薄膜技术第五章薄膜材料的评价表征及物性测量

主要讲授内容第2章真空技术基础第3章薄膜生长与薄膜结构第4章薄膜制备的基本工艺溅射镀膜第1章薄膜技术简介离子束沉积化学气相沉积第6章薄膜材料的应用第5章薄膜材料的评价表征及物性测量表征、性质和应用薄膜制备方法的原理介绍，典型薄膜材料的制备工艺介绍真空蒸镀薄膜的形核、生长理论，薄膜的形成与典型成长机制What’sthethinfilms?真空的表征及获得第5章薄膜材料的评价表征及物性测量5.1膜厚的测量及控制5.2薄膜结构的表征5.3薄膜成分的表征在薄膜制备过程中和沉积以后需要测量薄膜的厚度，在薄膜沉积过程中的膜厚确定需采用原位测量。5.1膜厚的测量及控制1台阶仪2干涉仪3椭偏仪4振动石英方法工作原理:探针在垂直方向上的位移被通过电信号被放大,并记录下来.从膜厚的边缘可以直接通过探针针尖所探测到的阶梯高度确定薄膜厚度.采用类似原子力显微镜的激光反射悬臂梁的方法来测量纳米级位移可将扫描时的接触力降低到最小0.05毫克，在软的样品上扫描时不划伤样品,保证测量值准确,避免划掉的颗粒再次影响测量准确性.这是薄膜厚度测试仪的第一重要指标,力越小,讨论分辨率,重复精度才有意义!5.1膜厚的测量及控制-----台阶仪测量膜厚的的探针法5.1膜厚的测量及控制-----台阶仪XP-1型台阶仪XP薄膜厚度测试仪的其它特点:1)扫描长度30mm(线性)这对平整度,曲率半径,薄膜应力测量极为重要。2)采样点数60,000目前市场上最大。3)探针曲率半径2.5微米或更小,更高的横向分辨率.4)WindowsXP平台的软件。5.1膜厚的测量及控制-----台阶仪5.1膜厚的测量及控制-----台阶仪5.1膜厚的测量及控制-----干涉仪使用Fizeau盘实现，它能够发生多种反射导致一尖锐的干涉现象。膜厚可以通过在膜上形成阶梯，从而从干涉条纹极小值的漂移来测定膜的厚度。2)X射线干涉仪(Kiessig条纹)当掠入射时，X射线被平整表面反射和透过，反射级数稍稍不同于1，通过表面和界面反射的光程差，可求的膜厚。1)光学厚度干涉5.1膜厚的测量及控制-----椭偏仪椭偏仪方法利用的是物质界面对于不同偏振态光具有不一样的反射、折射能力的特性。即：偏振光在薄膜表面与界面处的反射与透射现象。椭偏仪工作原理：单色光经起偏镜转变为线偏振光之后，通过1/4波长片转变为具有一定偏振状态的椭圆偏振光，其后，此椭圆偏振光倾斜入射到薄膜样品的表面，与薄膜样品发生相互作用。在此之后，使用检偏镜和光检测器测的椭圆偏振光的强度。根据椭圆偏振方程，借助计算机对其进行分析，即可确定薄膜的厚度和其他光学性能。5.1膜厚的测量及控制-----椭偏仪5.1膜厚的测量及控制-----石英晶体振荡法这是一个动力学测重方法，通过沉积物使机械振动系统的惯性增加，从而减小振动频率。原理：石英作为压电共振器，以切向模式运动，具有一级振动频率，薄膜沉积过程中，石英频率有一定的改变量，石英的厚度增加与沉积质量等价，进而确定膜的厚度。测量灵敏度主要由石英厚度的力学极限和参考振荡器的稳定性决定。可用于在线监测5.2薄膜结构的表征薄膜的性能取决于薄膜的结构和成分。其中薄膜结构的研究可以依所研究的尺度范围划分为以下三个层次：1、薄膜的宏观形貌，包括薄膜尺寸、形状、厚度、均匀性等；2、薄膜的微观形貌，如晶粒及物相的尺寸大小和分布、孔洞和裂纹、界面扩散层及薄膜结构等。3、薄膜的显微组织，包括晶粒内的缺陷、晶界及外延界面的完整性、位错状态等。1、从宏观到微观光学显微镜OM、扫描电镜SEM观察形貌；XRD检测相；SEM、电子探针EPMA测成分透射电镜鉴定相和组织2、由易到难光学（形貌）􀃆􀃆SEM（形貌）􀃆􀃆XRD（相鉴定）􀃆􀃆EPMA（成分定量）TEM（微区的形貌、相鉴定、成分）5.2薄膜结构的表征5.2薄膜结构的表征------X射线衍射1、X射线衍射法常规确定材料的结构的方法。X射线衍射是确定三维有序固体的经典和成熟的技术。2dhklsinθB=nλ203040506070809010001000002000003000004000005000002θ(degree)Intensity(a.u.)1.0Pa0.9Pa0.8Pa0.7Pa0.6Pa0.5Pa0.4Pa(002)(004)ZAO的X射线衍射图掠入射角X射线衍射(GIXS):X射线衍射技术可以唯一的确定近固体表面的晶相。X射线衍射最适合分析厚度大于几十纳米的薄膜，为了限制X光的穿透深度，提高膜相对于基片的衍射图案强度，一般采用掠入射角方法。X射线技术的优点：提供最高的角分辨率；提供更准确的结构数据（相对电子衍射数据）；可以在样品中的一个小区域进行衍射（强度比电子衍射低）。在薄膜中，每一相可由它们的特征衍射图案来确定，这一衍射图案也提供有关晶粒取向和晶粒尺寸分布等信息。5.2薄膜结构的表征------X射线衍射1020304050607080902(Degree)rutil11#4.0Pa9#2.0Pa8#1.6Pa7#1.2Pa6#0.4PaTiO2/GlassIntensity(a.u.)5#0.2Paanatase5.2薄膜结构的表征------X射线衍射5.2薄膜结构的表征------X射线衍射5.2薄膜结构的表征------低能电子衍射（LEED）反射式高能电子衍射（RHEED）LEED：10～500eV,弹性背散射电子波产生的衍射花样，给出表面1～5个原子层的结构信息。RHEED：10～50keV,以掠射的方式照射样品表面，在近表面发生弹性散射，反射衍射图像CRT显示，反映出表面的结构信息。5.2薄膜结构的表征------低能电子衍射（LEED）反射式高能电子衍射（RHEED）nλ=DsinφD值越大，LEED斑点越密(smallerφ).•电子能量越高，斑点越密LEED：Si（111）7x7Surface7xspacingRealSpace:Sisurfaceatoms35eV65eVRHEED在薄膜生长中的应用：•检测表面是否干净•监测生长模式•监测膜厚5.2薄膜结构的表征------低能电子衍射（LEED）反射式高能电子衍射（RHEED）RHEED:AlNLineprofileofAlN11201、Surfaceperiodicitygivenbyspacingbetweenpeaks.2、Surfacequalitygivenbyfull-widthathalf-maxofpeaks.5.2薄膜结构的表征------低能电子衍射（LEED）反射式高能电子衍射（RHEED）5.2薄膜结构的表征------扫描电镜30kev左右的能量的电子束在入射到样品表面后，将与样品表面层的原子发生各种相互作用，在相互作用中，有些入射电子被直接反射了回来，而另一部分电子将能量传递给样品表层的原子，而这些原子在获得能量后将发射出各种能量的电子，同时，上述过程还引起表面原子发出特定能量的光子。将这一系列的信号分别接受处理之后，即可得到样品表层的各种信息。5.2薄膜结构的表征------扫描电镜5.2薄膜结构的表征------透射电镜被加速的电子束穿过厚度很薄的样品，并在这一过程中与样品中的原子点阵发生相互作用，从而产生各种形式的有关薄膜结构和成分的信息。基本工作模式:影像模式和衍射模式。TEMimageofapartiallytransformedCoSi2amorphousfilm.5.2薄膜结构的表征------透射电镜5.2薄膜结构的表征------透射电镜Dark-fieldTEMimageofalternating4nmwideGaAs-Ga0.5Al0.5Assuperlatticefilms.LightbandscontainAl.5.2薄膜结构的表征------透射电镜Transmissionelectronmicrographcrosssectionofa1.2nmgate-oxidefilmsandwichedbetweensiliconandpolysilicon.选区衍射原理5.2薄膜结构的表征------透射电镜单晶：斑点非晶衍射晕环多晶体：环花样(同心圆)5.2薄膜结构的表征------透射电镜θ很小，e束与衍射的晶面几乎是平行的，所以入射线方向约等于由衍射晶面组成的晶带的晶带轴。换言之，只有那些以e束入射方向为晶带轴所组成的晶带才能参与衍射，或者说电子束方向和衍射斑点代表的方向垂直。uh+vk+wl=05.2薄膜结构的表征------透射电镜5.3薄膜成分的表征成分分析：元素、键的种类及含量􀃆化学分析(质谱、光谱、色谱、电子谱)方法：X光能谱（EDX及WDAX）：电子束激发的特征X光谱。～mm俄歇电子谱（AES）：电子束激发的一种二次电子，1～2层；X光电子谱（XPS）：单色软X光激发电子逸出，2～20层原子5.3薄膜成分的表征入射到靶上的粒子束或者发生弹性散射或者引起原子中电子的跃迁。散射粒子或出射粒子的能量包含原子的特征，跃迁能量是已知原子的标示，因此，测量出射原子的能量谱即识别了原子。5.3薄膜成分的表征X射线能量色散谱----EDX（能谱仪）常规成分分析仪器，广泛安装于SEM、TEM上。电子显微镜的高能电子束，激发材料（薄膜）中电子使其发射特征X射线，进而标识成分。按能量记录下来，X射线能量色散谱仪－EDX。按波长记录下来，X射线波长色散谱仪－WDX。5.3薄膜成分的表征俄歇电子能谱仪（AES）在AES中，我们通过测量电子辐射样品所发射内层电子（俄歇电子）的能量分布来确定样品的组分。特点：适合分析原子序数小于13的轻元素和超轻元素。入射电子束的束斑小，适合分析微区成分。…..独特优点：不但可鉴定样品中的组成元素还可测定它的化学状态。俄歇电子谱的另一个主要应用是确定薄膜中组分随深度和层结构的变化，这一研究依赖与俄歇系统所配备的溅射离子枪。俄歇信号在样品表面附近产生出来，离子溅射为深度分析提供了层断面技术。5.3薄膜成分的表征X射线光电子能谱（ＸＰＳ）X射线光电子能谱法是用特征X射线作入射束，在与样品表面原子相互作用后，将原子内壳层电子激发电离。被入射特征X射线激发电离的电子称为光电子。工作原理：光子能谱从10ev开始延伸，具有这些能量的光子可以穿入固体内与内壳层电子发生作用。入射光子将整个能量转移给束缚电子，只要能测量出从样品中逃逸出来且没有能量损失的电子能量，则可提供样品中所含元素的标识。特点：对样品没有破坏作用；不消耗样品；能鉴定元素和它所处的化学状态；分析深度较浅，大约在表面以下25-100埃范围；可分析分子中原子周围的电子密度；分析元素范围较宽，可从He到U。wangyx3.spe:2#Zn,AlTJUC103Dec12Mgstd250.0W0.045.0°187.85eV2.5973e+006max1.83minSur1/Full/1(Shft)0200400600800100000.511.522.53x106wangyx3.speBindingEnergy(eV)c/s-C1s-ZnLMM-ZnLMM3-Zn3s-Zn3p-Zn3d-Zn2p3-Zn2p1-ZnLMM-OKLL-O1sAtomic%Zn2p67.3O1s28.1C1s3.3Al2p1.25.3薄膜成分的表征X射线光电子能谱（ＸＰＳ）5.3薄膜成分的表征二次离子质谱（ＳＩＭＳ）是一种表面离子谱型分析技术。就是用质谱仪对从样品表面发射出来的正负二次离子进行质量分析的鉴别表面元素。工作原理：入射离子溅射膜材料，产生的二次离子进入能量过滤器，然后在质谱仪中被收集。结构原理：从离子枪产生的一次离子经过质量聚焦、电磁焦距后入射到样品的系统称为一次离子光学系统。二次离子从样品发射之后，经过质谱分析和测量称为分析测量系统。用计算机处理、记录仪记录和图谱显示等称为操作显示系统；另外还有真空系统和电源系统。5.3薄膜成分的表征卢瑟福背散射（ＲＢＳ）在卢瑟福背散射中，具有单一能量的入射α粒子的与靶粒子相碰撞，然后被散射到探测器，用来测量粒