电子科大薄膜物理(赵晓辉)第七章薄膜表征

第七章薄膜的表征•物理性能表征X-raydiffractionX射线衍射(XRD)Transmissionelectronmicroscopy透射电镜(TEM)Opticalmicroscopy光学显微镜Scanningelectronmicroscopy扫描电镜(SEM)Atomforcemicroscopy原子力显微镜(AFM)Secondaryionmassspectroscopy二次离子质谱(SIMS)•电学性能测试VanderPauwHall霍尔效应Capacitance-voltage(C-V)•光学性能测试Photoluminescence(PL)荧光光谱材料表征方法Extractedfromwww.nasa.gov厚度和沉积速率表征方法厚度表征方法•台阶仪Profiler•干涉显微镜Interferencemicroscope•石英晶体振荡薄膜厚度监控Oscillatorforquartzcrystalthicknessmonitor•椭偏仪ellipsometer•电子显微镜SEM断面扫描台阶仪台阶仪测试结果示例光干涉法单色光从薄膜上、下表面反射，当膜厚导致的光程差为n倍λ时，会发生干涉。光程差为：nc(AB+BC)–AN又，折射定律：光程差＝位相变化(正入射)0，透射光π，反射光反射回折射率小的物质0，反射光反射回折射率大的物质2.1透明薄膜厚度的测量测试条件：单色光、垂直入射，反射光强度将随膜厚而周期变化。极值出现在：n1n2，极大值n1n2，极小值金属膜吸收太强，不适用。2.2不透明薄膜厚度的测量－等厚干涉条纹法单色平行光照射到楔形薄膜上，反射后，会在固定的位置产生干涉的最大和最小，所以可观察到明暗相间的平等条纹。若膜厚不均，干涉条纹也就不规则。若膜厚有台阶，干涉条纹出现台阶，显然相邻干涉条纹间相差λ/2。石英晶体振荡法原理：利用石英晶体的振荡频率随晶片厚度变化的关系，在晶片上镀膜，测频率的变化，就可求出质量膜厚。固有频率：厚度方向弹性波的速度数学关系若在蒸镀时石英晶体上接收的淀积厚度(质量膜厚)为dx，则相应的晶体厚度变化为薄膜密度优点：原位测量法，引入时间的微分电路，还可测薄膜的生长速度，灵敏度高，20Hz左右，相应于石英的质量膜厚为12埃。缺点：（1）只能得到平均膜厚；（2）当石英晶片与蒸发源位置改变时，需校准；（3）在溅射法中测膜厚，易受电磁干扰；（4）探头温度不能超过80℃。特点形貌表征•Microscope/显微镜•PolarizingMicroscopes/极化显微镜•phasecontrastmicroscope/相衬度显微镜•SEM•TEM－原子级分辨率•AFM，STM…AFMa.30minb.1hc.3hd.6hdislocation结构表征•Diffraction–XRD–HEED，LEED，RHEED–Neutrondiffraction/中子衍射TEM薄膜结构F位错，弛豫晶格失配应力织构结晶度粗糙度厚度密度SubstrateLayer1Layer2薄膜内在结构单晶多晶无定形薄膜相关参数应力，弛豫，晶格失配粗糙度晶体取向缺陷和晶粒大小厚度ACABABxC1-x化学组成晶格常数abc平面结构X射线衍射仪示意图布拉维格子XRD图谱薄膜织构分析323436380123-GaNonc-planeSapphirea)randomdistributionofcrystallites:notextureb)strongtexturec)Epitaxy002100101002101100002rel.Intensity2[deg]SapphireGaNSapphireGaNSapphireGaNa)b)c)面内和面外取向薄膜组分•X－rayfluorescence/x射线荧光分析•ElectronProbeMicro-analyzer•光电子能谱XPS•俄歇电子能谱AES•卢瑟福背散射RBS•红外光谱FourierTransformInfraredSpectrophotometer•SIMS卢瑟福背散射原理卢瑟福背散射图谱