第6章薄膜材料的表征方法

1、第第6 6章章 薄膜材料的表征方法薄膜材料的表征方法薄膜的厚度直接影響著膜的使用特性，而幾乎所有的薄膜性質(zhì)都與膜厚有關(guān)。因此，不僅需要對(duì)所制得的薄膜厚度進(jìn)行精確測(cè)量，還需要在薄膜形成的過程中對(duì)其厚度進(jìn)行監(jiān)控，以便制備符合厚度的薄膜。 膜厚的測(cè)量 一. 膜厚的分類所謂薄膜是指在基板的垂直方向上所堆積的1104的原子層或分子層。在此方向上，薄膜具有微觀結(jié)構(gòu)。 厚度是指兩個(gè)完全平整的平行平面之間的距離，是一個(gè)可觀測(cè)到實(shí)體的尺寸。因此，這個(gè)概念是一個(gè)幾何概念。理想的薄膜厚度是指基片表面和薄膜表面之間的距離。由于薄膜僅在厚度方向是微觀的，其他的兩維方向具有宏觀大小。所以，表示薄膜的形狀，一定要用宏觀方法

2、，即采用長(zhǎng)、寬、厚的方法。因此，從這個(gè)意義上講，膜厚既是一個(gè)宏觀概念，又是微觀上的實(shí)體線度。由于實(shí)際上存在的表面是不平整和不連續(xù)的，而且薄膜內(nèi)部還可能存在著針孔、雜質(zhì)、晶格缺陷和表面吸附分子等，所以，要嚴(yán)格地定義和精確測(cè)量薄膜的厚度實(shí)際上是比較困難的。膜厚的定義應(yīng)根據(jù)測(cè)量的方法和目的來決定。因此，同一薄膜，使用不同的測(cè)量方法將得到不同的結(jié)果，即不同的厚度。 經(jīng)典模型認(rèn)為物質(zhì)的表面并不是一個(gè)抽象的幾何概念，而是由剛性球的原子（分子）緊密排列而成，是實(shí)際存在的一個(gè)物理概念。下圖是實(shí)際表面和平均表面的示意圖。平均表面是指表面原子所有的點(diǎn)到這個(gè)面的距離代數(shù)和等于零，平均表面是一個(gè)幾何概念。通常，將基片

3、一側(cè)的表面分子的幾何的平均表面稱為基片表面SS;薄膜上不與基片接觸的那一側(cè)的表面分子的集合的平均表面稱為薄膜形狀表面ST，將所測(cè)量的薄膜原子重新排列，使其密度和塊狀材料相同且均勻分布在基片表面上，這時(shí)的平均表面稱為薄膜質(zhì)量等價(jià)表面SM；根據(jù)測(cè)量薄膜的物理性質(zhì)等效為一定長(zhǎng)度和寬度與所測(cè)量的薄膜相同尺寸的塊狀材料的薄膜，這時(shí)的平均表面稱為薄膜物性等價(jià)表面SP。TdMdPd基 片吸附層、氧化層及其他分子的擴(kuò)散層空隙、凝聚等晶格缺陷氣孔晶粒界面形狀膜厚dT是最接近于直觀形式的膜厚。dT只與表面原子（分子）有關(guān)，并且包含著薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響；質(zhì)量膜厚dM反映了薄膜中包含物質(zhì)的多少，通常以/cm為單位，它

4、消除了薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響（如缺陷、針孔、變形等）；物性膜厚dP在實(shí)際使用上較有用，而且比較容易測(cè)量，它與薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)無直接關(guān)系，主要取決于薄膜的性質(zhì)（如電阻率、透射率等）。三種定義的膜厚往往滿足下列不等式：由于實(shí)際表面的不平整性，以及薄膜不可避免有各種缺陷、雜質(zhì)和吸附分子等存在，所以不論用那種方法來定義和測(cè)量膜厚，都包含著平均化的統(tǒng)計(jì)概念，而且所得膜厚的平均值是包括了雜質(zhì)、缺陷以及吸附分子在內(nèi)的薄膜的厚度值。TPMdddT 表1 膜厚的測(cè)試方法膜厚定義形狀膜厚質(zhì)量膜厚物性膜厚 測(cè)試手段 機(jī)械方法 光學(xué)方法 其他方法 測(cè)試方法觸針法，測(cè)微計(jì)法 多次反射干涉法，雙光線干涉法 電子顯微鏡法

5、 質(zhì)量測(cè)定法 原子數(shù)測(cè)定法 化學(xué)天平法，微量天平法，扭力天平法，石英晶體振蕩法 比色法，X射線熒光法，離子探針法，放射性分析法 電學(xué)方法 光學(xué)方法 電阻法，電容法，渦流法，電壓法 干涉色法，橢圓偏振法，光吸收法 這是一種利用改變石英晶體電極的微小厚度，來調(diào)整晶體振蕩器的固有振蕩頻率的方法。利用這一原理，在石英晶片電極上淀積薄膜，然后測(cè)其固有頻率的變化就可求出質(zhì)量膜厚。由于此法使用簡(jiǎn)便，精確度高，已在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。此法在本質(zhì)上也是一種動(dòng)態(tài)稱重法。石英晶體振蕩法石英晶體振蕩法石英晶體振蕩法測(cè)量元件石英晶體振蕩器探頭在真空室的安裝 1、石英晶體振蕩器的結(jié)構(gòu) 石英晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化

6、硅的結(jié)晶體）的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡(jiǎn)稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。 一、石英晶體振蕩器的基本原理2、壓電效應(yīng)若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)

7、又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。 二、石英晶體振蕩測(cè)量膜厚原理石英晶體的楊氏模量E0，質(zhì)量m0，固有頻率f0之間的關(guān)系為2/1000mENf2cN 是晶體密度，c是切變彈性系數(shù)N是與石英晶體的切割方式和尺寸大小有關(guān)的一個(gè)常數(shù)如果晶體表面沉積其他物質(zhì)，其質(zhì)量m0會(huì)增加，從而石英晶體的諧振頻率發(fā)生變化，則有dmmNEf2/302/10)1(21d負(fù)號(hào)表示頻率隨沉積質(zhì)量增加而

8、下降SdtKKdmdmmffm0021d設(shè)工作面積為S，薄膜密度為m此即頻率變化與膜厚變化的關(guān)系，由此可知，厚度的變化與振蕩頻率成正比。但在較大頻移下，不成正比 石英晶體振蕩器可以和微型機(jī)相連接，根據(jù)晶體振蕩頻率的變化，計(jì)算機(jī)可以方便地計(jì)算膜層的厚度，并且根據(jù)振蕩頻率隨時(shí)間的變化，即可確定薄膜的淀積速率。通過與計(jì)算機(jī)相連接的鍵盤，可以輸入要求的各層薄膜的淀積速率和厚度。然后計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸發(fā)源功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)，以控制薄膜的淀積速率。一旦厚度（即頻率的變化）達(dá)到預(yù)定值，自動(dòng)切斷蒸發(fā)源電源并關(guān)閉擋板。優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量簡(jiǎn)單，能夠在制膜過程中連續(xù)測(cè)量膜厚。缺點(diǎn)：測(cè)量的膜厚始終是在石英晶體振蕩片上的薄膜厚度。并且

9、每當(dāng)改變晶片位置或蒸發(fā)源形狀時(shí)，都必須重新校正；若在濺射法中應(yīng)用此法測(cè)膜厚，很容易收到電磁干擾。使用石英晶體振蕩器時(shí)，需要注意兩個(gè)問題：(1)石英晶體的溫度變化會(huì)造成其固有頻率的漂移切割方向線膨脹最小的方向；水冷對(duì)振蕩器進(jìn)行冷卻；減小石英片的受熱面積等。(2)沉積物的力學(xué)性能與石英晶體性能并不相同，且其有效面積也可能與石英晶片的面積有所不同，因而公式只是近似成立。所以，在使用這種方法測(cè)量薄膜厚度時(shí)，應(yīng)該采用實(shí)驗(yàn)的方法事先對(duì)實(shí)際的沉積速度進(jìn)行標(biāo)定。光學(xué)方法光學(xué)方法1、 光干涉法光干涉法如用光照射薄膜，由于空氣和薄膜的折射率不同，直接從膜表面反射回來的光線與經(jīng)過膜層從基片表面反射回來的光線就存在著

10、光程差，因此兩束光便產(chǎn)生了光的干涉,而透射進(jìn)入基片的光波也同樣會(huì)產(chǎn)生干涉。利用薄膜的光干涉來測(cè)量薄膜的厚度，目前已有一套完整的方法，如干涉色測(cè)量膜厚法和等厚干涉條紋法，也就是說的多光束干涉法，即MBI法。光的干涉條件光的干涉條件如圖所示，射入薄膜中的光束將在薄膜與襯底間的界面上的B點(diǎn)再次發(fā)生反射和折射。為簡(jiǎn)單起見，可先假設(shè)在第二個(gè)界面上，光全部被反射回來并到達(dá)薄膜表面的C點(diǎn)。在該點(diǎn)處，光束又會(huì)發(fā)生反射和折射。顯然，要想在P點(diǎn)處觀察到光的干涉極強(qiáng)，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光波長(zhǎng)的整倍數(shù)，即式中，N為任意正整數(shù)，AB、BC和AN為光束經(jīng)過的線路長(zhǎng)度，它們分別

11、乘以相應(yīng)材料的折射率即為相應(yīng)的光程，已設(shè)空氣的折射率為1，為薄膜內(nèi)的折射角，它與入射角之間滿足折射定律NhnANBCABncccos2sinsincn與此相應(yīng)，觀察到干涉極小的條件是光程差等于（N+1/2）。注意：注意： 光在不同物質(zhì)界面上反射時(shí)會(huì)發(fā)生相位移動(dòng)。因光在不同物質(zhì)界面上反射時(shí)會(huì)發(fā)生相位移動(dòng)。因此，在應(yīng)用上面的公式計(jì)算時(shí)要注意。此，在應(yīng)用上面的公式計(jì)算時(shí)要注意。 具體來說，在正入射（具體來說，在正入射（=0）的情況下，光）的情況下，光在反射回光疏物質(zhì)中時(shí)，在反射回光疏物質(zhì)中時(shí)，光的相位移動(dòng)等于光的相位移動(dòng)等于，即，即相當(dāng)于光程要移動(dòng)半個(gè)波長(zhǎng)相當(dāng)于光程要移動(dòng)半個(gè)波長(zhǎng)；光在反射回光密物光

12、在反射回光密物質(zhì)中時(shí)其相位不變。質(zhì)中時(shí)其相位不變。（1）不透明薄膜厚度測(cè)量的等厚干涉條紋法等厚干涉條紋法測(cè)量膜厚，是根據(jù)劈尖干涉原理，將平行單色光垂直照射到薄膜上，經(jīng)多次的反射干涉而產(chǎn)生鮮明的干涉條紋，然后再根據(jù)條紋的偏移，就可以求出薄膜的厚度。它是膜厚測(cè)量中普遍采用的方法之一。用這種方法測(cè)量膜厚必須把薄膜做成臺(tái)階狀，但是在一般情況下，如在整個(gè)基片上都制作薄膜并不出現(xiàn)臺(tái)階狀。即使出現(xiàn)也不明顯，因而無法進(jìn)行測(cè)量。為此要事先在被測(cè)表面上，用高反射率物質(zhì)制成具有臺(tái)階狀的薄膜作為膜厚測(cè)量用的比較片，將比較片放置在待成膜的基片附近，以使兩者在完全相同的制膜條件下形成薄膜，并用具有銳利邊緣的板遮蓋比較片的

13、一部分。 等厚干涉條紋法原理圖如果單色光照射在成膜后的比較片上，由于發(fā)生干涉，產(chǎn)生了明暗相間的平行條紋，如下圖所示，這時(shí)光在比較片上的干涉就可看到光在劈尖形狀上薄膜的干涉了。根據(jù)條紋間距L和薄膜臺(tái)階處條紋發(fā)生的位移L，以及單色光的波長(zhǎng)，并參照劈尖干涉的有關(guān)結(jié)論，可得膜厚d與它們之間的關(guān)系為所以這就是說，條紋的偏移量對(duì)條紋間隔的比值乘以半波長(zhǎng)就是臺(tái)階的高度，即薄膜的厚度。2LdL2LLd等厚干涉條紋中薄膜臺(tái)階處條紋位移用干涉法測(cè)量膜厚具有簡(jiǎn)單、快速、不損傷膜面層的優(yōu)點(diǎn)。但它要求薄膜必須具有高反射和平坦的表面才行，否則會(huì)影響所測(cè)薄膜厚度的精度。 LL光干涉法的理論基礎(chǔ)是光的干涉效應(yīng)。當(dāng)平行單色光照

14、射到薄膜表面上時(shí)，從薄膜的上、下表面反射回來的兩束光在上表面相遇后，就發(fā)生干涉現(xiàn)象。而且，當(dāng)一束光入射于薄膜上時(shí)，從膜的反射光和透射光的特性將隨薄膜厚度而變化。通過測(cè)定反映反射光或透射光特性的某個(gè)參量，即可測(cè)定薄膜的厚度。顯然，用這種方法所測(cè)量的是薄膜的光學(xué)厚度，以入射光的波長(zhǎng)作為計(jì)量單位，精確度達(dá)10。如果設(shè)膜的折射率n與塊材相同，則從光學(xué)厚度（nt）可求得薄膜的幾何厚度t。需要指出，金屬薄膜在可見光范圍內(nèi)吸收性很強(qiáng)，無法觀察出極值點(diǎn)。因此，這種方法不適用于測(cè)定或監(jiān)控金屬薄膜。(2)不透明薄膜厚度測(cè)量的等色干涉（FECO）法利用光譜儀，可以記錄到一系列滿足干涉極大條件的光波波長(zhǎng)。由光譜儀檢測(cè)

15、到相鄰兩次干涉極大的條件為：2112NNS式中，S為玻璃片與薄膜的間距；1、2是非單色光中引起干涉極大的光波波長(zhǎng)；N是相應(yīng)干涉的級(jí)數(shù)。與此同時(shí)，在薄膜臺(tái)階上下，形成N級(jí)干涉條紋的波長(zhǎng)也不相同，其波長(zhǎng)差滿足：NShSh222這樣，若由測(cè)量得出和N，即可求出臺(tái)階高度h。將上兩式結(jié)合可得：2221h非單色光非單色光光譜儀光譜儀這里不是利用顯微鏡觀察干涉條紋的移動(dòng)，而是采用光譜儀測(cè)量滿足干涉極大的光波波長(zhǎng)及波長(zhǎng)差，由此求出薄膜臺(tái)階的高度。等色干涉法測(cè)量原理圖(3) 透明薄膜厚度測(cè)量的干涉法透明薄膜的厚度也可以使用上述的等厚干涉法進(jìn)行測(cè)量，這時(shí)同樣要在薄膜表面制備一個(gè)臺(tái)階，并沉積一層金屬反射膜。但由于透

16、明薄膜的上下表面本身就可以引起光的干涉，因而也可以直接用于薄膜的厚度測(cè)量而不必預(yù)先制備臺(tái)階。由于透明薄膜的上下界面屬于不同材料之間的界面，因而在光程差計(jì)算中需要分別考慮不同界面造成的相位移動(dòng)。在薄膜與襯底均是透明的，而且它們的折射率分別為n1和n2的情況下，薄膜對(duì)垂直入射的單色光的反射率隨著薄膜的薄膜對(duì)垂直入射的單色光的反射率隨著薄膜的光學(xué)厚度光學(xué)厚度n1h的變化而發(fā)生振蕩的變化而發(fā)生振蕩，如圖所示那樣，n1不同，n2=1.5（相當(dāng)于玻璃）。對(duì)于n1n2的情況，反射極大的位置出現(xiàn)在：1412nmh式中，為單色光的波長(zhǎng)，m為任意非負(fù)的整數(shù)。對(duì)于n1n2的情況，反射極大的位置出現(xiàn)在：121nmh透

17、明薄膜對(duì)垂直入射的單色光的反射率隨薄膜光學(xué)厚度的變化曲線為了能夠利用上述原理實(shí)現(xiàn)對(duì)于薄膜厚度的測(cè)量，需要設(shè)計(jì)出對(duì)于光強(qiáng)振蕩關(guān)系的具體測(cè)量方法(1)變角度干涉（變角度干涉（VAMFO）法）法 利用單色光入射，通過改變?nèi)肷浼胺瓷浣嵌鹊霓k法來滿足干利用單色光入射，通過改變?nèi)肷浼胺瓷浣嵌鹊霓k法來滿足干涉條件的。涉條件的。在樣品角度連續(xù)變化的過程中，在光學(xué)顯微鏡下可以觀察到干涉極大和極小的交替出現(xiàn)。例如，利用式（見前面圖）NhnANBCABncccos2可得出當(dāng)襯底不透明，且其又具有一定的反射率時(shí)，光的干涉條件為：cos21nNh式中，為薄膜內(nèi)的折射角，與入射角滿足，N為干涉級(jí)數(shù)，干涉極大的條件相應(yīng)于N

18、=1，2，3等，而干涉極小則相應(yīng)于N=1/2，3/2，5/2等。這樣，利用干涉極值出現(xiàn)的角度和已知的n1，可以求出N和薄膜厚度h。sinsincn(2)等角度反射干涉（等角度反射干涉（CARIS）法）法 使用非單色光入射薄膜表面，在固定光的入射角度的情況下，用光譜使用非單色光入射薄膜表面，在固定光的入射角度的情況下，用光譜儀分析光的干涉波長(zhǎng)儀分析光的干涉波長(zhǎng) 。此時(shí)，光的干涉條件仍為：cos21nNh但此時(shí)N與均在變化，而不變，因而cos2cos2122111nNnNh式中，N1和N2為兩個(gè)干涉極值的條紋級(jí)數(shù)；1、2相應(yīng)的波長(zhǎng)。由此式中消去N1、N2后可得N為兩個(gè)干涉極值的級(jí)數(shù)差；仍為薄膜內(nèi)的

19、折射角。cos221121nNh根據(jù)薄膜對(duì)入射的單色光的反射率隨著薄膜的光學(xué)厚度根據(jù)薄膜對(duì)入射的單色光的反射率隨著薄膜的光學(xué)厚度n1h的變化而發(fā)生振蕩原理，的變化而發(fā)生振蕩原理，應(yīng)用類似于如圖的裝置，可以實(shí)現(xiàn)透明薄膜厚度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。由于在薄膜的沉積過程中，薄膜的厚度在連續(xù)不斷地變化，因而在其他條件都固定不變的條件下，將可以觀測(cè)到反射光的強(qiáng)度出現(xiàn)周期性的變化。每一次光強(qiáng)的變化對(duì)應(yīng)于薄膜厚度的變化cos21nh 這種方法在針尖上鑲有曲率半徑為幾微米的藍(lán)寶石或金剛石的觸針，使其在薄膜表面上移動(dòng)時(shí)，由于試樣的臺(tái)階引起觸針隨之作階梯式上下運(yùn)動(dòng)。再采用機(jī)械的、光學(xué)的或電學(xué)的方法，放大觸針?biāo)\(yùn)動(dòng)的距離并轉(zhuǎn)換

20、成相應(yīng)的讀數(shù)，該讀數(shù)所表征的距離即為薄膜厚度。例如，觸針鉆石探頭半徑為0.00254mm，測(cè)試時(shí)與樣品的接觸壓力約0.1g。觸針法常用的電學(xué)放大法有以下幾種：1.差動(dòng)變壓器法利用差動(dòng)變壓器法放大觸針上下運(yùn)動(dòng)的距離。由于鐵芯被觸針牽動(dòng)隨觸針上下移動(dòng)，此時(shí)，線圈2和線圈3輸出差動(dòng)電信號(hào)，放大此信號(hào)并顯示相應(yīng)于觸針運(yùn)動(dòng)距離的數(shù)值。2.阻抗放大法由于觸針上下運(yùn)動(dòng)使電感器的間隙d發(fā)生相應(yīng)的變化時(shí)，感抗隨之變化，導(dǎo)致線圈阻抗改變。再利用放大電路放大并顯示該阻抗的變化量，即可表征觸針上下運(yùn)動(dòng)的距離。3.壓電元件法壓電元件法時(shí)利用壓電材料的壓電效應(yīng)來放大并顯示觸針上下運(yùn)動(dòng)的距離。由于觸針上下運(yùn)動(dòng)，作用在壓電晶

21、體元件的壓力將隨之改變，從而導(dǎo)致元件的電參數(shù)亦隨之改變。放大并顯示該電參數(shù)的變化量，即可表征觸針上下運(yùn)動(dòng)的數(shù)值。觸針式膜厚測(cè)量法廣泛用于硬質(zhì)膜厚的測(cè)量，其精度比多光束干涉法精確。但應(yīng)注意以下幾個(gè)方面，因?yàn)樗苯佑绊懹|針法的應(yīng)用與精度。（1）由于觸針尖端的面積非常小，會(huì)穿透鋁膜等易受損傷的軟質(zhì)膜。并在其上劃出道溝，從而產(chǎn)生極大的誤差；（2）基片表面的起伏或不平整所造成的“噪聲”亦會(huì)引起誤差；（3）被測(cè)薄膜與基片之間，必須要有膜基臺(tái)階存在，才能進(jìn)行測(cè)量。 薄膜的厚度采用臺(tái)階儀進(jìn)行測(cè)量。 臺(tái)階，指所測(cè)量的膜與參考面間存在一個(gè)臺(tái)階高度,正是因?yàn)橛辛诉@個(gè)高度才可以進(jìn)行膜厚度測(cè)試。范圍可以選擇,可以精確到

22、幾十納米幾個(gè)微米。 鍍膜過程中，各條件下分別制備鍍膜時(shí)間較長(zhǎng)及膜厚較厚的臺(tái)階，利用臺(tái)階儀，測(cè)量出其厚度，并計(jì)算出相應(yīng)沉積條件下的薄膜沉積速率，進(jìn)而計(jì)算出相應(yīng)沉積條件下的其他各個(gè)不同沉積時(shí)間的薄膜厚度。 臺(tái)階儀是屬于接觸式表面形貌測(cè)量法的儀器。 測(cè)量原理：當(dāng)觸針沿被測(cè)表面輕輕滑過時(shí)，由于表面有微小的峰谷使觸針在滑行的同時(shí)，還沿峰谷作上下運(yùn)動(dòng)。觸針的運(yùn)動(dòng)情況就反映了表面輪廓的情況。傳感器輸出的電信號(hào)經(jīng)測(cè)量電橋后，輸出與觸針偏離平衡位置的位移成正比的調(diào)幅信號(hào)。經(jīng)放大與整流后，可將位移信號(hào)從調(diào)幅信號(hào)中解調(diào)出來，得到放大了的與觸針位移成正比的緩慢變化信號(hào)。再經(jīng)噪音濾波器、波度濾波器進(jìn)一步濾去調(diào)制頻率與外

23、界干擾信號(hào)以及波度等因素對(duì)粗糙度測(cè)量的影響。根據(jù)使用傳感器的不同，接觸式臺(tái)階測(cè)量可以分為電感式、壓電式和光電式3種。 電感式采用電感位移傳感器作為敏感元件，測(cè)量精度高、信噪比高，但電路處理復(fù)雜； 壓電式的位移敏感元件為壓電晶體，其靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但傳感器低頻響應(yīng)不好、且容易漏電造成測(cè)量誤差； 光電式是利用光電元件接收透過狹縫的光通量變化來檢測(cè)位移量的變化。臺(tái)階儀測(cè)量精度較高、量程大、測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠、重復(fù)性好，此外它還可以作為其它形貌測(cè)量技術(shù)的比對(duì)。但是也有其難以克服的缺點(diǎn)：由于測(cè)頭與測(cè)件相接觸造成的測(cè)頭變形和磨損，使儀器在使用一段時(shí)間后測(cè)量精度下降；測(cè)頭為了保證耐磨性和剛性而不能做得非常

24、細(xì)小尖銳，如果測(cè)頭頭部曲率半徑大于被測(cè)表面上微觀凹坑的半徑必然造成該處測(cè)量數(shù)據(jù)的偏差；為使測(cè)頭不至于很快磨損，測(cè)頭的硬度一般都很高，因此不適于精密零件及軟質(zhì)表面的質(zhì)量。 電學(xué)性質(zhì)的測(cè)量（1）四探針法測(cè)量薄膜的電阻率dIV2ln薄膜樣品恒流源數(shù)字毫伏表IVR2lnBqfB v橫向電場(chǎng)力橫向電場(chǎng)力: :洛倫茲力洛倫茲力: :0)(BqEqv當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)：當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)：dIBKUab受力分析受力分析dnqvlnqdIBUabnqRH1BEhvlEUhabBlv(霍耳系數(shù)霍耳系數(shù))SnqIvvldIBabqBfEEEqfe(方向向下方向向下)(方向向上方向向上)+（2）霍爾效應(yīng)測(cè)量半導(dǎo)體薄膜的

25、特性參數(shù)(2) 區(qū)分半導(dǎo)體材料類型區(qū)分半導(dǎo)體材料類型 霍爾系數(shù)的正負(fù)與載流子電荷性質(zhì)有關(guān)霍爾系數(shù)的正負(fù)與載流子電荷性質(zhì)有關(guān)B+abbauu ab+bauu 0K0KIIvqN 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體vq它是研究半導(dǎo)體材料性質(zhì)的有效方法它是研究半導(dǎo)體材料性質(zhì)的有效方法（濃度隨雜質(zhì)、溫濃度隨雜質(zhì)、溫度等變化度等變化）B討論討論(1) 通過測(cè)量霍爾系數(shù)可以確定導(dǎo)電體中載流子濃度通過測(cè)量霍爾系數(shù)可以確定導(dǎo)電體中載流子濃度 光學(xué)性質(zhì)的測(cè)量4006008001000020406080100 T / %wavelength / nm折射率n、光學(xué)厚度d、消光系數(shù)k、光學(xué)帶隙Eg 微結(jié)構(gòu)的測(cè)量n

26、dhklsin2k通常是0.9-1.0，還要注意單位是弧度還是度；B是半峰寬，按標(biāo)準(zhǔn)的算法，應(yīng)該有B的平方等于Bs的平方減去Bo的平方，意思是要扣除儀器本身以及標(biāo)準(zhǔn)樣品產(chǎn)生的峰寬，如果你只是需要對(duì)比的話，建議你忽略掉，直接用最強(qiáng)峰的半峰寬代入計(jì)算。cosDBk 表面形貌的測(cè)量（1）原子力顯微鏡AFM的操作原理 接觸式(ContactAFM) 非接觸式(Non-ContactAFM) 間歇接觸式(Intermittent-ContactAFM)原子力顯微鏡的分類原子間范德瓦爾斯力和距離關(guān)系恒定高度或恒定力量接觸式原子力顯微鏡接觸式AFM是一個(gè)排斥性的模式，探針尖端和樣品之間做柔軟性的“實(shí)際接觸”

27、，當(dāng)探針尖端輕輕的掃過樣品表面時(shí)，接觸的力量引起懸臂彎曲，進(jìn)而得到樣品的表面圖形。由於是接觸式掃描，在掃描樣品時(shí)可能會(huì)使樣品表面變形。經(jīng)過多次掃描后，探針或者樣品有鈍化的現(xiàn)象。非非接觸接觸式原子力式原子力顯微鏡顯微鏡 需要使用較堅(jiān)硬的懸臂（以防與樣品接觸） 所得到的信號(hào)很小，需要更靈敏的裝置 由于為非接觸狀態(tài)， 對(duì)于研究柔軟或有彈性樣品較佳 探針不會(huì)有鈍化的效應(yīng) 誤判的現(xiàn)象間接接觸式原子力顯微鏡 類似非接觸式AFM 比非接觸式更靠近樣品表面 探針有時(shí)會(huì)擊中，或輕打樣品表面 損害樣品的可能性比接觸式少（不用側(cè)面力,摩擦或拖曳） 樣品表面起伏較大的大型掃描比非接觸式更有效原子力顯微鏡之探針原子力顯

28、微鏡之解析度SEM的原理電子槍電子槍樣品電磁透鏡二次電子檢測(cè)器像CRT熒光屏（2）掃描電子顯微鏡（）掃描電子顯微鏡（SEM）掃描電鏡中的信號(hào)種類掃描電鏡中的信號(hào)種類入射電子束入射電子束透射電子透射電子電子空穴對(duì)電子空穴對(duì)背散射電子背散射電子二次電子二次電子Auger電子電子樣品電流樣品電流陰極熒光陰極熒光特征特征X射線射線掃描電鏡的應(yīng)用掃描電鏡的應(yīng)用信號(hào)種類所提供的信息二次電子二次電子高分辨的樣品表面形貌高分辨的樣品表面形貌樣品的電壓襯度樣品的電壓襯度/磁襯度和磁幬顯示磁襯度和磁幬顯示背散射電子背散射電子 表面形貌表面形貌/原子序數(shù)襯度原子序數(shù)襯度晶體取向襯度晶體取向襯度提供電子通道圖樣，確定

29、晶體取向提供電子通道圖樣，確定晶體取向吸收電子吸收電子同背散射電子同背散射電子電子空穴對(duì)電子空穴對(duì)半導(dǎo)體器件的性能半導(dǎo)體器件的性能Y陰極熒光陰極熒光表面反射和透射模式的熒光圖象表面反射和透射模式的熒光圖象特征特征X射線射線任何部位的元素分析和元素分布圖任何部位的元素分析和元素分布圖Auger電子電子樣品表面薄層中的輕元素分析和元素分樣品表面薄層中的輕元素分析和元素分布圖布圖SEM主要的性能表征主要的性能表征可分辨的兩個(gè)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)之間的最小距離可分辨的兩個(gè)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)之間的最小距離影響因素：電子束直徑影響因素：電子束直徑 樣品本身各部分之間的襯度特征樣品本身各部分之間的襯度特征 樣品中一定的取樣體積樣品中一定的取樣體積Ac：入射電子束在作光柵掃描時(shí)，在熒光屏上陰極射線：入射電子束在作光柵掃描時(shí)，在熒光屏上陰極射線同步掃描的幅度同步掃描的幅度As：入射電子束在作光柵掃描時(shí)，電子束在樣品表面掃：入射電子束在作光柵掃描時(shí)，電子束在樣品表面掃描的幅度描的幅度影響影響SEM性能的主要因素性能的主要因素掃描電