6-2013综合性实验.doc

近代物理实验（2）“三性实验”之 综合性实验： 实验五 金属薄膜电阻率随膜厚变化规律 [引言] 薄膜物理是近代物理学中的一个重要分支，是一门正在迅速发展的学科，其涉及光电子、微电子、新材料、新能源等众多应用领域与行业。当今，薄膜材料已经被广泛地应用在微电子器件、微驱动器/微执行器、微型传感器中，它是支持现代高新技术不断发展的重要材料之一。薄膜是人工制作的厚度在1微米（10-6米）以下的固体膜，“厚度1微米以下”并不是一个严格的区分定义。薄膜一般来说都是被制备在一个衬底（如：玻璃、半导体硅等）上，它的厚度（简称：膜厚）是薄膜材料的一个最为基本、最为重要的物理量，它在很大程度上决定着薄膜材料的物理特性（如，电学性质、光学性质、磁学性质、力学性质、铁电性质等）[1]，准确控制薄膜的厚度就成为制备具有优良性能的各种薄膜的关键。因此，膜厚的测量在薄膜材料的科研开发和生产中占有非常重要的地位。膜厚的测量与监控的方法主要有称重法、石英晶体振荡法、干涉法、台阶仪测量法、扫描电子显微镜观测法、断面透射电子显微镜观测法、椭圆偏振仪法、电阻测量法、Rutherford背散射法等方法，其中干涉法在设备的投入上最为经济，在测量方法上最为简便。因此，现在用干涉方法测量薄膜的膜厚的技术已被广泛地应用在科研开发和生产中。 薄膜材料的物理特性受膜厚影响的现象被称为尺寸效应[2]。尺寸效应决定了薄膜材料的某些物理、化学特性不同于通常的块体材料，也就是说，同块体材料相比，薄膜材料将具有一些新的功能和特性。因此，尺寸效应是薄膜材料（低维材料）科学中的基本而又重要的效应之一。 金属薄膜的电阻率是金属薄膜材料的一个重要的物理特性[1]，是科研开发和实际生产中经常测量的物理特性之一。通常，在实际工作中，用四探针法测量金属薄膜的电阻率。四探针法测量金属薄膜的电阻率是四端子法测量低电阻材料电阻率的一个实际的应用，并非常贴近现代高新技术的发展。 本实验使同学们了解频谱反射光学测厚法原理并学会使用FilmEtrics 20 厚度测量仪测量薄膜的厚度了解频谱反射光学测厚法原理并学会使用FilmEtrics 20 厚度测量仪测量薄膜的厚度美国进口FilmEtrics 20 厚度测量仪待测AZO薄膜样品（不同厚度的AZO样品5个） 四探针组件、SB118精密直流电流源、PZ158A直流数字电压表、具有五种不同膜厚的金薄膜材料。 四探针组件是由具有引线的四根探针组成，这四根探针被固定在一个架子上，相邻两探针的间距为3毫米，探针针尖的直径约为200微米。图1给出了四探针组件的结构示意图。 图1 四探针组件的结构示意图 SB118精密直流电流源是精密恒流源，它的输出电流在1微安（1微安=10-6安培）——200毫安（1毫安=10-3安培）范围内可调，其精度为±0.03%。PZ158A直流数字电压表是具有6位半字长、0.1微伏（1微伏=10-6伏特）电压分辨率的带单片微机处理技术的高精度电子测量仪器，分别具有200毫伏、2伏、20伏、200伏、1000伏的量程，其精度为±0.006%。 [预习提示] 1．认真读懂实验讲义； 2．查阅有关薄膜材料和薄膜技术的参考书，结合本实验的[讨论]中提出的问题，认真阅读有关薄膜电阻率部分的知识。 [实验原理] 一、薄膜厚度测量 薄膜的使用范围十分广，从几个纳米（10 ?或0.001 μmμm（人头发直径）。薄膜一般制备在衬底（如：玻璃等）上，它的厚度是薄膜材料一个最基本、最重要的物理量，它很大程度上决定着薄膜材料的物理特性（如：电学性能、光学性能、磁性能、力学性能和铁电性能等），因此薄膜厚度的测量在科研开发和生产中占有非常重要的地位。膜厚的测量方法主要有机械测量方法（台阶仪测量法、扫描电子显微镜断面分析、称重法等等）和光学测量方法（光干涉法和椭偏仪法）。 本实验主要介绍采用光学测量方法，通过测量薄膜与光的相互作用来计算薄膜的特性，包括薄膜的厚度、粗糙度和光学常数(折射率n和消光系数k)，还能由此推断出薄膜的组分和能带间隙等信息。光学测量的两个常用的类型为频谱反射法和椭圆偏振法。本实验采用的光学测厚仪是美国进口的Filmetrics 20薄膜n和k值的定义： 光学常数n和k描述了光在薄膜中的传播特性。简单的说，光在特定时间内在材料中的传播为: 其中:x为距离，λ为光的波长，n和k分别为薄膜的折射率常数和消光系数。折射率常数定义为光在真空中的传播速度与在光在材料中传播速度的比值。消光系数表征光在传播中被材料吸收程度。 频谱反射法基础： 单重干涉：当光通过两种不同材料的表面时会产生反射。材料表面反射光的量是由n和k值决定的。 如图2所示，由于材料表面反射返回空气的光能量为。设想一个简单的例子，光在一个非吸收材料(k=0)上的反射为: 。明显地，材料的n值可以