟，分辨率高，因此得到廣泛應(yīng)用。組成：電子光學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和供電系統(tǒng)。透射電子顯微鏡（TEM）24工作方式電子束固定地照射在樣品中很小的一個(gè)區(qū)域上。使被加速的電子束穿過厚度很薄的樣品，并在這一過程中與樣品中的原子點(diǎn)陣發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生各種形式的有關(guān)材料結(jié)構(gòu)和成分的信息。影像模式和衍射模式。兩種工作模式之間的轉(zhuǎn)換主要依靠改變物鏡光闌及透鏡系統(tǒng)電流或成像平面位置來進(jìn)行。25任何物質(zhì)都是由原子組成，在固體物質(zhì)中原子核半徑約10-5?，原子與原子之間的距離為幾埃，因此原子之間是非?？盏?。當(dāng)一束高能電子穿過很薄的試樣時(shí)，大量電子將直接穿過物質(zhì)，而有一部分電子則與原子核或核外電子發(fā)生作用，這些相互作用只有在非常接近原子核或電子的情況下才會發(fā)生。由于原子核或電子都帶有電荷，這種相互作用往往使入射電子改變方向，產(chǎn)生散射。2627彈性散射：當(dāng)入射電子非?？拷雍藭r(shí)，由于核的質(zhì)量比電子大得多，因而入射電子和原子核幾乎沒有能量交換，而是以較大的角度散射。非彈性散射：當(dāng)入射電子與核外電子相撞時(shí)，由于兩者質(zhì)量相當(dāng)，入射電子將一部分能量傳遞給原子的外圍電子，并以較小角度散射。二次電子：入射電子從樣品表層激發(fā)出來的能量最低的一部分電子。背反射電子：被樣品表面直接反射回來的電子具有與入射電子相近的高能量。28衍射工作模式電子在被晶體點(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應(yīng)于不同晶體學(xué)平面的衍射束。被100~1000kV的電壓加速過的電子具有很短的波長，因此一束入射的電子能夠同時(shí)產(chǎn)生多束衍射。電子波長與加速電壓之間的關(guān)系。h普朗克常數(shù)，m、q電子的質(zhì)量和電量。29將透射束和衍射束斑點(diǎn)組成的圖像投影到熒光屏上，就給出了晶體在特定入射方向上的衍射譜，包含的結(jié)構(gòu)信息：晶體點(diǎn)陣的類型和點(diǎn)陣常數(shù)晶體的相對位向與晶粒的尺寸大小、攣晶等有關(guān)的晶體顯微缺陷方面的信息。30透射電子顯微像用物鏡光闌選取透射電子束或衍射電子束之中的一束就可以構(gòu)成樣品的形貌像。明場像：只使用透射電子束，用光闌擋掉所有衍射束的成像方式。暗場像：透射電子束被用光闌擋掉，用一束衍射束來作為成像光源。明場像、暗場像和電子衍射技術(shù)相互配合使用，可得到有關(guān)材料結(jié)構(gòu)的豐富信息。31按晶體對X射線衍射的幾何原理設(shè)計(jì)制造的衍射實(shí)驗(yàn)儀器。由X射線管發(fā)射出的X射線照射到試樣上產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，用輻射探測器接收衍射線的X射線光子，經(jīng)測量電路放大處理后在顯示或記錄裝置上給出精確的衍射線位置、強(qiáng)度和線形等衍射信息?；窘M成：X射線發(fā)生器、衍射測角儀、輻射探測器、測量電路以及控制操作和運(yùn)行軟件的電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。X射線衍射儀（XRD）3233測角儀—核心組成部分掃描范圍：正向（逆時(shí)針零度以上）2

角可達(dá)1650；負(fù)向（順時(shí)針零度以下）2

角可達(dá)-1000。2

測量的絕對精度為0.020，重復(fù)精度為0.0010。34布拉格公式特定波長的X射線束與晶體學(xué)平面發(fā)生相互作用時(shí)會發(fā)生X射線衍射。衍射現(xiàn)象發(fā)生的條件必須滿足布拉格公式：2dSin

=n式中：

為入射的X射線的波長；d為相應(yīng)晶體學(xué)面的面間距；

為入射X射線與相應(yīng)晶面的夾角；n為任意自然數(shù)。35采取收集入射和衍射X射線的角度信息及強(qiáng)度分布的方法，可以獲得晶體點(diǎn)陣類型、點(diǎn)陣常數(shù)、晶體取向、缺陷和應(yīng)力等有關(guān)材料結(jié)構(gòu)的信息。361981年，美國IBM公司Prof.G.Binning和Dr.H.Rohrer發(fā)明了掃描隧道電子顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscope），簡稱STM。（1986年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)）原理：利用量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)對樣品表面進(jìn)行分析，可以直接觀察到原子，是目前進(jìn)行表面分析的最精密的儀器。橫向分辨率0.1nm，縱向分辨率0.01nm。掃描隧道顯微鏡（STM）37隧道效應(yīng)（TunnelingEffect）是量子力學(xué)中的微觀粒子所具有的特性，即在電子能量低于它要穿越的勢壘高度時(shí)，由于電子具有波動性而具有穿越勢壘的幾率。STM通過探針針尖與樣品表面保持恒定距離而移動掃描時(shí)，通過測量隧道效應(yīng)電流而對表面形貌進(jìn)行觀察。隧道效應(yīng)電流是電子波函數(shù)重疊的量度，它與兩金屬電極之間的距離以及衰減常數(shù)有關(guān)。38隧道效應(yīng)由于電子具有波動性，在金屬中的電子并非僅存在于表面邊界以內(nèi)，即電子刻度并不是在表面邊界上突然降低為零，而是在表面邊界以外按指數(shù)規(guī)律衰減，衰減長度約1nm。這樣，如果兩塊金屬表面互相靠近到間隙小于1nm時(shí)，它們的表面電子云將發(fā)生重疊。如果將探針極細(xì)的原子尺度的針尖與被研究的試樣表面作為電極，當(dāng)探針與試樣表面間的距離接近1nm內(nèi)時(shí)，在外加電場的作用下，電子就會穿過兩個(gè)電極之間的絕緣層而流向另一電極。39STM的結(jié)構(gòu)示意圖探針與試樣的逼近裝置保持隧道電流恒定的電子反饋電路及顯示探針Z方向位置變化的顯示器操縱探針沿試樣表面X方向和Y方向運(yùn)動的壓電陶瓷掃描控制及位置顯示器，以及數(shù)據(jù)采集和圖像處理系統(tǒng)。40優(yōu)點(diǎn)有原子量級的極高分辨率，能夠分辨出單個(gè)原子。直接觀測到單原子層表面的局部結(jié)構(gòu)，如表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置等。能夠?qū)崟r(shí)地得到表面的三維圖像，可測量具有周期性和不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)。特別有利于對表面摩擦磨損行為和性能變化等動態(tài)過程研究?？梢栽诓煌h(huán)境條件下工作，包括真空、大氣、低溫，甚至試樣浸濕在水或電解液中。適用于研究環(huán)境因素對試樣表面的影響?？梢圆倏v和移動單個(gè)原子或分子，按照人們的意愿排布原子或分子，實(shí)現(xiàn)對表面進(jìn)行納米尺度的微加工。41

1986年，諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者賓尼等人發(fā)明了原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscope），簡稱AFM。橫向分辨率為30?。

原理：這種表面分析儀是靠探測針尖與樣品表面微弱的原子間作用力的變化來觀察表面結(jié)構(gòu)。

原子力顯微鏡（AFM）42三種不同的工作模式接觸式顯微探針與樣品表面相接觸，探針直接感受到表面原子與探針間的排斥力（10-6~10-7N），分辨力較強(qiáng)。非接觸式原子力顯微鏡的探針以一定的頻率在距表面5~10nm的距離上振動，引力大小約10-12N，分辨力較低。優(yōu)點(diǎn)在于探針不直接接觸樣品，對硬度較低的樣品表面不會造成損壞，且不會引起樣品表面的污染。點(diǎn)擊式探針處于上下振動狀態(tài)，振幅約100nm。在每次振動中，探針與樣品表面接觸一次?？梢赃_(dá)到與接觸式相近的分辨率，又避免了接觸式樣品表面原子對探針?biāo)a(chǎn)生的拖拽力的影響。43AFM的優(yōu)點(diǎn)不僅可以觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體的表面形貌，而且可以觀察非導(dǎo)體的表面形貌，彌補(bǔ)了STM只能直接觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體的之不足。4445§6.3薄膜成分的表征方法46對薄膜最基本的性能要求之一：對襯底的附著力要好。薄膜附著力測試方法的共同點(diǎn)：在對薄膜施加載荷的前提下，測量薄膜脫落時(shí)的臨界載荷。測試結(jié)果只具有定性意義。刮剝法和拉伸法?！?.4薄膜附著力的測量方法4748刮剝法將硬度較高的劃針垂直置于薄膜表面，施加載荷對薄膜進(jìn)行劃傷試驗(yàn)的方法來評價(jià)薄膜的附著力。當(dāng)劃針前沿的剪切力超過薄膜的附著力時(shí)，薄膜將發(fā)生破壞與剝落。在劃針移動的同時(shí)，逐漸加大所施加的載荷，并在顯微鏡下觀察得出劃開薄膜，露出襯底所需要的臨界載荷Fc，作為薄膜附著力的量度。根據(jù)劃痕邊緣的完整程度，比較薄膜附著力的大小。49與刮剝法相似的方法。使用具有一定形狀的硬質(zhì)壓頭，在載荷作用下將壓頭垂直壓入薄膜的表面。在卸去載荷后，觀察和測量薄膜表面壓陷區(qū)的形貌和大小，根據(jù)薄膜從襯底上剝落時(shí)載荷的大小和剝落薄膜的面積表征薄膜的附著力。壓痕法50利用黏結(jié)或焊接的方法將薄膜結(jié)合于拉伸棒的端面上，測量將薄膜從襯底上拉伸下來所需的載荷的大小。薄膜的附著力等于拉伸時(shí)的臨界載荷F與被拉伸的薄膜面積A之比。在使用黏結(jié)劑的情況下，黏結(jié)劑的黏結(jié)強(qiáng)度決定了這一方法可以測量的附著力的上限。焊接可以增加界面的結(jié)合強(qiáng)度，但焊接過程可能會由于加熱溫度的影響而改變界面的組織和附著力。拉伸法51實(shí)驗(yàn)布置與拉伸法相似，它針對拉伸法較難保證拉桿的拉伸方向嚴(yán)格垂直于薄膜表面的問題，在垂直于拉桿軸的方向上施加載荷，使得拉桿傾倒。在測量時(shí)，薄膜將首先在拉伸桿邊緣的一側(cè)發(fā)生剝落。拉倒法52用黏結(jié)的手段將薄膜的表面與一塊金屬板黏結(jié)在一起。在平行于薄膜表面的方向上對金屬板施加載荷或扭矩，并測量使薄膜從襯底上剝離所需要的臨界載荷，以作為薄膜附著力的量度。剪切法53薄膜附著力的其他測試方法膠帶剝離法：將具有一定粘著力的膠帶粘到薄膜表面，在剝離膠帶的同時(shí)，觀察薄膜從襯底上被剝離的難易程度。摩擦法：用布、皮革或橡膠等材料摩擦薄膜表面，以薄膜脫落時(shí)所需的摩擦次數(shù)和力的大小推斷薄膜附著力的強(qiáng)弱。超聲波法：用超聲波的方法造成周圍介質(zhì)發(fā)生強(qiáng)力的振動，從而在近距離對薄膜產(chǎn)生破壞效應(yīng)，根據(jù)薄膜發(fā)生剝落時(shí)的超聲波的能量水平推斷薄膜的附著力。離心力法：使薄膜與襯底一起進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，使薄膜從襯底上脫開，用旋轉(zhuǎn)的離心力來表征薄膜的附著力。脈沖激光加熱疲勞法：利用薄膜與襯底在脈沖激光作用下周期性地?zé)崦浝淇s，使薄膜與襯底不斷地彎曲變形，從而引起界面疲勞和造成薄膜脫離時(shí)單位薄膜面積上所吸收的激光能量來表征薄膜的附著力。54樹立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識。10月-2410月-24Monday,October28,2024人生得意須盡歡，莫使金樽空對月。21:42:0121:42:0121:4210/28/20249:42:01PM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦繃。10月-2421:42:0121:42Oct-2428-Oct-24加強(qiáng)交通建設(shè)管理，確保工程建設(shè)質(zhì)量。21:42:0121:42:0121:42Monday,October28,2024安全在于心細(xì)，事故出在麻痹。10月-2410月-2421:42:0121:42:01October28,2024踏實(shí)肯干，努力奮斗。2024年10月28日9:42下午10月-2410月-24追求至善憑技術(shù)開拓市場，憑管理增創(chuàng)效益，憑服務(wù)樹立形象。28十月20249:42:01下午21:42:0110月-24嚴(yán)格把控質(zhì)量關(guān)，讓生產(chǎn)更加有保障。十月249:42下午10月-2421:42October28,2024作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)記得牢，駕輕就熟除煩惱。2024/10/2821:42:0121:42:0128October2024好的事情馬上就會到來，一切都是最好的安排。9:42:01下午9:42下午21:42:0110月-24一馬當(dāng)先，全員舉績，梅開二度，業(yè)績保底。10月-2410月-2421:4221:42:0121:42:01Oct-24牢記安全之責(zé)，善謀安全之策，力務(wù)安全之實(shí)。2024/10/2821:42:01Monday,October28,2024相信相信得力量。10月-242024/10/2821:42:0110月-24謝謝大家！樹立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識。10月-2410月-24Monday,October28,2024人生得意須盡歡，莫使金樽空對月。21:42:0121:42:0121:4210/28/20249:42:01PM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦繃。10月-2421:42:0121:42Oct-2428-Oct-24加強(qiáng)交通建設(shè)管理，確保工程建設(shè)質(zhì)量。21:42:0121:42:0121:42Monday,October28,2024安全在于心細(xì)，事故出在麻痹。10月-2410月-2421:42:0121:42:01October28,2024踏實(shí)肯干，努力奮斗。2024年10月28日9:42下午10月-2410月-24追求至善憑技術(shù)開拓市場，憑管理增創(chuàng)效益，憑服務(wù)樹立形象。28十月20249:42:01下午21:42:0110月-24嚴(yán)格把控質(zhì)量關(guān)，讓生產(chǎn)更加有保障。十月249:42下午10月-2421:42October28,2024作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)記得牢，駕輕就熟除煩惱。2024/10/2821:42:0121:42:0128October2024好的事情馬上就會到來，一切都是最好的安排。9:42:01下午9:42下午21:42:0110月-24一馬當(dāng)先，全員舉績，梅開二度，業(yè)績保底。10月-2410月-2421:4221:42:0121:42:01Oct-24牢記安全之責(zé)，善謀安全之策，力務(wù)安全之實(shí)。2024/10/2821:42:01Monday,Octobe