第六章薄膜材料的表征方法

第六章薄膜材料的表征方法薄膜厚度的测量薄膜厚度的测量，根据薄膜的不同，其测量方法也是多种多样。多数方法只能在薄膜制备完成后使用，只有少数的方法属于实时的测量技术。1、薄膜厚度的光学测量方法薄膜厚度的测量广泛用到了各种光学方法。这是由于光学方法不仅可被用于透明薄膜，还可被用于不透明薄膜；不仅使用简便，而且测量精度较高。这类方法多利用光的干涉现象作为测量的物理基础。（1)光的干涉条件要想在P点观察到光的干涉极大，其条件是直接反射回来的光束与折射后又反射回来的光束之间的光程差为光波长的整数倍。这一条件可表示为：薄膜厚度的测量()2cosccnABBCANnhN式中，N为任意正整数；AB、BC、AN为光束经过的路径长度，它们乘以相应材料的折射率即为相应的光程。Θ为薄膜内的折射角，它与入射角之间满足折射定律n0'sinsincn薄膜厚度的测量（2)薄膜测量的椭偏仪方法椭偏法测量薄膜厚度和折射率的基本思想：用一束偏振光投射到薄膜表面，反射光的椭偏状态与薄膜厚度和折射率有关。设法测出反射前后椭偏光状态的变化，就可以求出薄膜的厚度和折射率。原理光在不同介质的分界面上所发生的现象,可借助于两个特定的线偏振光（P波和S波）进行分析。光在两种介质面上的反射和折射r和t分别表示反射系数和透射系数，用分别表示入射光、反射光和透射光的振幅,依透射系数的定义则有反射系数和透射系数：triaaa、、薄膜厚度的测量iraaritaat（1）将（1）式分解到P与S两分量上)sin(/sincos2)cos()sin(/sincos2)sin(/)sin()(/)(212121212121212121spspttrtgtgr（2）当光线由进入时，入射角为，则折射角为，2n1n21)sin(/sincos2)cos()sin(/sincos2)sin(/)sin()(/)(1212*121212*1212*1212*spspttrtgtgr反射系数与透射系数分别用和表示*r*t（3）薄膜厚度的测量（2）式与（3）式相比：2*2***11ssspppsspprttrttrrrr（4）从空气（折射率为）入射到单层膜系（由折射率为的衬底和折射率为、厚度为的薄膜构成的系统）的情况1n3n2nd薄膜厚度的测量光波在单层介膜中传播1A1r*121trt1**122trrtt入射光的振幅为1A，设它为1。1Am1*)2(*1)1(21)(trrtmm条光的振幅为薄膜厚度的测量每相邻两条光之间的位相差为：122122sin42nndrAm为总的反射光的振幅，它应是（1）、（2）、（3）……条光叠加的结果，即：4*11*22122*111iiretrrterttrA……=2*1222*1112*10222*1111iiilierrerttrerrerttr22122122122212222112212221111)(1)1(iiiiiiirerrerrerrerrrerrrerrerrrA薄膜厚度的测量总的反射系数为R，根据反射系数的定义：2sin2cos12sin2cos2121221rirrrirrrAARir221221122122212212212121221)2sin()2cos1(2sin)1(2cos)1()1()2sin()2cos1()2sin2cos1)(2sin2cos(rrrrrirrrrrrrrrrirrrirrr（5）由此看来，光在单层膜上的总反射系数可视为光在一等效界面上的反射系数，如果把它沿P和S分量分解（6）式便可写成薄膜厚度的测量2212211ippippPerrerrR2212211ississserrerrR本实验是通过反射系数比(G)来测出反射前后光的偏振状态的变化，这里ispetgRRG=PRsR与是复数，可用tgφ和Δ表示它的模和幅角即（6）薄膜厚度的测量spspiSSiPPRRtgeRReRRsp（7）2cos)1()1(2sin)1(2cos)1()1(2sin)1()2cos22cos21*2cos212cos2(2122212121212221212121212221212221212221212221ssssssppppppsssssssspppppppprrrrrrtgrrrrrrtgrrrrrrrrrrrrrrrrtg（8）薄膜厚度的测量不难看出，反射系数比中的参量、、、、与和1321nnn有关。如果1n3n1、、和都是已知的2n2n，此时给一个值便对应一组确定的的值，当确定后，又每一个，便pr1pr2sr1sr2、、和可得到一组相应的和的值，可分别作出―曲线薄膜厚度的测量通过实验测出和之后，利用上图便可查出n2，再由测出的在—曲线上查出的值，便可求出薄膜的厚度。薄膜厚度的测量薄膜厚度的测量2、薄膜厚度的机械测量方法（1)表面粗糙度仪法用直径很小的触针划过被测薄膜的表面，同时记录下触针在垂直方向的移动情况并画出薄膜表面轮廓的方法称为粗糙度仪法。这种方法不仅可以用来测量表面粗糙度，也可以用来测量特意制备的薄膜台阶高度，以得到薄膜厚度的信息。应用表面粗糙度仪可测量得出的薄膜表面形貌曲线，由此可得出许多表面粗糙度的信息，其中最为重要的信息包括：表面粗糙度的算术平均值11()NaiiRzxzN薄膜厚度的测量表面粗糙度的均方根211()NqiiRzxzN（2)称重法与石英晶体振荡器法如果薄膜的面积A、密度ρ和质量m可以被精确测定的话，由公式mhA可以计算出薄膜的厚度h。但是这一方法缺点在于它的精确度依赖于薄膜的密度以及表面积的测量精度。但是，由于可以实现在沉积过程中对衬底及薄膜的质量加以监控，因而称重法可以被用于薄膜厚度的实时测量。（6－46）薄膜厚度的测量与称重法相关的另一种薄膜厚度的测量方法是石英晶体振荡器法。这一方法已被广泛用于薄膜沉积过程中的厚度的实时测量。这一方法的原理是基于石英晶体片的固有振荡频率随其质量的变化而变化的物理方法。对厚度hq已知的石英晶体振片来讲，其固有振动频率为02qvfh石英片厚度的微小变化将导致其固有频率的变化000qqqhmfffhAh同样，当石英片上沉积了一层其它物质时，其固有频率也将有所降低，即2000002ffffhhfffhv（6－47）（6－48）（6－49）薄膜厚度的测量因此，由石英片固有频率的变化可以测量出沉积物的厚度。而且，测量的灵敏度将随着石英片厚度的减小和其固有频率的提高而提高。用石英晶体振荡器监测薄膜厚度的具体做法是将石英晶体沿其线膨胀系数最小的方向切割成片，并在两端面上沉积上金属电极。由于石英晶体具有压电特性，因而在电路匹配的情况下，石英片上将产生固有频率的电压振荡。将这样一只石英振荡器放在沉积室内的衬底附近，通过与另一振荡电路频率相比较，可以很精确的测量出石英晶体振荡器固有频率的微小变化。在薄膜沉积的过程中，沉积物不断的沉积到晶片的一个断面上，监测振荡频率随着沉积过程的变化，就可以知道相应物质的沉积质量或薄膜的沉积厚度。薄膜厚度的测量需注意两个问题：第一，石英晶体的温度变化会造成其固有频率的飘移。因此，在使用石英晶体振荡器测量薄膜厚度变化时，除了要保证是在线膨胀系数最小的方向上切割石英晶片之外，还需要采用水冷的方法对振荡器进行冷却，同时还要减小石英晶体篇的受热面积，防止正空室内的蒸发或沉积过程引起晶体温度的波动。第二，由于在晶体片上沉积物的力学性能与石英晶体性能并不相同，且其有效面积也可能与石英晶片的面积有所不同，因而式6－49只是近似地成立。薄膜结构的表征方法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、界面扩散层及薄膜织构等；（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、位错组态等。针对研究的尺度范围，可以选择不同的研究手段，包括光学金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、场离子显微镜以及X射线衍射技术等。薄膜结构的表征方法1、扫描电子显微镜扫描电子显微镜是目前材料结构研究的最直接的手段之一。优点：景深长、图像富有立体感；图像的放大倍率可在大范围内连续改变，而且分辨率高；样品制备方法简单，可动范围大，便于观察；样品的辐照损伤及污染程度较小；可实现多功能分析。构成：电子光学系统，包括电子枪、电磁透镜和扫描线圈等；机械系统，包括支撑部分、样品室；真空系统；样品所产生信号的收集、处理和显示系统。薄膜结构的表征方法图1Sirion200扫描电镜外观照片薄膜结构的表征方法图2扫描电子显微镜构造示意图(a)系统方框图薄膜结构的表征方法图2扫描电子显微镜构造示意图(b)电子光路图薄膜结构的表征方法电子束在入射到样品表面之后，将于样品表面层原子发生各种相互作用，有些入射电子直接反射了回来，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，如二次电子，背反射电子、俄歇电子等，将这一系列信号分别接受处理后，即可得到样品表层各种信息。（1)二次电子像扫描电子显微镜主要工作模式之一就是二次电子模式。这部分电子来自样品最外层的基层原子，是能量最低的一部分电子。薄膜结构的表征方法样品表面的起伏变化将造成二次电子发射的数量及角度分布的变化，通过保持屏幕扫描与样品表面电子束扫描的同步，即可使屏幕图像重现样品的表面形貌，而屏幕上图像的大小与实际样品上扫描面积大小之比即是扫描电子显微镜的放大倍数。二次电子成像的突出特点是具有较高的分辨率。二次电子来自表面5-10nm的区域，能量为0-50eV。它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。由于它发自试样表层，入射电子还没有被多次反射，因此产生二次电子的面积与入射电子的照射面积没有多大区别，所以二次电子的分辨率较高，一般可达到5-10nm。同时，二次电子像信号的产生与接受方式决定了这一观察方式的景深很大，因而几乎任何形状的样品都可以被直接观察，并不需要经过抛光处理。景深是指一个透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围。薄膜结构的表征方法Fig.6.Scanningelectronmicrographs(×1000)showingablationbehavioroftheC/Ccompositeswithdifferentmassfractionsofhafniumcarbide薄膜结构的表征方法(2)背反射电子像除了二次电子之外，样品表面还会将相当一部分的入射电子反射回来。这部分被样品表面直接反射回来的电子具有与入射电子相近的高能量，称为背反射电子。背射电子信号既可以用来显示形貌衬度，也可以用来显示成分衬度。形貌衬度用背反射信号进行形貌分析时，其分辨率元比二次电子低。因为背反射电子时来自一个较大的作用体积。此外，背反射电子能量较高，它们以直线轨迹逸出样品表面，因此在图像上会显示出较强的衬度，而掩盖了许多有用的细节。薄膜结构的表征方法成分衬度成分衬度也称为原子序数衬度，背反射电子信号随原子序数Z的变化比二次电子的变化显著的多，因此图像应有较好的成分衬度。样品中原子序数较高的区域中由于收集到的电子束亮较多，故荧光屏上的图像较亮。因此，利