01190660薄膜材料与技术09级第5章薄膜表征.pptxVIP

5 薄膜表征5.1 薄膜的厚度/沉积速率 薄膜厚度及沉积率表征方法的主要分类：5.1.1 气相原子密度法一、测量原理 (如右图所示，与电离真空计类似)：1、气相原子进入探头 ? 灯丝热电子轰击 ? 电离；2、电场作用下：电离出的电子→阳极、离子→阴极 (收集极)；3、收集极电流 Ii 和阳极电流 Ie 满足：Ii ? nIe 沉积速率 ( ) 满足： 膜厚 D 满足： 此处：n — 气相粒子密度；? — 膜材料密度；a — 常数。二、特点：1、膜厚测量的相对误差 ≈ 10%；2、测量结果和蒸发源温度及残余气体气压有关 (分别影响 a 和 Ii )。5 薄膜表征5.1 薄膜厚度/沉积速率5.1.2 微平衡称重法1、测量原理：调整线圈电流，使薄膜增重引起的重力力矩 和线圈所产生磁场与吸铁间的磁场力达到平衡， 即可换算出薄膜质量，而薄膜厚度满足：2、特点： 灵敏度很高 ( 0.01?g)，可测单层原子膜厚。5.1.3 石英晶体振荡法1、测量原理：基于石英晶体薄片的固有振荡频率随其质量变化 而改变的物理现象，石英晶体的固有频率满足：式中：v — 厚度方向弹性波波速；Dq — 石英晶体的厚度。当薄膜沉积使其厚度发生微小变化 ?Dq 时，固有频率的变化 ?f 满足：式中：Df — 薄膜的厚度；?f — 薄膜材料的密度； A — 石英晶片的面积；?0 — 石英晶体的密度。微平衡称重法的测量原理示意图石英晶体振荡法的测量原理示意图5 薄膜表征5.1 薄膜厚度/沉积速率5.1.3 石英晶体振荡法1、测量原理： ? 由 (5-4)式可知：沉积过程中随着薄膜厚度的增加，石英晶片 的固有频率也在不断变化，测得其故有频率的变化 ?f，即可 由式 (5-5) 实时测得薄膜厚度 Df：2、特点：1）测量的灵敏度与石英晶体薄片的厚度有关，越薄越灵敏！ 由式 (5-3) 可知：Dq? ? f0? 由式 (5-5) 可知：f0? ? Df 的测量灵敏度??！ ■ 如固有频率 f0 = 6 MHz时，若频率变化的测量精度为 1 Hz，则可测得 1.2×10-8 g 的质量变化！ 此时假设基片面积为 1 cm2，沉积材料为Al，则厚度灵敏度相当于 0.05 nm ！2）应用广泛、主要用于实时测量沉积率 ? 实现镀膜过程自动控制！3）环境温度变化会造成石英晶体固有频率发生变化 ? 要求恒温环境 ? 需要冷却系统！4）式 (5-5) 只是近似成立，且薄膜的有效面积不完全等于石英片面积 ? 测量结果需要标定和校正！石英晶体振荡法的测量原理示意图5 薄膜表征5.1 薄膜厚度/沉积速率5.1.4 光学干涉法1、光的干涉条件 (不考虑半波损失)：1）什么是光的干涉：指满足一定条件的两列相干光波相遇叠加，在叠加 区域某些点的光振动始终加强、某些点始终减弱， 即干涉区域内光强产生稳定空间分布的现象。 ? 光的干涉现象是光学干涉法测量薄膜厚度的基础！2）相干光：? 概念：频率、振动方向相同，且光程差恒定的两束光； ? 获得：把同一光源发出的光束分为两束，再使之相遇！3）光程差：设薄膜的厚度和折射率分别是 Df 和 nf，入射单色光波长为 ?， 空气的折射率 n0≈1，则 P 点处反射光ADP与折-反射光CEP 间的光程差 ? 满足: 式中：? — 折射角，满足： 4）干涉条件：? 干涉极大条件 —— ? 是 ? 的整数倍，即：? = N?； ? 干涉极小条件 —— ? = (N+1/2)? ！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！光的干涉现象及其实现薄膜厚度测量的原理5 薄膜表征5.1 薄膜厚度/沉积速率5.1.4 光学干涉法2、透明薄膜的等倾干涉测量：1）测量原理：基片不透明且具有一定反射率时，光的干涉条件为：式中：N — 干涉级数；? — 光的波长； nf — 薄膜的折射率；? — 干涉极值出现的角度。 2）分析：? 薄膜的折射率 nf 已知：则直接由干涉极值出现的角度 ? 即可拟合出 N 和膜厚 D；? 如果 nf 未知：可假定一个 nf 的初始值，由一系列干涉极值出现时对应的入射角 ? 拟合出 nf。3）实际测量过程：? 利用波长 ? 已知的单色光入射到薄膜表面，并由光接收器测量反射回来的干涉光强；? 在薄膜沉积过程中，膜厚 D 在不断变化，如果沉积速率不变，将可以观测到干涉光强周期性变化；? 每次光强变化对应的膜厚变化可表示为： 由此即可推算薄膜的沉积速率和厚度。等倾干涉测量透明薄膜厚度原理课本 P234 图6.45 薄膜表征5.1 薄膜厚度/沉积速率5.1.4 光学干涉法3、不透明薄膜的等厚干涉测量：1）测量条件：? 薄膜沉积后形成台阶；? 薄膜表面放置参考玻璃片，实现半反半透。2）具体实现：? 在薄膜的台阶处