1、2022-12-15电子科大薄膜物理第七章薄膜表征电子科大薄膜物理第七电子科大薄膜物理第七章薄膜表征章薄膜表征电子科大薄膜物理第七章薄膜表征 物理性能表征物理性能表征X-ray diffraction X射线衍射射线衍射(XRD)Transmission electron microscopy透射电镜透射电镜(TEM)Optical microscopy 光学显微镜光学显微镜Scanning electron microscopy 扫描电镜扫描电镜(SEM)Atom force microscopy 原子力显微镜原子力显微镜(AFM)Secondary ion mass spectroscop
2、y 二次离子质谱二次离子质谱(SIMS)电学性能测试电学性能测试Van der Pauw Hall 霍尔效应霍尔效应Capacitance-voltage(C-V)光学性能测试光学性能测试 Photoluminescence(PL)荧光光谱荧光光谱材料表征方法材料表征方法电子科大薄膜物理第七章薄膜表征Extracted from www.nasa.gov电子科大薄膜物理第七章薄膜表征厚度和沉积速率表征方法厚度和沉积速率表征方法电子科大薄膜物理第七章薄膜表征厚度表征方法厚度表征方法 台阶仪台阶仪Profiler 干涉显微镜干涉显微镜 Interference microscope 石英晶体振荡薄
3、膜厚度监控石英晶体振荡薄膜厚度监控Oscillator for quartz crystal thickness monitor 椭偏仪椭偏仪 ellipsometer 电子显微镜电子显微镜 SEM断面扫描断面扫描电子科大薄膜物理第七章薄膜表征台阶仪台阶仪电子科大薄膜物理第七章薄膜表征台阶仪测试结果示例台阶仪测试结果示例电子科大薄膜物理第七章薄膜表征光干涉法光干涉法单色光从薄膜上、下表面反射，当膜厚导致单色光从薄膜上、下表面反射，当膜厚导致的光程差为的光程差为n倍倍时，会发生干涉。时，会发生干涉。光程差为：光程差为：nc(AB+BC)AN又，折射定律：又，折射定律：电子科大薄膜物理第七章薄膜表
4、征光程差光程差位相变化位相变化(正入射正入射)0，透射光，透射光，反射光反射回折射率小的物质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，反射光反射回折射率大的物质2.1 透明薄膜厚度的测量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。将随膜厚而周期变化。电子科大薄膜物理第七章薄膜表征极值出现在：极值出现在：n1n2，极大值，极大值n1n2，极小值，极小值金属膜吸收太金属膜吸收太强，不适用。强，不适用。电子科大薄膜物理第七章薄膜表征2.2 不透明薄膜厚度的测量不透明薄膜厚度的测量 等厚干涉条纹法等厚干涉条纹法单色平
5、行光照射到楔单色平行光照射到楔形薄膜上，反射后，形薄膜上，反射后，会在固定的位置产生会在固定的位置产生干涉的最大和最小，干涉的最大和最小，所以可观察到明暗相所以可观察到明暗相间的平等条纹。间的平等条纹。电子科大薄膜物理第七章薄膜表征若膜厚不均，干涉若膜厚不均，干涉条纹也就不规则。条纹也就不规则。若膜厚有台阶，干若膜厚有台阶，干涉条纹出现台阶，涉条纹出现台阶，显然相邻干涉条纹显然相邻干涉条纹间相差间相差/2。电子科大薄膜物理第七章薄膜表征石英晶体振荡法石英晶体振荡法 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
6、关系，在晶片上镀膜，测频率的变化，就可求出质量膜厚。质量膜厚。电子科大薄膜物理第七章薄膜表征固有频率：固有频率：厚度方向弹性波的速度厚度方向弹性波的速度数学关系数学关系电子科大薄膜物理第七章薄膜表征若在蒸镀时石英晶体上接收的淀积厚度若在蒸镀时石英晶体上接收的淀积厚度(质量膜质量膜厚厚)为为dx，则相应的晶体厚度变化为，则相应的晶体厚度变化为薄膜密度薄膜密度电子科大薄膜物理第七章薄膜表征优点：原位测量法，引入时间的微分电路，还可优点：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，测薄膜的生长速度，灵敏度高，20Hz左右，相应左右，相应于石英的质量膜厚为于石英的质量膜厚为12埃。
7、埃。缺点：缺点：（1）只能得到平均膜厚；）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；）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；）在溅射法中测膜厚，易受电磁干扰；（4）探头温度不能超过）探头温度不能超过80。特点特点电子科大薄膜物理第七章薄膜表征电子科大薄膜物理第七章薄膜表征形貌表征形貌表征 Microscope/显微镜显微镜 Polarizing Microscopes/极化显微镜极化显微镜 phase contrast microscope/相衬度显微相衬度显微镜镜 SEM TEM原子级分辨率原子级分辨率 AFM，STM电子科大薄膜物理
8、第七章薄膜表征电子科大薄膜物理第七章薄膜表征AFMa.30minb.1hc.3hd.6h电子科大薄膜物理第七章薄膜表征dislocation电子科大薄膜物理第七章薄膜表征电子科大薄膜物理第七章薄膜表征结构表征结构表征 Diffraction XRD HEED，LEED，RHEED Neutron diffraction/中子衍射中子衍射 电子科大薄膜物理第七章薄膜表征TEM电子科大薄膜物理第七章薄膜表征电子科大薄膜物理第七章薄膜表征电子科大薄膜物理第七章薄膜表征薄膜结构薄膜结构位错，弛豫位错，弛豫晶格失配晶格失配应力应力织构织构结晶度结晶度粗糙度粗糙度厚度厚度密度密度SubstrateLaye
9、r 1Layer 2电子科大薄膜物理第七章薄膜表征薄膜内在结构薄膜内在结构单晶单晶多晶多晶无定形无定形电子科大薄膜物理第七章薄膜表征薄膜相关参数薄膜相关参数应力，弛豫，应力，弛豫，晶格失配晶格失配粗糙度粗糙度晶体取向晶体取向缺陷和晶粒大小缺陷和晶粒大小厚度厚度A CA BA BxC1-x化学组成化学组成晶格常数晶格常数abc平面结构平面结构电子科大薄膜物理第七章薄膜表征X X射线衍射仪示意图射线衍射仪示意图电子科大薄膜物理第七章薄膜表征布拉维格子布拉维格子电子科大薄膜物理第七章薄膜表征XRDXRD图谱图谱电子科大薄膜物理第七章薄膜表征薄膜织构分析薄膜织构分析电子科大薄膜物理第七章薄膜表征面内和面外取向面内和面外取向电子科大薄膜物理第七章薄膜表征薄膜组分薄膜组分 Xray fluorescence/x射线荧光分析射线荧光分析 Electron Probe Micro-analyzer 光电子能谱光电子能谱 XPS 俄歇电子能谱俄歇电子能谱 AES 卢瑟福背散射卢瑟福背散射 RBS 红外光谱红外光谱 Fourier Transform InfraredSpectrophotometer SIMS电子科大薄膜物理第七章薄膜表征卢瑟福背散射原理卢瑟福背散射原理2022-12-15电子科大薄膜物理第七章薄膜表征
