薄膜表征_薄膜材料与薄膜技术
薄膜材料与薄膜技术复习
薄膜材料与薄膜技术第一章1.真空度划分：粗真空：105-102Pa 接近大气状态热运动为主低真空：102-10-1Pa高真空：10-1-10-6Pa超高真空：<10-6Pa2.吸附与脱附物理吸附与化学吸附气体吸附：固体表面捕获气体分子的现象物理吸附：没有选择性、主要靠分子之间的吸引力、容易发生脱附、一般只在低温下发生化学吸附：在较高温度下发生、不容易脱附,只有气体和固体表面原子接触生成化合物才能产生吸附作用;气体脱附：是吸附的逆过程;3.旋片式机械真空泵用油来保持各运动部件之间的密封,并靠机械的办法,使该密封空间的容积周期性地增大,即抽气；缩小,即排气,从而达到连续抽气和排气的目的;4.分子泵牵引泵：结构简单、转速小、压缩比大效率低涡轮式分子泵：抽气能力高、压缩比小效率高5.低温泵深冷板装在第二级冷头上,温度为10-20k,板正面光滑的金属表面可以去除氮、氧等气体,反面的活性炭可以吸附氢、氦、氖等气体;通过两极冷头的作用,可以达到去除各种气体的目的,从而获得超高真空状态;6.真空的测量电阻真空计：压强越低,电阻越高 p↓→R↑测量范围105---10-2Pa热偶真空计：压强越低,电动势越高p↓→↑测量范围Pa电离真空计：三种BA型、热阴极、冷阴极A：灯丝发射极F：栅极加速极 G：收集极第二章1.薄膜制备的化学方法以发生一定化学反应为前提,由热效应引起或由离子的电致分离引起;热激活、离子激活2.热氧化生长在充气条件下,通过加热基片的方式可以获得大量的氧化物、氮化物和碳化物薄膜;3.化学气相沉积优缺点：优点记住四条：①成核密度高,均匀平滑的薄膜;②绕射性好,对于形状复杂的表面或工件的深孔、细孔等都能均匀覆膜;③不需要昂贵的真空设备;④残余应力小,附着力好,且膜致密,结晶良好;⑤可在大尺寸基片或多基片上进行;可一制备金属和非金属薄膜,成膜速率快,面积大;缺点：①反应温度太高,而许多基材难以承受这样的高温②反应气体可能与设备发生化学反应;三个过程：反应物输运、化学反应、去除附产物分类：常压式、低压式NPCVD、LPCVD 热壁>500℃、冷壁LTCVD发生的典型化学反应记住四条：分解反应、还原反应、氧化反应、氮化反应、碳化反应按照不同激活方式分类：①激光化学气相沉积LCVD定义：利用激光源产生出来的激光束实现化学气相沉积的一种方法激光加热非常局域化②光化学气相沉积PCVD定义：高能光子有选择性地激发表面吸附分子或气体分子而导致键断裂、产生自由化学粒子形成膜或在相邻的基片上形成化学物③等离子体增强化学气相沉积PECVD定义：在等离子体中电子平均能量足以使大多数气体电离或分解优点：比传统的化学气相沉积低得多的温度下获得单质或化合物薄膜材料缺点：由于等离子体轰击,使沉积膜表面产生缺陷,反应复杂,也使薄膜的质量有所下降;应用：用于沉积各种材料,包括SiO2、Si3N4,非晶Si：H、多晶Si、SiC等介电和半导体膜;分类：射频R-PECED、高压电源PECVD、微波m-PECVD、回旋电子加速微波mECR-PECVD辨析PCVD 、LCVD 、PECVD4.电镀定义：电流通过导电液中的流动而产生化学反应最终在阴极上电解沉积某一物质的过程;5.化学镀定义：不加任何电场、直接通过化学反应而实现薄膜沉积的方法6.阳极沉积反应定义：不需采用外部电流源,在待镀金属盐类的溶液中,靠化学置换的方法在基体上沉积出该金属的方法;依赖阳极反应7.辨析电镀、化学镀、阳极沉积反应：①化学镀、阳极沉积反应不可单独作为镀膜技术,一般作为前驱镀处理衬底或后续镀做保护层;电镀可单独作为镀膜技术;②阳极沉积反应与化学镀的区别在于无需在溶液中加入化学还原剂,因为基体本身就是还原剂;化学镀需添加还原剂;两者都不需要外加电场;技术定义：利用分子活性气体在气液界面上凝结成膜,将该膜逐次叠积在基片上形成分子层;应用：应用这一技术可以生长有序单原子层、高度有序多原子层,其介电强度较高; 过程：第三章与CVD相比优缺点：优点：化学气相沉积对于反应物和生成物的选择,且基片需要处在较高温度下,薄膜制备有一定的局限性;物理气相沉积对沉积材料和基片没有限制;缺点：速率慢、对真空度要求高三个过程：从源材料发射粒子、粒子输运到基片、粒子在基片上凝结、成核、长大、成膜;3.真空蒸发定义：将待成膜的物质置于真空中进行蒸发或升华,使之在工件或基片表面析出的过程;优点相对于其他物理制备：简单便利、操作容易、成膜速度快、效率高、广泛使用;缺点：薄膜与基片结合较差、工艺重复性不好;六种技术：①电阻加热法定义：将支撑加热材料做成适当形状,装上蒸镀材料,让电流通过蒸发源加热蒸镀材料,使其蒸发;②闪烁蒸发定义：把合金做成粉末或微细颗粒,在高温加热器或坩锅蒸发源中,使一个一个的颗粒瞬间完全蒸发;③激光蒸发定义：激光作为热源使蒸镀材料蒸发;④电子束蒸发定义：把被加热的物质放置在水冷坩锅中,利用电子束轰击其中很小一部分,使其熔化蒸发,而其余部分在坩锅的冷却作用下处于很低的温度;⑤电弧蒸发定义：属于物理气相沉积,有等离子体产生;⑥射频蒸发f>定义：通过射频线圈的适当安置,可以使待镀材料蒸发;优缺点：蒸发速度快,成本高,设备复杂;辨析电阻蒸发、电子束蒸发：①电子束蒸发可以直接对蒸发材料加热；可避免材料与容器的反应避免污染和容器材料的蒸发；可蒸发高熔点材料;电阻蒸发难加到高温度,需要蒸发源材料低熔点和高蒸气压；加热时容器如坩埚易产生污染;②电子束蒸发需要靶材导电,装置复杂,只适合于蒸发单质元素；残余气体分子和蒸发材料的蒸气会部分被电子束电离;电阻蒸发装置相对简单;4.溅射定义：溅射是指荷能粒子如正离子轰击靶材,使靶材表面原子或原子团逸出的现象;逸出的原子在工件表面形成与靶材表面成分相同的薄膜;溅射与蒸发的异同点同：在真空中进行异：蒸发制膜是将材料加热汽化溅射制膜是用离子轰击靶材,将其原子打出;优点和缺点参数控制较蒸发困难但不存在分馏,不需加热至高温等直流辉光放电伏安特性曲线：A-B:电流小,主要是游离状态的电子,离子导电；电子－原子碰撞为弹性碰撞；B-C: 增加电压,粒子能量增加,达到电离所需能量；碰撞产生更多的带电粒子；电源的输出阻抗限制电压类似稳压源;C-D: 起辉雪崩；离子轰击产生二次电子,电流迅速增大,极板间压降突然减小极板间电阻减小从而使分压下降；D-E: 电流与极板形状、面积、气体种类相关,与电压无关；随电流增大,离子轰击区域增大；极板间电压几乎不变；可在较低电压下维持放电；E-F: 异常辉光放电区；电流随电压增大而增大；电压与电流、气体压强相关可控制区域,溅射区域；F-G: 弧光放电过渡区；击穿或短路放电；比较DE、EF区正常辉光放电和异常辉光放电①辉光放电：真空度为10-1~10-2 Torr,两电极间加高压,产生辉光放电;电流电压之间不是线性关系,不服从欧姆定律;②DE段：电流增大电压不变;EF段：电压增大电流增大③DE段不可控,EF段可控辉光放电时明暗场分布：阿斯顿暗区：慢电子区域；阴极辉光：激发态气体发光；克鲁克斯暗区：气体原子电离区,电子离子浓度高；负辉光：电离；电子－离子复合；正离子浓度高阴极位降区基片所在位置;法拉第暗区：慢电子区域,压降低,电子不易加速；溅射六种装置：①辉光放电直流溅射②三级溅射③射频溅射：射频溅射是利用射频放电等离子体中的正离子轰击靶材、溅射出靶材原子从而沉积在接地的基板表面的技术;④磁控溅射⑤离子束溅射⑥交流溅射速度：射频>磁控>交流>三级>直流>离子束还有几种：对靶溅射反应溅射热溅射校准溅射磁控溅射：磁力线延伸到衬底,对衬底进行适当溅射,通过在靶表面引入磁场,利用磁场对带电粒子的约束来提高密度以增加率;优点：可在较低工作压强下得到较高的沉积率,可在较低基片温度下获得高质量薄膜;缺点：①靶材利用率低,表面不均匀溅射、非均匀腐蚀及内应力②不适用于强磁体磁控热反应溅射：加热衬底;到达衬底前靶材粒子与反应气体发生化学反应形成化合物;先解释溅射,再解释磁控溅射,再解释热反应溅射非平衡磁控溅射：①靶材非平衡使用②磁线外延到靶材时,少量外延到衬底,可以对衬底进行预清洗;靶材中毒：判断依据：溅射速率急速下降枪内真空度下降原因：化学反应没有发生在衬底上,发生在靶材上,使靶材钝化,产额下降;辨析直流、交流、三极溅射直流溅射：施加直流电压,使真空室内中性气体辉光放电,正离子打击靶材,使靶材表面中性原子溢出;交流溅射：施加交流电压;三极溅射：采用直流电源,将一个独立的电子源热阴极中的电子注入到放电系统中,而不是从靶阴极获得电子;5.离子镀定义：真空条件下,利用气体放电使气体或被蒸发物部分离化,产生离子轰击效应,最终将蒸发物或反应物沉积在基片上;优点：结合蒸发与溅射两种薄膜沉积技术;膜与基片结合好,离子镀的粒子绕射性,沉积率高,对环境无污染;6.离子束沉积IBD在离子束溅射沉积过程中,高能离子束直接打向靶材,将后者溅射并沉积到相邻的基片上;离子助沉积IAD7.外延生长①分子束外延MBE定义：在超高真空条件下精确控制原材料的中性分子束强度,并使其在加热的基片上进行外延生长的一种技术;优点：超高真空、可以实现低温过程、原位监控、严格控制薄膜成分及掺杂浓度②液相外延生长LPE定义：从液相中生长膜,溶有待镀材料的溶剂是液相外延生长所必需的;③热壁外延生长HWE定义：一种真空沉积技术,在这一技术中外延膜几乎在接近热平衡条件下生长,通过加热源材料与基片材料间的容器壁实现的;④有机金属化学气相沉积MOCVD定义：采用加热方式将化合物分解而进行外延生长半导体化合物的方法;原料含有化合物半导体组分;特点：可对多种化合物半导体进行外延生长;优点相对于其他几种外延生长：①反应装置较为简单,生长温度较宽②可对化合物的组分进行精确控制,膜的均匀性和膜的电化学性质重复性好③原料气体不会对生长膜产生刻蚀作用;④只通过改变原材料即可以生长出各种成分的化合物缺点：所用的有机金属原料一般具有自燃性;原料气体具有剧毒;比较MBE、LPE、MOCVD温度/生长速率/膜纯度：液相外延生长LPE>有机金属化学气相沉积MOPVD>分子束外延MBE辨析溅射、蒸发、离子镀第四章1.薄膜形成：凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程2.凝聚过程前提是形成原子对吸附原子结合成原子对及其以后的过程;必要条件是吸附原子在基体表面的扩散运动;吸附-扩散-凝结吸附过程：入射到基体表面的气象原子被固体表面的悬挂键吸引住的现象称为吸附①物理吸附：范德华力低温吸附高温解析②化学吸附：化学键选择性高温吸附3.辨析成核理论---毛细理论热力学界面能理论和原子理论：①相同之处：所依据的基本概念相同,所得到的成核速率公式形式也基本相同;②不同之处：两个使用的能量不同,所用模型不同;热力学界面能理论适合描述大尺寸临界核;因此,对于凝聚自由能较小的材料或者过饱和度较小情况下进行沉积的情况比较适合;原子理论适合小尺寸临界核;对于小尺寸临界核,这时必须过饱和度很高才能发生凝聚成核;③由于这两种理论所用模型的本质差别,热力学界面能理论所给出的有关公式预示,随着过饱和度的变化,临界核尺寸和成核速率连续变化；相反,原子理论则预示着它们不作连续变化;4.临界核形成：方程推导当原子或分子从气相中沉积到衬底的表面凝聚,成球状核或冠状核时总自由能和临界核尺寸的数学表达式分析温度、过饱和度、沉积速率对r 和ΔG 的影响;答：球状凝聚核总自由能数学表达式： 3243()4?v CV G r r G r ππσ∆=-∆+ 临界核尺寸数学表达式：22*ln(/)cvcvve VG kT P P r σσ∆==冠状凝聚核总自由能表达式：23103()4?)?)v G r r r G πφθσ∆=+∆临界核尺寸表达式：02*v G r σ∆=-;凝聚核总自由能由两部分构成,即体自由能与界面自由能,体自由能随着核心尺寸的增加而减小,界面自由能随着核心尺寸的增大而增大,所以总自由能随着核心尺寸的增加先增大后减小,存在一个临界核心尺寸和形核势垒温度影响：温度T ↑,过冷度T ∆↓,临界核半径*r 和形核势垒*G ∆都将↑,则新相核心形成困难;过饱和度影响：过饱和度S ↑,临界核半径*r 和形核势垒*G ∆都↓,所需克服的形核势垒也较低,新相核心较易形成;沉积速度影响：沉积速率R ↑时,临界核半径*r 和形核势垒*G ∆都↓,新相核心较易形成;5.根据毛细理论,简述形核率 dN/dt 的主要影响因素,并解释说明吸附气体原子的脱附激活能、扩散激活能和临界形核势垒对其影响规律和内在机制;答：形核率 dN/dt 的主要影响因素：温度,过饱和度和沉积速度;规律：吸附气体原子的脱附激活能越高,扩散激活能越低,形核率越大,临界形核势垒越低,形核率越大;内在机制：高的脱附激活能和低的扩散激活能都有利于气相原子在基体表面停留和运动,因而会提高形核率;临界形核势垒越低,新相核心越容易形成,形核率也就越大;6.根据毛细理论,简要说明为什么高温低速沉积往往获得粗大或单晶结构薄膜,而低温高速沉积则有利于获得细小多晶、微晶乃至非晶薄膜答：根据毛细理论知,在高温低速沉积速度条件下,临界核半径和形核势垒都较大,新相核心较大且不易形成,形核率低,形成薄膜组织往往粗大或者单晶薄膜；在低温高速沉积条件下,临界核半径和形核势垒都较小,新相核心较小且容易形成,形核率高,形成薄膜组织细密连续,则有利于获得细小多晶、微晶乃至非晶薄膜;7.在稳定核形成以后,岛状薄膜的形成过程一般分为几个阶段各阶段的主要现象如何答：稳定核形成之后,岛状薄膜的形成过程分为四个阶段,小岛阶段,结合阶段,沟道阶段,连续膜;小岛阶段：出现大小一致的核2-3nm,核进一步长大变成小岛,形状将又冠球形变成圆形最后变成多面体小岛;结合阶段：两个小岛将相互结合,结合后增大了高度,减小了在基片的所占的总表面积;结合时类液体特性导致新出现的基片面积上将会发生二次形核,结合后的复合岛若有足够时间,可形成晶体结构;沟道阶段：当岛的分布达到临界状态时便相互聚结成网状结构,种结构中不规则分布着宽度为50~200A 的沟渠,随着沉积继续,沟渠很快消失,薄膜变成小孔洞的连续状结构,在小孔洞处将发生二次成核或三次成核,整个薄膜连成一片;连续薄膜：随着沉积继续进行,在沟渠和孔洞消除,再入射到基体表面的气相原子便直接吸附在薄膜上,通过联并作用而形成不同结构的薄膜;8.利用烧结过程解释核心吞并机制及其驱动力;答：机制：当两个岛相互接触时,在接触点形成半径为R的瓶颈,将产生一驱动力2б/R,使岛的沉积原子通过体扩散和表面扩散迁移到瓶颈中,且表面扩散通量大于体扩散通量;驱动力由曲率半径R决定,为2б/R;9.简述薄膜的主要生长模式,及每类生长模式各自出现的条件及特点;答：岛状生长型,层生长型,层岛生长型;岛状生长型：特点：到达衬底上的沉积原子首先凝聚成核,后续飞来的沉积原子不断聚集在核附近,使核在三维方向上不断长大而最终形成薄膜;条件：在衬底晶格和沉积膜晶格不相匹配非共格时或当核与吸附原子间的结合能大于吸附原子与基体的吸附能时,大部分薄膜形成过程属于这种类型;层状生长型：特点：沉积原子在衬底的表面以单原子层的形式均匀地覆盖一层,然后再在三维方向上生长第二层、第三层······条件：一般在衬底原子与沉积原子之间的键能大于沉积原子相互之间键能的情况下共格发生这种生长方式的生长;层岛生长型：特点：生长机制介于岛生长型和层生长型的中间状态;条件：当衬底原子与沉积原子之间的键能大于沉积原子相互之间键能、随后出现干扰层状生长结合能特性单调减少因数的情况下准共格多发生这种生长方式的生长;第五章1.组分表征2.结构表征3.原子化学键合表征能量损失谱EELS：主峰---元素种类主峰化学位移---配位结构精细结构---键合情况扩展X射线吸收精细结构EXAFS：吸收线---元素种类精细结构---键合情况辨析红外吸收光谱与拉曼光谱①红外吸收光谱：构成薄膜样品分子振动的频率一般从红外延展到远红外,用红外线照射薄膜样品时,与样品分子振动频率相同的红外线就会被分子共振吸收;每个分子都有确定的振动频率,因此可用红外光谱标识薄膜中所含分子并确立分子间的键合特征;拉曼光谱：可见光或紫外线照射在样品上时,出来的散射光频率会有稍许改变,这种改变乃是由分子振动引起的;因此可用拉曼光谱测定这种频率的改变,从而分析和鉴别薄膜样品中的化学组成和化学键合;②都是测定薄膜样品中分子振动的;③对于具有对称中心的分子振动,红外不敏感,拉曼敏感；对于反对称中心的分子振动,则红外敏感拉曼不敏感;对于对称性高的分子,拉曼敏感;辨析红外吸收光谱与傅里叶变换红外光谱FTIR①二者原理一致②传统的红外吸收光谱依赖于红外光束通过格栅色散到单色元件中进行扫描; FTIR依赖于相干干涉仪。
光学实验技术中的薄膜制备与表征指南
光学实验技术中的薄膜制备与表征指南在现代光学实验中，薄膜是一种广泛应用的材料，它具有许多独特的光学性质。
为了实现特定的光学设计要求，科学家们需要制备和表征各种薄膜。
本文将为您介绍光学实验技术中的薄膜制备与表征指南，帮助您更好地理解和应用薄膜技术。
一、薄膜制备技术1. 真空蒸发法真空蒸发法是一种常见的薄膜制备技术，它通常用于金属或有机材料的蒸发。
蒸发源材料通过加热，使其蒸发并沉积在基底表面上，形成薄膜。
真空蒸发法具有简单、灵活的优点，但由于材料的有机蒸发率不同，容易导致薄膜的成分非均匀性。
2. 磁控溅射法磁控溅射法是一种通过离子碰撞使靶材溅射，并沉积在基底上的技术。
这种方法可以获得高质量和均匀性的薄膜。
磁控溅射法通常用于金属、氧化物和氮化物等无机薄膜的制备。
3. 原子层沉积法原子层沉积法（ALD）是一种逐层生长薄膜的方法，通过交替地注入不同的前驱体分子，使其在基底表面上化学反应并沉积。
这种方法可以实现非常精确的厚度控制和成分均一性。
4. 溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种基于溶胶和凝胶的化学反应制备薄膜的方法。
通过溶胶中的物质分子在凝胶中发生凝胶化反应，形成薄膜。
这种方法适用于复杂的薄膜材料。
二、薄膜表征技术1. 厚度测量薄膜的精确厚度对于光学性能至关重要。
常用的测量方法包括激光干涉法、原位椭圆偏振法和扫描电子显微镜等。
激光干涉法通过测量反射光的相位差来确定薄膜厚度，原位椭圆偏振法则通过测量反射光的椭圆偏振状态来推断厚度。
2. 光学性能表征光学性能包括反射率、透过率、吸收率等。
常用的表征方法有紫外可见近红外分光光度计和激光光谱仪。
通过测量样品在不同波长下的吸收或透过光强度，可以得到其光学性能。
3. 表面形貌观察表面形貌对薄膜的光学性能和功能具有重要影响。
扫描电子显微镜和原子力显微镜是常用的表面形貌观察工具。
扫描电子显微镜可以获得样品表面的高分辨率图像，原子力显微镜则可以实现纳米级表面形貌的观察。
4. 结构分析薄膜的结构分析是了解其晶体结构和晶格形貌的重要手段。
氧化锌薄膜的合成与表征
氧化锌薄膜的合成与表征氧化锌薄膜是一种具有重要应用价值的材料，在光电子、传感器等领域具有广泛的应用。
如何高效地制备氧化锌薄膜并准确地表征其结构和性质，一直是当前研究重点之一。
本文将介绍氧化锌薄膜的制备方法和表征技术，以期更好地理解并应用该材料。
一、氧化锌薄膜的合成方法1. 真空蒸发法真空蒸发法是一种通过高温下蒸发金属来制备薄膜的方法。
通常，锌金属片被置于真空漏斗内加热，在漏斗的上部有一块玻璃基板直接对接。
锌金属加热后开始蒸发，氧性的基板表面吸收这些蒸发物后，化学反应形成氧化锌薄膜。
这种方法制备所得氧化锌薄膜的厚度通常为几十纳米，对于一些特定应用而言，薄膜的厚度并不能完全满足需求；同时，真空蒸发法的操作条件相对苛刻，同时背景气压的影响也需要特别注意。
2. 溅射法溅射法是在真空环境中利用阴极等离子体产生的离子将靶材上的原子或原子团射向基板表面，最终形成薄膜的制备方法。
通常，气体靶在真空腔中被激光离子激发产生等离子体，产生的等离子体会扫面过整个靶材表面，将原子射到基板表面形成薄膜。
相对于真空蒸发法而言，溅射法所制备氧化锌薄膜的厚度范围更加广泛，可从几纳米到数百纳米，制备比较方便，同时膜的质量也相对较高。
3. 气相沉积法气相沉积法是利用高温气相反应使气体中的原子通过活性自由基中间体沉积到基板表面，最终形成薄膜的方法。
常见的有热CVD法、PECVD法、晶粒增大法等。
其中，热CVD法通常是在真空中通过高温热解锌源和氧源来制备氧化锌薄膜的方法，制备过程中需要精确控制反应条件，如锌源和氧源的速率、反应时间和反应温度等。
而PECVD法则是利用激发的等离子体化学反应制备氧化锌薄膜，制备过程相对比较复杂，但制备的氧化锌薄膜结构密度高、耐久性好。
四、氧化锌薄膜的表征技术1. X射线衍射(XRD)XRD是一种常见的固体材料结构分析技术，它通过对材料的衍射效应进行定量分析，来确定一个样品的晶体结构、晶格参数、非晶态和有序材料的结构等。
薄膜表征
可同时测得薄膜的表面粗糙度及膜厚！
2、仪器特征：
1）探针：一般为金刚石，头部磨成 R= 2-10 m的圆弧形； 2）载荷：一般为 1-30 mgf； 3）分辩率：1 nm (机械/光电放大位移量 103-106倍)。
二、基本特点：
1、类似光学金相，可提供清晰直观的表面/截面形貌像； 2、分辩率高，景深大； 3、可采用不同分析模式作定量/半定量的表面成分分析； 4、是目前材料研究最常用手段之一，应用极为广泛。
SEM的结构与主要组件
三、电子束的作用区域及主要成像粒子：
1、电子束入射到样品表面后，会与表面层的原子发生各种交互作用， 其作用区域大致为一个梨形区域，深度约 1m； 2、该区域在电子束照射下可实现成像和波谱分析的主要激发粒子是： 最表层 (10Å)：俄歇电子； 浅层 (50~500Å)：二次电子； 梨形区上部：背散射电子； 梨形区下部：特征X射线。 3、分别接收上述激发粒子，处理后可显示表层的各种形貌/成分信息。
探针法的测量原理
3、基本矛盾：
不破坏样品表面真实形貌 探头头部接触压力 大直径探头有利； 能分辨表面形貌微小起伏 探头跟随性、分辨率 小直径探头有利！
4、优、缺点：
1）方法简单、测量直观； 2）适合硬膜测量，容易划伤较软薄膜并引起测量误差； 3）对表面很粗糙的薄膜测量误差较大。
1
dt
0
t
Ii a Ii dt t I Ie 0 e a
t
(5 - 1)
此处：n — 气相粒子密度； — 膜材料密度； a — 常数。
薄膜材料与薄膜技术
薄膜材料与薄膜技术薄膜材料是一种在工业和科学领域中广泛应用的材料，其厚度通常在纳米至微米级别。
薄膜技术则是制备、处理和应用薄膜材料的技术，涉及物理、化学、材料科学等多个领域。
薄膜材料的研究和应用已经深入到电子、光学、能源、生物医学等各个领域，成为现代科技发展的重要组成部分。
一、薄膜材料的分类根据材料的性质和制备方法，薄膜材料可以分为多种类型。
常见的薄膜材料包括金属薄膜、半导体薄膜、聚合物薄膜等。
金属薄膜通常具有良好的导电性和热导性，常用于电子器件的制备；半导体薄膜则是制备光电器件的重要材料；而聚合物薄膜则具有良好的柔韧性和可塑性，被广泛应用于包装材料、传感器等领域。
二、薄膜技术的发展随着科学技术的不断进步，薄膜技术也在不断发展。
目前，常见的薄膜制备技术包括物理气相沉积、化学气相沉积、溅射、溶液法等。
这些技术各有特点，可以制备不同性质的薄膜材料，满足不同领域的需求。
同时，随着纳米技术的发展，越来越多的纳米薄膜材料被制备出来，开拓了新的应用领域。
三、薄膜材料的应用薄膜材料在电子、光学、能源、生物医学等领域都有着重要的应用。
在电子领域，薄膜材料被广泛应用于集成电路、平板显示器、太阳能电池等器件中，发挥着重要作用；在光学领域，薄膜材料被用于制备光学薄膜、反射镜等光学器件；在能源领域，薄膜太阳能电池、燃料电池等也在逐渐成为发展的热点；在生物医学领域，生物传感器、药物传递系统等也离不开薄膜材料的支持。
四、薄膜技术的未来发展随着科技的不断进步，薄膜技术也在不断创新。
未来，随着人工智能、大数据、物联网等新兴技术的发展，薄膜材料的应用领域将会更加广泛，薄膜技术也将迎来新的发展机遇。
同时，随着环境保护意识的增强，绿色环保的薄膜材料和技术也将得到更多关注和应用。
薄膜材料与薄膜技术作为现代科技的重要组成部分，对于推动科技进步、促进产业发展、改善人类生活质量都起着重要作用。
我们期待着薄膜材料与薄膜技术在未来能够取得更大的突破和发展，为人类社会的发展作出更大的贡献。
薄膜技术
1.薄膜技术
1.2 蒸镀
1.பைடு நூலகம்膜技术
1.3 CVD化学气相沉积 利用化學反應將反應物（通常為氣體）生成固態 的生成物沉積於晶片表面之技術，简称 CVD。 主要的材料有： 导体 : W，TiN 介电材料 : SiO2，Si3N4 半导体 : poly Si，amorphous Si
1.薄膜技术
1.4. 电镀 电镀工艺：是利用电解原理在基板表面上镀覆一 层金属的过程。
2.1薄膜电阻
晶粒电阻
热处理是关键！ 晶界电阻
2.薄膜材料
2.2 阻挡层材料
（1）氮化鈦 (TiN) （2）鈦鎢合金(TiW) （3）Ta与TaN: 主要作为銅制程阻挡层材料 来自铜的挑战 (a) 低電阻率(銅約1.8 μΩ-cm，鋁約 3 μΩ-cm ) (b) 與SiO2 附着力不佳； (c) 對SiO2 及硅扩散速率快，易造成元件恶化；
2.薄膜材料
2.3 导体材料
铝合金的尖峰现象
电致迁移
2.薄膜材料
2.4 薄膜基板
3.薄膜表征
XRD分析
3.薄膜表征
• SEM（EDS）
3.薄膜表征
• AFM
2.薄膜材料
2.1 薄膜电阻
Ni-Cr合金
2.薄膜材料
2.1薄膜电阻
Re-measure (30min) 16.76
Resistance (Ω)
16.56 16.36 16.16 15.96 15.76 0 20 40 60 80 100 120 140
Temperature (℃)
2.薄膜材料
（2）薄膜电阻
概述
薄膜技术在电子封装中的应用: （3）薄膜基板
（4）导线材料
薄膜技术与薄膜材料
薄膜技术与薄膜材料从20世纪以来，薄膜技术及其应用技术已经快速发展，在制造、设备、电子、纳米、材料等领域得到广泛应用。
薄膜技术是建立在基于物质表面和界面特性的细致考虑和分析之上的一门学科，其内容可以分为两个部分，即薄膜材料技术和薄膜制备技术。
薄膜材料技术主要涉及材料的特性，包括薄膜的结构、形状、尺寸、厚度和物理性能；另一方面，薄膜制备技术是将薄膜材料进行加工和雕刻的技术，所得到的材料结构及性能变化会被检测、记录和应用，从而达到所需的功能和性能。
薄膜技术的发展离不开薄膜材料的发展。
从20世纪以来，先后出现了磁性薄膜、半导体薄膜、发光薄膜、激光薄膜、电磁解耦薄膜、微纳米复合薄膜等多种新型薄膜材料。
各种材料的发展给薄膜技术的应用提供了可能。
同时，薄膜材料的发展也受益于20世纪以来新兴的薄膜技术，如高真空技术、微纳技术、原子层技术、功能涂层技术、共振技术、多层异质技术，以及超精密喷射等新兴技术。
纳米级薄膜材料具有一系列优异的性能，特别是近年来，利用超精密喷射技术制备的纳米级薄膜材料，其功能和性能越来越突出，为多种科学技术应用和实现提供了有力的条件和保证。
由于超精密喷射技术的特殊优势，使超精密喷射薄膜材料在传感器、熔体沉积、光学、化学、生物技术、复合材料等多种新兴技术中有着广泛的应用，其中熔体沉积技术是最重要的一种新技术。
熔体沉积技术是一种将金属溶解在液态中，并将其蒸发到薄膜材料表面，使其实现原子级分子层层叠加的技术。
熔体沉积技术是用来制备半导体薄膜、磁性薄膜、发光薄膜等高性能材料的革命性技术，可以生产出任意厚度任意尺寸任意形状的薄膜材料，并将二维和三维的复杂结构实现为超薄薄膜材料，因而被称为“假想的薄膜技术”。
同时，熔体沉积技术是目前最发达的薄膜材料技术之一，它更加注重材料的形状和大小，并在制备许多微纳米复合薄膜材料时，能够解决材料凝固、形变、热变形等问题，实现了薄膜材料的节能和环保。
以上就是薄膜技术与薄膜材料的基本内容，无论是什么样的应用领域，薄膜技术和薄膜材料都可以说是至关重要的。
薄膜材料的表征方法
紫外-可见光谱法利用紫外-可见光波段的光子能量与材料中价电子的跃迁能量相匹配的特性，通过测量材料对不 同波长光的吸收程度，得到吸收光谱。通过对光谱的分析，可以了解材料的电子结构和分子组成，从而推断材料 的性质和结构。
红外光谱法
总结词
通过测量材料在红外光波段的吸收光谱，分析材料中分子的振动和转动模式。
俄歇电子能谱法
总结词
俄歇电子能谱法是一种高灵敏度、高分辨率的表面分析技术，用于检测薄膜材 料表面的元素组成和化学状态。
详细描述
该方法利用高能电子束轰击薄膜表面，使表面原子发射出俄歇电子，通过测量 俄歇电子的能量分布，可以推断出薄膜表面的元素组成、化学键合状态以及元 素化合物的存在形式。
红外光谱法
详细描述
红外光谱法利用红外光波段的光子能量与材料中分子振动和转动能量相匹配的特性，通过测量材料对 不同波长光的吸收程度，得到吸收光谱。通过对光谱的分析，可以了解材料中分子的振动和转动模式 ，进一步推断材料的结构和性质。
拉曼光谱法
总结词
通过测量材料在拉曼散射过程中的光谱 ，分析材料中分子的振动和旋转模式。
剪切韧性测试
通过测量材料在剪切载荷下的剪切位移或剪切强度，评估材料的 韧性。
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各种类型的薄膜材料。
原子力显微镜
总结词
原子力显微镜是一种高分辨率的表面形貌表征技术，可以用来观察薄膜表面的微观结构 和形貌特征。
详细描述
原子力显微镜利用微悬臂探针在薄膜表面扫描，通过测量探针与薄膜表面之间的相互作 用力，可以实时获得薄膜表面的形貌信息。该方法具有极高的分辨率，能够观察到薄膜
表面的原子级结构，适用于各种类型的薄膜材料。
05 化学性能表征方法
薄膜材料性能表征方法介绍
磁损耗法
01
磁损耗法是通过测量磁场中材 料因磁滞、涡流等效应而产生 的能量损耗来表征材料磁学性 能的方法。
02
磁损耗法通常采用交流磁场进 行测量，能够反映材料的动态 磁特性，如磁损耗角正切值等 。
电学性能表征
电导率测试
总结词
电导率测试是评估薄膜材料导电性能的重要手段，通过测量电流与电压的关系，可以获 得材料的电导率。
详细描述
在电导率测试中，将薄膜材料置于电极之间，施加一定的电压，测量流过材料的电流。 通过计算电流与电压的比值，可以得到材料的电导率。电导率的大小反映了材料导电性
能的优劣。
霍尔效应法
磁畴观察法可以用于研究薄膜材料的磁畴行为、磁反转机制等，有助于理 解材料的磁学性质和应用潜力。
06
环境稳定性表征
耐腐蚀性测试
盐雾试验
将薄膜材料置于盐雾环境中，模拟海洋大气环境，观察其抗腐蚀 性能。
酸碱腐蚀试验
将薄膜材料暴露在酸、碱等腐蚀性环境中，检测其抗腐蚀性能。
电化学腐蚀试验
通过电化学方法检测薄膜材料的耐腐蚀性能，包括电化学阻抗谱 和恒电位腐蚀等。
性能表征的必要性
对薄膜材料进行性能表征有助于了解 其物理、化学和机械性质，从而优化 制备工艺和提高产品质量。
性能表征是评估薄膜材料性能与可靠 性，以及进行材料选择和设计的重要 依据。
02
光学性能表征
透射光谱法
总结词
透射光谱法是通过测量薄膜材料透射光强随波长的变化来表征其光学性能的方法。
详细描述
通过测量划痕阻力来确定材料的硬度和韧性。
薄膜材料的表征方法-
❖ 要测膜厚,首先要制备出有台阶得薄膜。制 备台阶得方法常用掩膜镀膜法,即将基片得 一部分用掩膜遮盖后镀膜,去掉掩膜后形成 台阶。由于掩膜与基片之间存在着间隙,因 此这种方法形成得台阶不就是十分清晰,相 对误差也比较大,但可以通过多次测量来提 高精确度,探针扫过台阶时就能显示出台阶 两侧得高度差,从而得到厚度值。
❖ 椭偏光谱学就是一种利用线偏振光经样品反射后转变
为椭圆偏振光这一性质以获得样品得光学常数得光谱 测量方法,它区别于一般得反射透射光谱得最主要特 点在于不直接测算光强,而就是从相位空间寻找材料 得光学信息,这一特点使这种测量具有极高得灵敏度。
❖ 椭偏光谱仪有多种结构,如消光式、光度式等,消光式 椭偏仪通过旋转起偏器与检偏器,对某一样品,在一定 得起偏与检偏角条件下,系统输出光强可为零。由消 光位置得起偏与检偏器得方位角,就可以求得椭偏参 数。然而,这种方法在具有较大背景噪声得红外波段
❖ 主要缺点就是: ①容易滑伤较软得薄膜并引起测量误差; ②对于表面粗糙得薄膜,其测量误差较大; ③需要事先制备带有台阶得薄膜样品; ④只能用来测量制成得薄膜得厚度,不能用于
制膜过程中得实时监控。
3.2 薄膜结构得表征
❖ 薄膜结构得表征方法(扫描电子显微镜:透射电子显微镜;X射线 衍射方法;低能电子衍射与反射式高能电子衍射)
常用薄膜厚度测量方法
❖ 薄膜厚度得测量广泛用到了各种光学方法。这就是因为, 光学方法不仅可被用于透明薄膜,还可被用于不透明薄膜; 不仅使用方便,而且测量精度高。这类方法多利用光得干 涉现象作为测量得物理基础。
❖ 椭圆偏振仪原理及应用:
❖ 在椭圆偏振技术(Ellipsometry)发展起来之前,早期光学常 数得测量通常就是在一定光谱范围内测量正入射样品得 反射率,然后由K-K关系分析获得材料得复折射率、复介 电函数等光学常数。在Drude与Stutt提出物理得测量原 理之后,经过人们得不懈努力,这一方法得到了不断得完善。
薄膜材料与薄膜技术
薄膜材料与薄膜技术
薄膜材料是一种在工业生产和科研领域中应用广泛的材料，其主要特点是具有较薄的厚度和柔软的性质。
薄膜材料可以用于制造各种产品，如光学薄膜、电子薄膜、包装薄膜等。
在现代工业中，薄膜技术的应用越来越广泛，对于提高产品性能、降低生产成本、改善产品外观等方面起着重要作用。
薄膜材料通常是通过化学合成或物理制备的方式制备而成，其厚度通常在几纳米到几微米之间。
薄膜材料的种类繁多，可以根据不同的用途选择不同的材料。
例如，聚合物薄膜具有良好的柔软性和透明性，常用于包装材料和电子显示屏；金属薄膜具有良好的导电性和导热性，常用于制造导电膜和热散热材料；氧化物薄膜具有良好的光学性能，常用于制造光学镜片和滤光片等。
薄膜技术是一种通过将薄膜材料沉积到基材表面上，形成薄膜层的工艺技术。
薄膜技术主要包括物理气相沉积、化学气相沉积、溅射沉积、离子束沉积等多种方法。
这些方法能够控制薄膜的厚度、成分、结构和性能，从而实现对薄膜材料的精确调控。
薄膜技术在各个领域都有着重要的应用。
在光学领域，薄膜技术可以制备具有特定光学性能的光学薄膜，如反射膜、透射膜等，用于制造光学器件和光学元件。
在电子领域，薄膜技术可以制备导电膜、绝缘膜等，用于制造电子元件和电子产品。
在包装领域，薄膜技术
可以制备具有良好的防潮性能和耐磨性能的包装薄膜，用于包装食品、药品等产品。
薄膜材料与薄膜技术的发展促进了各个领域的进步和创新。
随着科技的不断发展，薄膜材料和薄膜技术将会更加完善和成熟，为人类社会带来更多的便利和福祉。
希望未来能够有更多的科研人员和工程师投入到薄膜材料与薄膜技术的研究和应用中，共同推动这一领域的发展。
01190660 薄膜材料与技术 05级 第5章 薄膜表征
S N 1 / 2 ( N 1) 2 /2
式中：1、2 分别为可引起干涉极大的相邻波长，N — 相应的干涉级数。 薄膜台阶上下，形成 N 级干涉条纹的波长不同，其波长差 满足：
2 D 2( S D) 2S N
测得 和 N，即可得到 D：
可见：利用光的干涉实现对薄膜厚度的测量，需要设计出对光强空间
分布变化的具体测量方法！ 西安理工大学 Xi'an University of Technology
光的干涉现象及其实现薄膜厚度 测量的原理
材料科学与工程学院 2008©
-5-
薄膜材料与技术
Thin Film Materials & Technologies
2、基本特点：1）简单快捷、可测多层膜内每层厚度； 3、近似公式：
磨坑直径及磨穿区宽度 << 磨球直径 Db 时， 任意一层薄膜的厚度 D 近似满足：
D
y d y Db
D
由此即可推算薄膜的沉积速率和厚度。
2n f cos '
(5 - 9)
薄膜材料与技术
西安理工大学 Xi'an University of Technology
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材料科学与工程学院 2008©
Thin Film Materials & Technologies
第一章 薄膜技术与薄膜材料
画面对角线106cm的等离子壁挂彩电
PDP工作原理
通过显示电极和选址电极上施加的电压，在二者交点处引起 气体放电；通过控制放电位置和放电的强弱来实现动态显示。气 体放电产生的等离子体中射出紫外线照射涂敷于放电胞壁的荧光 层（发射Ｒ（红）、Ｇ（绿）、Ｂ（蓝）三原色光的荧光层）， 发出相应彩色的光，实现全色壁挂电视。
1.5.1 表面改性
定义:在保持块体材料固有特性的优点基础上，对表面进行加工处理， 使其产生新的物理、化学特性以及所需要功能的各种方法，统称为 表面改性。
1.5.1 表面改性
表面改性的手段，可分为两大类: (1) 表面处理技术（形成表面改性层）：通过物理的或化学的手段， 在物质表面层中引入反应成分，形成混合相或合成相，从而产生 新的功能和材料特性。 (2) 膜沉积技术（形成复合多层膜）：在基体材料表面析出或沉积 有别于基体材料的膜层，从而显示新的功能和材料特性。
CNT和富勒烯的结构模型 CNT和富勒烯的制作装置示意
1.3 薄膜制作简介
沉积薄膜的载体称为基板，沉积的薄膜（如铝等金属膜）物质为薄 膜材料。首先，将基板及含有薄膜材料的源（气化源）置于真空容 器（钟罩）中，抽真空，达到所需要的真空度。在真空室中，由气 源发出的镀料，以原子或分子状随机运动状态，以声速到数千倍声 速的高速度，向着基板飞行。
薄膜技术与薄膜讲义教案
薄膜技术与薄膜材料自本世纪七十年代以来，薄膜技术与薄膜材料得到突飞猛进的发展，无论在学术上还是在实际应用中都取得了丰硕的成果，并已成为当代真空科学与技术和材料科学中最活跃的研究领域，在高新技术产业中具有举足轻重的作用。
薄膜技术、薄膜材料、表面科学相结合推动了薄膜产品全方位的开发与应用。
–在重点掌握真空蒸镀、溅射、化学气相沉积等基本工艺的基础上，对迅速发展的薄膜技术有全面的了解；–系统了解对各种类型薄膜材料的制备、结构、性能及应用；–要求能够使用多种类型薄膜材料的设备、分析多种类型的薄膜的性能；–初步具备开发新设备、制备新材料的能力。
1.绪论：2.真空技术基础：3.薄膜制备的化学方法：4.薄膜制备的物理方法：5.薄膜的形成与生长：6.薄膜表征：7.薄膜材料：•主要参考书目中文：•《半导体薄膜技术与物理》，叶志镇等，浙江大学出版社，2008•《薄膜材料制备原理、技术及应用》，唐伟忠，冶金工业出版社，2003•《薄膜技术》，顾培夫，浙江大学出版社，1990•《硅外延生长技术》，B. Jayant Baliga著，任丙彦等译，河北科学技术出版社，1992 •《外延生长技术》，杨树人等，国防工业出版社，1992英文•《The materials science of thin films》, Milton Ohring，1991•《Handbook of thin-film deposition processes and techniques 》，Krishna Seshan，Noyes Publications，20021.绪论1.1 薄膜科学的发展历史1.2 薄膜的分类1.3 薄膜科学的研究内容1.4 薄膜的应用1.1 薄膜科学的发展历史一百多年来，人们对物质的物理性质的广泛研究，使物理学成为一个很大的学科领域。
在这个领域中，一些专门的知识进一步发展成为一个个独立的分支，薄膜物理就是该领域中一个相当重要的分支。
薄膜材料与薄膜技术答案
薄膜材料与薄膜技术答案薄膜材料与薄膜技术(答案)第一章真空技术基础1、膜的定义及分类。
答：当固体或液体的一维线性尺度远远小于它的其他二维尺度时，我们将这样的固体或液体称为膜。
通常，膜可分为两类：（1）厚度大于1mm的膜，称为厚膜；（2）厚度小于1mm的膜，称为薄膜。
2、人类所接触的真空大体上可分为哪两种？答：（1）宇宙空间所存在的真空，称之为“自然真空”；（2）人们用真空泵抽调容器中的气体所获得的真空，称之为“人为真空”。
3、何为真空、绝对真空及相对真空？答：不论哪一种类型上的真空，只要在给定空间内，气体压强低于一个大气压的气体状态，均称之为真空。
完全没有气体的空间状态称为绝对真空。
目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最低压强下，每立方厘米体积中仍有几百个气体分子。
因此，平时我们所说的真空均指相对真空状态。
4、毫米汞柱和托？答：“毫米汞柱（mmHg）”是人类使用最早、最广泛的压强单位，它是通过直接度量长度来获得真空的大小。
1958 年，为了纪念托里拆利，用“托（Torr）”，代替了毫米汞柱。
1 托就是指在标准状态下，1 毫米汞柱对单位面积上的压力，表示为1Torr=1mmHg。
5、真空区域是如何划分的？答：为了研究真空和实际使用方便，常常根据各压强范围内不同的物理特点，把真空划分为以下几个区域：（1）粗真空：l´105 ~ l´102 Pa，（2）低真空：l´102 ~ 1´10-1Pa，（3）高真空：l´10-1 ~ 1´10-6Pa和（4）超高真空：< 1´10-6Pa。
6、真空各区域的气体分子运动规律。
答：（1）粗真空下，气态空间近似为大气状态，分子仍以热运动为主，分子之间碰撞十分频繁；（2）低真空是气体分子的流动逐渐从黏滞流状态向分子状态过渡，气体分子间和分子与器壁间的碰撞次数差不多；（3）高真空时，气体分子的流动已为分子流，气体分子与容器壁之间的碰撞为主，而且碰撞次数大大减少，在高真空下蒸发的材料，其粒子将沿直线飞行；（4）在超高真空时，气体的分子数目更少，几乎不存在分子间的碰撞，分子与器壁的碰撞机会也更少了。
薄膜材料与技术
3SiH4(气) + 4NH3(气) 3TiCl4(气) + CH4(气)
Si3N4(固) + 12H2(气) TiC(固) + 4HCl(气)
5.化合反应-化合物制备 Ga(CH3)2(气) + AsH3(气)
GaAs(固) + 3CH4(气)
化学气相沉积的优缺点
化学气相沉积是制备各种各样薄膜材料的一种重要和普遍使用的技术，利用这 一技术可以在各种基片上制备元素及化合物薄膜。其优点是：
ห้องสมุดไป่ตู้学气相沉积制备金属氧化薄膜
用此装置，Ajayi等人制备 了Al2O3、CuO、CuO/ Al2O3 和In2O3金属氧化膜。沉积条件： 将Ar通入装置，在保持420℃温 度2h下可长成厚度为10～20nm 的氧化膜，最后经退火处理12h, 便可得到产物。
催化化学气相沉积低温沉积SiN膜
沉积条件为：
电离真空计结构示意图
薄膜制备的化学方法
热生长 化学气相沉积 电镀 化学镀 阳极反应沉积法 LB技术
热生长的基本概念
热生长技术:在充气条件下,通过 加热基片的方式,利用氧化,氮化, 碳化等化学反应在基片表面制备 薄膜的一种技术.
主要应用在金属和半导体氧化物 薄膜的制备.
热生长
George等人使用 这个试验装置，在 空气和超热水蒸汽 下通过对Bi膜的氧化 制备了Bi2O3膜。
压强有关。电阻真空计的测量范围大 致是105 ～ 10-2Pa。
电阻真空计结构示意图
热偶真空计
右图装置为热偶真空计示意图。其规管主要由加热 灯丝C与D和用来测量热丝温度的热电偶A与B组成。测量 时，热偶规管接入被测真空系统，热丝通以恒定的电流， 灯丝所产生的热量Q有一部分将在灯丝与热偶丝之间传导 散去。当气体压强降低时，热电偶节点处的温度将随热丝 温度的升高而增大，同样，热电偶冷端的温差电动势也增 大。热偶真空计的测量范围大致是102 ～ 10－1Pa。
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6.2 薄膜形貌和结构的表征方法
依据尺度范围考虑，薄膜结构的研究分三个层次：
• 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。
可采用的表征方法：
透明膜，数学分析复杂
需制备台阶
精度取决于薄膜密度 厚度较大时具有非线性
效应
（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
Байду номын сангаас
入射面的偏振光分量s的反射系数R、透射系数T如下：
p
s
空气
0
薄膜 h
6.1薄膜厚度测量
方法
等厚干涉 法
等色干涉 法
椭偏仪法
表面粗糙 度仪 称重法
石英晶体 振荡器法
测量范围 精度 3-2000nm 1-3 nm
1-2000nm 0.2 nm
零点几纳米 0.1 nm 到数微米 大于2 nm 零点几 纳米 无限制 至数微米 0.1 nm
说明 需制备台阶和反射层
需制备台阶、反射层和 光谱仪
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。
（3）吸收电子（absorption electrons, 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（Auger electrons, AuE）
•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。
（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。
（2）二次电子（secondary electrons, SE）
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。
特点：
•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。
2009jc备课_6薄膜表征_薄膜材料与 薄膜技术-4ath(XXXX)
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
Tp
e j tp
Ts
t01st12 se j 1 t01st12 se j2
Tp
e j sp
2
(
h
)(n
2
sin
2
0
)
1 2
Rp tan e j
Rs
tan
Rp Rs
, rp rs
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。
特点：
•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。
（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）。
6.2.2扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy）
（1）基本原理：
•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。
TEM
弹性散射电子 透射电子非弹性散射电子
（1）背散射电子（back scattering electrons, BE）
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； 特点： •分辨率较低；
•产额与原子序数Z、形貌有关。
1
衬底
2
薄膜上下界面的光折射
R
p
r0 1 p r1 2 p e j 2 1 r0 1 p r1 2 p e j 2
R e j rp p
Rs
r0 1 s r1 2 s e j 2 1 r0 1 s r1 2 s e j 2
R e j rs s
Tp
t01 p t12 p e j 1 t01 p t12 p e j2
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。
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
6.2.1电子与固体物质的相互作用
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。
入射电子
二次电子 Auger电子
背散射电子 阴极荧光
SEM
特征和白色X辐射；
吸收电子
荧光X射线；EMPA
（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。