第5章薄膜表征PPT课件下载推荐.ppt

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（22）使用非单色光入射薄）使用非单色光入射薄膜表面，在固定光的入射角膜表面，在固定光的入射角度的情况下，用光谱仪分析度的情况下，用光谱仪分析光的干涉波长，这一方法被光的干涉波长，这一方法被称为等角反射干涉法称为等角反射干涉法（CARIS）。

）。

注意：

以上测量薄膜厚度的方法仅涉及到薄膜厚度引起的光以上测量薄膜厚度的方法仅涉及到薄膜厚度引起的光程差变化以及其导致的光的干涉效应。

程差变化以及其导致的光的干涉效应。

844）薄膜测量的椭偏仪（）薄膜测量的椭偏仪（Ellipsometer）法）法椭椭圆圆偏偏振振测测量量（椭椭偏偏术术）是是研研究究两两媒媒质质界界面面或或薄薄膜膜中中发发生生的的现现象象及及其其特特性性的的一一种种光光学学方方法法，其其原原理理是是利利用用偏偏振振光光束束在在界界面面或或薄薄膜膜上上的的反反射射或或透透射射时时出出现现的偏振变换的偏振变换。

椭椭圆圆偏偏振振测测量量的的应应用用范范围围很很广广，如如半半导导体体、光光学学掩掩膜膜、圆圆晶晶、金金属属、介介电电薄薄膜膜、玻玻璃璃（或或镀镀膜膜）、激激光光反反射射镜镜、大大面面积积光光学学膜膜、有有机机薄薄膜膜等等，也也可可用用于于介介电电、非非晶晶半半导导体体、聚聚合合物物薄薄膜膜、用用于于薄薄膜膜生生长长过过程程的的实实时时监监测测等等测测量量。

结结合合计计算算机机后后，具具有有可可手手动动改改变变入入射角度、实时测量、快速数据获取等优点。

射角度、实时测量、快速数据获取等优点。

9实验原理：

实验原理：

在在一一光光学学材材料料上上镀镀各各向向同同性性的的单单层层介介质质膜膜后后，光光线线的的反反射射和和折折射射在在一一般般情情况况下下会会同同时时存存在在的的。

通通常常，设设介介质质层层为为n1、n2、n3，1为为入入射射角角，那那么么在在1、2介介质质交交界界面面和和2、3介介质质交交界界面面会会产产生生反反射射光和折射光的多光束干涉。

光和折射光的多光束干涉。

10椭偏偏仪测量量薄膜厚度薄膜厚度和和折射率折射率椭偏仪方法又称为偏光解析法。

其特点是可以同时对透明薄椭偏仪方法又称为偏光解析法。

其特点是可以同时对透明薄膜的光学常数和厚度进行精确的测量，缺点是原理和计算比较麻膜的光学常数和厚度进行精确的测量，缺点是原理和计算比较麻烦。

烦。

椭偏仪不仅可以用于薄膜的光学测量，而且可以被用于复杂椭偏仪不仅可以用于薄膜的光学测量，而且可以被用于复杂环境下的薄膜生长的实时监测，从而及时获得薄膜生长速度、薄环境下的薄膜生长的实时监测，从而及时获得薄膜生长速度、薄膜性能等有用的信息。

膜性能等有用的信息。

1122、薄膜厚度的机械测量方法、薄膜厚度的机械测量方法11）表面粗糙度仪法）表面粗糙度仪法用直径很小的触针滑过被测薄膜的表面，同时记录下触针用直径很小的触针滑过被测薄膜的表面，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被称为粗在垂直方向的移动情况并画出薄膜表面轮廓的方法被称为粗糙度仪法。

这种方法不仅可以被用来测量表面粗糙度，也可糙度仪法。

这种方法不仅可以被用来测量表面粗糙度，也可以被用来测量薄膜台阶的高度。

以被用来测量薄膜台阶的高度。

缺点：

（缺点：

（11）容易划伤较软的薄膜并引起测量误差；

）容易划伤较软的薄膜并引起测量误差；

（22）对于表面粗糙的薄膜，并测量误差较大。

）对于表面粗糙的薄膜，并测量误差较大。

优点：

简单，测量直观优点：

简单，测量直观1222）称重法）称重法就可以计算出薄膜的厚度就可以计算出薄膜的厚度dd。

如果薄膜的面积如果薄膜的面积A、密度密度和质量和质量m可以被精确测定的话，可以被精确测定的话，由公式由公式缺点：

它的精度依赖于薄膜的密度缺点：

它的精度依赖于薄膜的密度以及面积以及面积A的测量精度。

的测量精度。

1333）石英晶体振荡器法石英晶体振荡器法原理：

原理：

将石英晶体沿其线膨胀将石英晶体沿其线膨胀系数最小的方向切割成片，并在两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，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的比较，通过与另一振荡电路频率的比较，可以很精确地测量出石英晶体振荡可以很精确地测量出石英晶体振荡器固有频率的微小变化。

在薄膜沉器固有频率的微小变化。

在薄膜沉积的过程中，沉积物质不断地沉积积的过程中，沉积物质不断地沉积到晶片的一个端面上，到晶片的一个端面上，监测振荡频监测振荡频率随着沉积过程的变化，就可以知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道相应物质的沉积质量或薄膜的沉积厚度。

积厚度。

在线测量、精确在线测量、精确缺点：

11、需对薄膜沉积设、需对薄膜沉积设备进行改装；

备进行改装；

22、成本较高、成本较高14第二节第二节第二节第二节薄膜结构的表征方法薄膜结构的表征方法薄膜结构的表征方法薄膜结构的表征方法一、简一、简介介二、扫描电子显微镜（二、扫描电子显微镜（SEM）三、透射电子显微镜（三、透射电子显微镜（TEM）四、四、X射线衍射方法射线衍射方法五、低能电子衍射（五、低能电子衍射（LEED）和反射式高和反射式高能电子衍射（能电子衍射（RHEED）六、扫描隧道显微镜（六、扫描隧道显微镜（STM）七、原子力显微镜（七、原子力显微镜（AFM）15一、简一、简介介薄膜的性能取决于薄膜的结构和成分。

其中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被薄膜结构的研究可以依所研究的尺度范围被划分为以下三个层次：

划分为以下三个层次：

（11）薄膜的宏观形貌，包括薄膜尺寸、形状、厚度、均）薄膜的宏观形貌，包括薄膜尺寸、形状、厚度、均匀性等；

匀性等；

（22）薄膜的微观形貌，如晶粒及物相的尺寸大小和分布、）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；

孔洞和裂纹、界面扩散层及薄膜织构等；

（33）薄膜的显微组织，包括晶粒内的缺陷、晶界及外延）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。

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。

16二、扫描电子显微镜二、扫描电子显微镜ScanningElectronicMicroscope（SEM）工作原理：

工作原理：

由炽热的灯丝阴极发由炽热的灯丝阴极发射出的电子在阳极电压的加速下射出的电子在阳极电压的加速下获得一定的能量。

其后，加速后获得一定的能量。

其后，加速后的电子将进入由两组同轴磁场构的电子将进入由两组同轴磁场构成的透镜组，并被聚焦成直径只成的透镜组，并被聚焦成直径只有有5nm左右的电子束。

装置在透左右的电子束。

装置在透镜下面的磁场扫描线圈对这束电镜下面的磁场扫描线圈对这束电子施加了一个总在不断变化的偏子施加了一个总在不断变化的偏转力，从而使它按一定的规律扫转力，从而使它按一定的规律扫描被观察的样品表面的特定区域描被观察的样品表面的特定区域上。

上。

17优点：

提供清晰直观的形貌图像，分辨率高，观察景深长，提供清晰直观的形貌图像，分辨率高，观察景深长，可以采用不同的图像信息形式，可以给出定量或半定量的表可以采用不同的图像信息形式，可以给出定量或半定量的表面成分分析结果等。

面成分分析结果等。

11、二次电子像、二次电子像二次电子是入射电子从样品表层激发出来的能量最低二次电子是入射电子从样品表层激发出来的能量最低的一部分电子。

二次电子低能量的特点表明，这部分电子的一部分电子。

二次电子低能量的特点表明，这部分电子来自样品表面最外层的几层原子。

用被光电倍增管接收下来自样品表面最外层的几层原子。

用被光电倍增管接收下来的二次电子信号来调制荧光屏的扫描亮度。

由于样品表来的二次电子信号来调制荧光屏的扫描亮度。

由于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，如图（化，如图（cc），），因此，通过保持屏幕扫描与样品表面电子因此，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的扫描面积大小之比即是屏幕上图像的大小与实际样品上的扫描面积大小之比即是扫描电子显微镜的放大倍数。

扫描电子显微镜的放大倍数。

特点：

有较高的分辨率。

1822、背反射电子像、背反射电子像如如图（图（bb）所示，除了二次电子之外，样品表面还会将相所示，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，被称为背反射电回来的电子具有与入射电子相近的高能量，被称为背反射电子。

接收背反射电子的信号，并用其调制荧光屏亮度而形成子。

接收背反射电子的信号，并用其调制荧光屏亮度而形成的表面形貌被称为背反射电子像。

的表面形貌被称为背反射电子像。

33、扫描电子显微镜提供的其他信号形式、扫描电子显微镜提供的其他信号形式扫描电子显微镜除了可以提供样品的二次电子和背反射扫描电子显微镜除了可以提供样品的二次电子和背反射电子形貌以外，同时还可以产生一些其他的信号，例如电子电子形貌以外，