2009jc备课_6薄膜表征_薄膜材料与薄膜技术-4ath(XXXX)

薄膜材料与技术邹友生15996294651郑伟涛等编著，《薄膜材料与薄膜技术》，化学工业出版社，2004材料科学与工程系第六章薄膜的表征薄膜厚度测量：椭偏仪法、表面粗糙度仪薄膜形貌和结构表征：SEM、TEM、XRD、SPM薄膜成分分析：AES、XPS、SIMS、RBS薄膜原子化学键合表征：Raman、FTIR、EELS薄膜硬度和应力测量：纳米压痕仪方法测量范围精度说明等厚干涉法3-2000nm1-3nm需制备台阶和反射层等色干涉法1-2000nm0.2nm需制备台阶、反射层和光谱仪椭偏仪法零点几纳米到数微米0.1nm透明膜，数学分析复杂表面粗糙度仪大于2nm零点几纳米需制备台阶称重法无限制精度取决于薄膜密度石英晶体振荡器法至数微米0.1nm厚度较大时具有非线性效应6.1薄膜厚度测量薄膜上下界面的光折射空气薄膜衬底012psh（1）椭偏仪法利用椭圆偏振光在薄膜表面反射时会改变偏振状态的现象，来测量薄膜厚度和光学常数。当偏振光入射在具有一定厚度h的薄膜上，处于入射面的偏振光分量p和垂直入射面的偏振光分量s的反射系数R、透射系数T如下：201122011220112201120112201120112201121222011112()(sin)rprstpspjjppppjppjjssssjssjjppppjppjjssspjssrreRRerrerreRRerretteTTettetteTTettehntantan,pjsprprssReRRR测量出薄膜对不同偏振光分量的反射系数之比，就可以利用上面几式求出薄膜的厚度h以及薄膜的折射率n。（2）表面粗糙度仪法•表面粗糙度仪法又叫触针法，利用直径很小的触针滑过被测薄膜表面，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。•这种方法还可以用来测量特意制备的薄膜台阶高度，以得到薄膜厚度信息。•直观、精度高；•容易划伤软质薄膜并引起测量误差；•对于表面粗糙的薄膜，其测量误差大；•需要事先制备带有台阶的薄膜样品。特点：6.2薄膜形貌和结构的表征方法•薄膜的宏观形貌:包括尺寸、形状、厚度、均匀性；•薄膜的微观形貌:如晶粒及物相的尺寸大小和分布、空洞和裂纹、界面扩散层及薄膜织构；•薄膜的显微组织:包括晶粒的缺陷、晶界及外延界面的完整性、位错组态等。光学金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜、X射线衍射仪可采用的表征方法：依据尺度范围考虑，薄膜结构的研究分三个层次：6.2.1电子与固体物质的相互作用弹性散射电子非弹性散射电子背散射电子透射电子入射电子二次电子阴极荧光Auger电子吸收电子特征和白色X辐射；荧光X射线；EMPASEMTEM高能量（~30keV）的电子束入射到样品表面之后，与样品表面层的原子发生各种相互作用。电子射入试样后，受到原子的弹性和非弹性散射，有一部分电子的总散射角大于90°，重新从式样表面逸出，称为背散射电子。•能量高，大于50eV；•分辨率较低；•产额与原子序数Z、形貌有关。特点：（1）背散射电子（backscatteringelectrons,BE）入射电子在试样内产生二次电子,所产生的二次电子还有足够的能量继续产生二次电子，如此继续下去，直到最后二次电子能量很低，不足以维持此过程为止。•能量低，为2-3ev。•仅在试样表面10nm层内产生。•对试样表面状态敏感，显示表面微区的形貌有效。•分辨率很高，是扫描电镜的主要成像手段。•与形貌密切相关，图象的景深大、立体感强，常用于观察形貌。特点：（2）二次电子（secondaryelectrons,SE）（3）吸收电子（absorptionelectrons,AE）入射电子经多次非弹性散射后能量损失殆尽，不再产生其他效应，一般称为被试样吸收，这种电子称为吸收电子。试样厚度越大，密度越大，吸收电子就越多，吸收电流就越大。它被广泛用于电子探针中。（4）俄歇电子（Augerelectrons,AuE）如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量不是以X射线的形式释放，而是用该能量将核外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这种被电子激发的二次电子叫做俄歇电子。俄歇电子仅在表面1nm层内产生，适用于表面分析。（5）X射线X射线（包括特征X射线、连续辐射和X光荧光）信号产生的深度和广度范围较大。荧光X射线是特征X射线及连续辐射激发的次级特征辐射。X射线在固体中具有强的穿透能力，无论是特征X射线还是连续辐射都能在式样内达到较大的范围。（6）阴极荧光阴极荧光是指半导体、磷光体和一些绝缘体在高能电子束照射下发射出的可见光（或红外、紫外光）。•灯丝阴极发射电子在阳极电压的加速下获得一定的能量。•加速的电子聚焦成直径只有5nm左右的电子束。•磁场扫描线圈对这束电子施加偏转力，从而使它按一定的规律在被观察样品表面的特定区域上扫描。•高能电子束与样品物质相互作用产生SE、BE、X射线等信号。这些信号分别被不同的接收器接收而成像。6.2.2扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscopy）（1）基本原理：（2）主要结构：（a）电子光学系统电子枪：利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。热阴极电子枪和场发射电子枪。电磁透镜：使原来直径约为50mm的束斑缩小成一个只有数nm的细小束斑。扫描线圈：提供入射电子束在样品表面上和荧光屏上的同步扫描信号。样品室：样品台能进行三维空间的移动、倾斜和转动。（b）信号检测放大系统检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大作为显像系统的调制信号。（c）真空系统和电源系统为保证电子光学系统正常工作，防止样品污染提供高的真空度。电源系统由稳压、稳流及相应的安全保护电路所组成，其作用是提供扫描电镜各部分所需稳定电源。•有较高的放大倍数，2-20万倍之间连续可调；•景深大，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；•试样制备简单（不导电膜需喷一层导电的金或碳）；•可同时进行显微形貌观察和微区成分分析。（3）基本特征：（4）功能（能看到什么？）：•表面各种形貌；•晶粒尺寸；•晶体或晶粒的取向；•测量薄膜厚度（截面形貌）；•裂纹、孔洞、晶界•SE产额：与形貌、原子序数、加速电压有关。•SE像衬度：电子像的明暗程度取决于接收电子束的强弱，当两个区域中的电子强度不同时将出现图像的明暗差异，这种差异就是衬度。影响衬度的因素有表面凹凸引起的形貌衬度和原子序数差别引起的成分衬度，电位差引起的电压衬度。由于二次电子对原子序数的变化不敏感，均匀性材料的电位差别不大，主导因素是形貌衬度。（5）SEM成像模式：（a）二次电子（SE）像•形貌衬度：用BE进行形貌分析时，其分辨率远比SE低。（因为BE来自一个较大的作用体积且能量较高）•成分衬度：BE信号随原子序数Z的变化比SE的显著的多，可以进行定性分析。（b）背散射电子（BE）像金属断裂表面形貌的二次电子像铝-铜合金背散射像，亮区主要是铝，黑区主要是铜原子序数差别比较大（6）SEM实例分析：晶粒大小薄膜厚度[100]取向裂纹金刚石薄膜表面和截面形貌：SEMmicrographsfor(a)non-etchedsample,(b)etchedsample,and(c)cross-sectionalview.Diamondfilm500nm金刚石纳米结构形貌：6.2.3透射电子显微镜（TransmissionElectronMicroscopy，TEM）透射电子显微镜是以波长很短的电子束做照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领，高放大倍数的电子光学仪器。测试的样品要求厚度极薄（几十纳米），以便使电子束透过样品。电子光学系统：镜筒电子枪聚光镜物镜、中间镜和投影镜消像散荧光屏、照相系统样品室真空系统：供电控制系统：（1）TEM与SEM区别：在TEM中电子束不再采取扫描方式对样品的一定区域进行扫描，而是固定地照射在样品中一微小的区域上；TEM的工作方式是使被加速的电子束穿过厚度很薄的样品，并在这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信息。晶体点阵对电子具有很大的散射能力，且随样品原子序数增加而而增加，因而TEM所用样品需减薄到很薄。（2）TEM的工作模式：TEM有两种工作模式：影像模式和衍射模式。（a）影像模式：•电子束被加速后聚焦到样品上，在透射的过程中发生弹性散射或衍射，与样品晶体点阵的周期场相互作用后产生的各个衍射束全部投影放大后就给出了晶体点阵的衍射谱。•利用衍射现象随样品的不均匀性，即晶体的位相差、晶界、位错、第二相颗粒等造成的衍射强度随空间位置的变化，将部分透射束或衍射束投影在屏幕上就构成了样品的结构形貌。（b）衍射模式：在衍射工作模式下，电子在被晶体点阵衍射以后又被分成多束，包括直接透射的电子束和许多对应于不同晶体学平面的衍射束，透射电子束与衍射电子束近似平行。晶体点阵的类型和点阵常数；晶体的相对位向；晶粒的尺寸、孪晶等晶体结构缺陷。单晶多晶非晶（3）试样制备：透射电子显微镜利用穿透样品的电子束成像，这就要求被观察的样品对入射电子束是“透明”的。用于透射电镜观察试样的要求是：它的上下底面应该大致平行，表面清洁。表面复型技术、样品减薄技术。（4）TEM实例分析：AlN200300400500600Nitrogen-KBoron-K**ssIntensity(a.u.)Energyloss(eV)Filmstructure&ChemicalbondingTEMcross-sectionalimage,electrondiffractionpatternandEELSspectrumcBNonSiHRTEM:Si–BNinterface原子与原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离的不同而有所不同，其之间的能量表示也会不同。原子间范德华力6.2.4原子力显微镜（AtomicForceMicroscopy，AFM）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜（contactmode），探针与试片的距离约数个Å。利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为非接触式原子力显微镜（non-contactmode），探针与试片的距离约数十到数百Å。敲击模式（tappingmode），将接触模式与非接触模式相结合，此时探针处于上下振动状态，振幅约100nm。（1）AFM操作模式：AFM是利用微小探针与待测物之间交互作用力，来表征待测物的表面特性。所以在原子力显微镜中也利用斥力与吸引力的方式发展出两种操作模式：最常用的一种模式是敲击模式（tappingAFM）：在敲击模式中，一种恒定的驱使力使探针悬臂以一定的频率振动。当针尖刚接触样品时，悬臂振幅会减少到某一数值。在扫描过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒定，也就是说作用在样品上的力恒定，通过记录压电陶瓷管的移动得到样品表面形貌图。敲击模式在一定程度上减小样品对针尖的粘滞现象，因为针尖与样品表面接触时，利用其振幅来克服针尖-样品间的粘附力。并且由于敲击模式作用力是垂直的，表面材料受横向摩擦力和剪切力的影响都比较小，减小扫描过程中针尖对样品的损坏。所以对于较软以及粘附性较大的样品，尽量选用敲击模式。（2）主要结构：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。①力检测部分：在系统中是使用微小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。②位置检测部分：在AFM系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂（cantilever）摆动，所以当激光照射在cantilever的末端时，其反射光的位置也会因为cantilever摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。③反馈系统：在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号