第六章薄膜材料的表征方法§6.1薄膜厚度測量§6.2薄膜結構的表征方法§6.3薄膜成分的表征方法§6.4薄膜附著力的測量方法1光學薄膜材料：薄膜的厚度、均勻性、光學性能。隨著電子技術的發展，研究內容擴展到薄膜的各種結構特征、成分分布、界面性質、電學性質。如果沒有先進分析手段的建立和廣泛使用，就沒有現代意義上的薄膜材料制備技術。2§6.1薄膜厚度的測量在薄膜技術中，所希望的性質Ei通常與許多參量有關，特別是與厚度有較大關系，即：Ei=Ei（D，P，….，基片）式中D代表薄膜厚度；P為殘留氣體氣壓。在薄膜制備過程中和沉積以后需要測量薄膜的厚度。在薄膜沉積過程中的膜厚確定采用原位測量，可以通過許多技術手段和方法實現膜厚和相關物理量的測量。34§6.1.1薄膜厚度的光學測量方法特點：不僅被用于透明薄膜，還可被用于不透明薄膜；使用方便，測量精度較高。原理：多利用光的干涉現象作為測量的物理基礎。5從平行單色光源S射到薄膜表面一點A的光將有一部分被界面反射，另一部分在折射后進入薄膜中。這一射入薄膜中的光束將在薄膜與襯底的界面上的B點再次發生反射和折射。為簡單起見，可先假設在第二個界面上，光全部被反射回來并到達薄膜表面的C點，在該點處，光束又會發生發射和折射。要想在P點觀察到光的干涉極大，其條件是直接反射回來的光束與折射后又反射回來的光束之間的光程差為波長的整數倍。光的干涉條件67不透明薄膜厚度測量的等厚干涉（FET）和等色干涉（FECO）法8透明薄膜厚度測量的干涉法

薄膜測量的橢偏儀方法9（一）表面粗糙度儀法用直徑很小的觸針滑過被測薄膜的表面，同時記錄下觸針在垂直方向的移動情況并畫出薄膜表面輪廓的方法。不僅可以用來測量表面粗糙度，也可以用來測量特意制備的薄膜臺階高度，得到薄膜厚度的信息。§6.1.2薄膜厚度的機械測量方法10粗糙度儀觸針的頭部是用金剛石磨成約210m半徑的圓弧后做成的。在觸針上加有130mg的可以調節的壓力。垂直位移可以通過機械、電子和光學的方法被放大幾千倍甚至一百萬倍，因此垂直位移的分辨率最高可以達到1nm左右。11缺點容易劃傷較軟的薄膜并引起測量誤差。盡管在觸針上施加的力很小，但是由于觸針頭部直徑也很小，因而觸針對薄膜表面的壓強很大，即使在薄膜較軟時，薄膜的劃傷和由此引起的誤差是不能忽略的。對于表面粗糙的薄膜，其測量誤差較大。測量薄膜臺階高度時，應盡量選用頭部直徑較大的觸針。但大的觸針不能分辨薄膜表面形貌的小的起伏變化。1213（二）稱重法如果薄膜的面積A、密度

和質量m可以被精確測定的話，由公式薄膜的密度隨制備方法、工藝的不同有很大變化；準確測量薄膜的面積也有困難。14由于可以實現在沉積過程中對襯底及薄膜的質量加以控制，因而稱重法可以被用于薄膜厚度的實時測量。采用將質量測量精度提高至10-8g，同時加大襯底面積并降低其質量的方法，甚至可以將薄膜厚度的測量精度提高至低于一個原子層的高水平。15（三）石英晶體振蕩器法已被廣泛應用于薄膜沉積過程中厚度的實時測量。原理：基于石英晶體片的固有振動頻率隨其質量的變化而變化的物理現象。1617薄膜結構的研究可以依所研究的尺度范圍劃分為以下三個層次:薄膜的宏觀形貌,包括薄膜尺寸、形狀、厚度、均勻性等；薄膜的微觀形貌，如晶粒及物相的尺寸大小和分布、孔洞和裂紋、界面擴散層及薄膜織構等；薄膜的顯微組織，包括晶粒內的缺陷、晶界及外延界面的完整性、位錯組態等。§6.2薄膜結構的表征方法18針對研究的尺度范圍，可以選擇不同的研究手段：光學金相顯微鏡掃描電子顯微鏡透射電子顯微鏡場離子顯微鏡X射線衍射技術19掃描電子顯微鏡（SEM）是目前材料結構研究的最直接手段之一。可以提供清晰直觀的形貌圖像，同時又具有分辨率高、觀察景深長。可以采用不同的圖像信息形式。可以給出定量或半定量的表面成分分析結果。2021二次電子：入射電子從樣品表層激發出來的能量最低的一部分電子。它們來自樣品表面最外層的幾層原子。二次電子像：較高的分辨率。需要樣品具有一定的導電能力，對于導電性較差的樣品，可以采用噴涂一層導電性較好的C或Au膜的方法，提高樣品表面的導電能力。二次電子像22背反射電子：被樣品表面直接反射回來的電子具有與入射電子相近的高能量。背反射電子像：接收背反射電子的信號，并用其調制熒光屏亮度而形成的表面形貌。原子對于入射電子的反射能力隨著原子序數Z的增大而緩慢提高。對于表面化學成分存在顯著差別的不同區域來講，其平均原子序數的差別將造成背反射電子信號強度的變化，即樣品表面上原子序數大的區域將與圖像中背反射電子信號強的區域相對應。背反射電子像23電子顯微鏡：透射式、反射式、掃描式和掃描透射式。透射電子顯微鏡，TransmissionElectronMicroscope,簡稱TEM。發展較早，技術理論較成熟，分辨率高，因此得到廣泛應用。組成：電子光學系統、真空系統和供電系統。透射電子顯微鏡（TEM）24工作方式電子束固定地照射在樣品中很小的一個區域上。使被加速的電子束穿過厚度很薄的樣品，并在這一過程中與樣品中的原子點陣發生相互作用，從而產生各種形式的有關材料結構和成分的信息。影像模式和衍射模式。兩種工作模式之間的轉換主要依靠改變物鏡光闌及透鏡系統電流或成像平面位置來進行。25任何物質都是由原子組成，在固體物質中原子核半徑約10-5?，原子與原子之間的距離為幾埃，因此原子之間是非常空的。當一束高能電子穿過很薄的試樣時，大量電子將直接穿過物質，而有一部分電子則與原子核或核外電子發生作用，這些相互作用只有在非常接近原子核或電子的情況下才會發生。由于原子核或電子都帶有電荷，這種相互作用往往使入射電子改變方向，產生散射。2627彈性散射：當入射電子非常靠近原子核時，由于核的質量比電子大得多，因而入射電子和原子核幾乎沒有能量交換，而是以較大的角度散射。非彈性散射：當入射電子與核外電子相撞時，由于兩者質量相當，入射電子將一部分能量傳遞給原子的外圍電子，并以較小角度散射。二次電子：入射電子從樣品表層激發出來的能量最低的一部分電子。背反射電子：被樣品表面直接反射回來的電子具有與入射電子相近的高能量。28衍射工作模式電子在被晶體點陣衍射以后又被分成許多束，包括直接透射的電子束和許多對應于不同晶體學平面的衍射束。被100~1000kV的電壓加速過的電子具有很短的波長，因此一束入射的電子能夠同時產生多束衍射。電子波長與加速電壓之間的關系。h普朗克常數，m、q電子的質量和電量。29將透射束和衍射束斑點組成的圖像投影到熒光屏上，就給出了晶體在特定入射方向上的衍射譜，包含的結構信息：晶體點陣的類型和點陣常數晶體的相對位向與晶粒的尺寸大小、攣晶等有關的晶體顯微缺陷方面的信息。30透射電子顯微像用物鏡光闌選取透射電子束或衍射電子束之中的一束就可以構成樣品的形貌像。明場像：只使用透射電子束，用光闌擋掉所有衍射束的成像方式。暗場像：透射電子束被用光闌擋掉，用一束衍射束來作為成像光源。明場像、暗場像和電子衍射技術相互配合使用，可得到有關材料結構的豐富信息。31按晶體對X射線衍射的幾何原理設計制造的衍射實驗儀器。由X射線管發射出的X射線照射到試樣上產生衍射現象，用輻射探測器接收衍射線的X射線光子，經測量電路放大處理后在顯示或記錄裝置上給出精確的衍射線位置、強度和線形等衍射信息。基本組成：X射線發生器、衍射測角儀、輻射探測器、測量電路以及控制操作和運行軟件的電子計算機系統。X射線衍射儀（XRD）3233測角儀—核心組成部分掃描范圍：正向（逆時針零度以上）2

角可達1650；負向（順時針零度以下）2

角可達-1000。2

測量的絕對精度為0.020，重復精度為0.0010。34布拉格公式特定波長的X射線束與晶體學平面發生相互作用時會發生X射線衍射。衍射現象發生的條件必須滿足布拉格公式：2dSin

=n式中：

為入射的X射線的波長；d為相應晶體學面的面間距；

為入射X射線與相應晶面的夾角；n為任意自然數。35采取收集入射和衍射X射線的角度信息及強度分布的方法，可以獲得晶體點陣類型、點陣常數、晶體取向、缺陷和應力等有關材料結構的信息。361981年，美國IBM公司Prof.G.Binning和Dr.H.Rohrer發明了掃描隧道電子顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscope），簡稱STM。（1986年獲諾貝爾物理獎）原理：利用量子力學中的隧道效應對樣品表面進行分析，可以直接觀察到原子，是目前進行表面分析的最精密的儀器。橫向分辨率0.1nm，縱向分辨率0.01nm。掃描隧道顯微鏡（STM）37隧道效應（TunnelingEffect）是量子力學中的微觀粒子所具有的特性，即在電子能量低于它要穿越的勢壘高度時，由于電子具有波動性而具有穿越勢壘的幾率。STM通過探針針尖與樣品表面保持恒定距離而移動掃描時，通過測量隧道效應電流而對表面形貌進行觀察。隧道效應電流是電子波函數重疊的量度，它與兩金屬電極之間的距離以及衰減常數有關。38隧道效應由于電子具有波動性，在金屬中的電子并非僅存在于表面邊界以內，即電子刻度并不是在表面邊界上突然降低為零，而是在表面邊界以外按指數規律衰減，衰減長度約1nm。這樣，如果兩塊金屬表面互相靠近到間隙小于1nm時，它們的表面電子云將發生重疊。如果將探針極細的原子尺度的針尖與被研究的試樣表面作為電極，當探針與試樣表面間的距離接近1nm內時，在外加電場的作用下，電子就會穿過兩個電極之間的絕緣層而流向另一電極。39STM的結構示意圖探針與試樣的逼近裝置保持隧道電流恒定的電子反饋電路及顯示探針Z方向位置變化的顯示器操縱探針沿試樣表面X方向和Y方向運動的壓電陶瓷掃描控制及位置顯示器，以及數據采集和圖像處理系統。40優點有原子量級的極高分辨率，能夠分辨出單個原子。直接觀測到單原子層表面的局部結構，如表面缺陷、表面重構、表面吸附體的形態和位置等。能夠實時地得到表面的三維圖像，可測量具有周期性和不具備周期性的表面結構。特別有利于對表面摩擦磨損行為和性能變化等動態過程研究。可以在不同環境條件下工作，包括真空、大氣、低溫，甚至試樣浸濕在水或電解液中。適用于研究環境因素對試樣表面的影響。可以操縱和移動單個原子或分子，按照人們的意愿排布原子或分子，實現對表面進行納米尺度的微加工。41

1986年，諾貝爾獎金獲得者賓尼等人發明了原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscope），簡稱AFM。橫向分辨率為30?。

原理：這種表面分析儀是靠探測針尖與樣品表面微弱的原子間作用力的變化來觀察表面結構。

原子力顯微鏡（AFM）42三種不同的工作模式接觸式顯微探針與樣品表面相接觸，探針直接感受到表面原子與探針間的排斥力（10-6~10-7N），分辨力較強。非接觸式原子力顯微鏡的探針以一定的頻率在距表面5~10nm的距離上振動，引力大小約10-12N，分辨力較低。優點在于探針不直接接觸樣品，對硬度較低的樣品表面不會造成損壞，且不會引起樣品表面的污染。點擊式探針處于上下振動狀態，振幅約100nm。在每次振動中，探針與樣品表面接觸一次。可以達到與接觸式相近的分辨率，又避免了接觸式樣品表面原子對探針所產生的拖拽力的影響。43AFM的優點不僅可以觀察導體和半導體的表面形貌，而且可以觀察非導體的表面形貌，彌補了STM只能直接觀察導體和半導體的之不足。4445§6.3薄膜成分的表征方法46對薄膜最基本的性能要求之一：對襯底的附著力要好。薄膜附著力測試方法的共同點：在對薄膜施加載荷的前提下，測量薄膜脫落時的臨界載荷。測試結果只具有定性意義。刮剝法和拉伸法。§6.4薄膜附著力的測量方法4748刮剝法將硬度較高的劃針垂直置于薄膜表面，施加載荷對薄膜進行劃傷試驗的方法來評價薄膜的附著力。當劃針前沿的剪切力超過薄膜的附著力時，薄膜將發生破壞與剝落。在劃針移動的同時，逐漸加大所施加的載荷，并在顯微鏡下觀察得出劃開薄膜，露出襯底所需要的臨界載荷Fc，作為薄膜附著力的量度。根據劃痕邊緣的完整程度，比較薄膜附著力的大小。49與刮剝法相似的方法。使用具有一定形狀的硬質壓頭，在載荷作用下將壓頭垂直壓入薄膜的表面。在卸去載荷后，觀察和測量薄膜表面壓陷區的形貌和大小，根據薄膜從襯底上剝落時載荷的大小和剝落薄膜的面積表征薄膜的附著力。壓痕法50利用黏結或焊接的方法將薄膜結合于拉伸棒的端面上，測量將薄膜從襯底上拉伸下來所需的載荷的大小。薄膜的附著力等于拉伸時的臨界載荷F與被拉伸的薄膜面積A之比。在使用黏結劑的情況下，黏結劑的黏結強度決定了這一方法可以測量的附著力的上限。焊接可以增加界面的結合強度，但焊接過程可能會由于加熱溫度的影響而改變界面的組織和附著力。拉伸法51實驗布置與拉伸法相似，它針對拉伸法較難保證拉桿的拉伸方向嚴格垂直于薄膜表面的問題，在垂直于拉桿軸的方向上施加載荷，使得拉桿傾倒。在測量時，薄膜將首先在拉伸桿邊緣的一側發生剝落。拉倒法52用黏結的手段將薄膜的表面與一塊金屬板黏結在一起。在平行于薄膜表面的方向上對金屬板施加載荷或扭矩，并測量使薄膜從襯底上剝離所需要的臨界載荷，以作為薄膜附著力的量度。剪切法53薄膜附著力的其他測試方法膠帶剝離法：將具有一定粘著力的膠帶粘到薄膜表面，在剝離膠帶的同時，觀察薄膜從襯底上被剝離的難易程度。摩擦法：用布、皮革或橡膠等材料摩擦薄膜表面，以薄膜脫落時所需的摩擦次數和力的大小推斷薄膜附著力的強弱。超聲波法：用超聲波的方法造成周圍介質發生強力的振動，從而在近距離對薄膜產生破壞效應，根據薄膜發生剝落時的超聲波的能量水平推斷薄膜的附著力。離心力法：使薄膜與襯底一起進行高速旋轉，在離心力的作用下，使薄膜從襯底上脫開，用旋轉的離心力來表征薄膜的附著力。脈沖激光加熱疲勞法：利用薄膜與襯底在脈沖激光作用下周期性地熱脹冷縮，使薄膜與襯底不斷地彎曲變形，從而引起界面疲勞和造成薄膜脫離時單位薄膜面積上所吸收的激光能量來表征薄膜的附著力。54樹立質量法制觀念、提高全員質量意識。10月-2410月-24Monday,October28,2024人生得意須盡歡，莫使金樽空對月。21:42:0121:42:0121:4210/28/20249:42:01PM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦繃。10月-2421:42:0121:42Oct-2428-Oct-24加強交通建設管理，確保工程建設質量。21:42:0121:42:0121:42Monday,October28,2024安全在于心細，事故出在麻痹。10月-2410月-2421:42:0121:42:01October28,2024踏實肯干，努力奮斗。2024年10月28日9:42下午10月-2410月-24追求至善憑技術開拓市場，憑管理增創效益，憑服務樹立形象。28十月20249:42:01下午21:42:0110月-24嚴格把控質量關，讓生產更加有保障。十月249:42下午10月-2421:42October28,2024作業標準記得牢，駕輕就熟除煩惱。2024/10/2821:42:0121:42:0128October2024好的事情馬上就會到來，一切都是最好的安排。9:42:01下午9:42下午21:42:0110月-24一馬當先，全員舉績，梅開二度，業績保底。10月-2410月-2421:4221:42:0121:42:01Oct-24牢記安全之責，善謀安全之策，力務安全之實。2024/10/2821:42:01Monday,October28,2024相信相信得力量。10月-242024/10/2821:42:0110月-24謝謝大家！樹立質量法制觀念、提高全員質量意識。10月-2410月-24Monday,October28,2024人生得意須盡歡，莫使金樽空對月。21:42:0121:42:0121:4210/28/20249:42:01PM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦繃。10月-2421:42:0121:42Oct-2428-Oct-24加強交通建設管理，確保工程建設質量。21:42:0121:42:0121:42Monday,October28,2024安全在于心細，事故出在麻痹。10月-2410月-2421:42:0121:42:01October28,2024踏實肯干，努力奮斗。2024年10月28日9:42下午10月-2410月-24追求至善憑技術開拓市場，憑管理增創效益，憑服務樹立形象。28十月20249:42:01下午21:42:0110月-24嚴格把控質量關，讓生產更加有保障。十月249:42下午10月-2421:42October28,2024作業標準記得牢，駕輕就熟除煩惱。2024/10/2821:42:0121:42:0128October2024好的事情馬上就會到來，一切都是最好的安排。9:42:01下午9:42下午21:42:0110月-24一馬當先，全員舉績，梅開二度，業績保底。10月-2410月-2421:4221:42:0121:42:01Oct-24牢記安全之責，善謀安全之策，力務安全之實。2024/10/2821:42:01Monday,Octobe