薄膜材料第六章薄膜材料的表征方法.ppt

第六章第六章 薄膜材料的表征方法薄膜材料的表征方法­薄膜材料的分析手段多种多样，本章重薄膜材料的分析手段多种多样，本章重要讨论学习几种使用较为广泛的分析表要讨论学习几种使用较为广泛的分析表征方法薄膜厚度的测量薄膜厚度的测量；；薄膜形貌和薄膜形貌和结构的表征结构的表征；；薄膜成分的分析薄膜成分的分析；；薄膜附薄膜附着力的测量着力的测量；；薄膜应力表征等薄膜应力表征等­这些薄膜特性关系到各种薄膜制备与应这些薄膜特性关系到各种薄膜制备与应用领域16.1 薄膜厚度控制及测量薄膜厚度控制及测量­根据薄膜的不同，其测量厚度的方根据薄膜的不同，其测量厚度的方法也是多种多样的法也是多种多样的­表表6.16.1列举了各种薄膜厚度测量技列举了各种薄膜厚度测量技术的应用范围合特点术的应用范围合特点2表表6.1 6.1 薄膜厚度测量方法薄膜厚度测量方法36.1.1 薄膜厚度的光学测量方法薄膜厚度的光学测量方法­光学方法多利用光学方法多利用光的干涉现象光的干涉现象作为测量作为测量的物理基础的物理基础­一、光的干涉条件一、光的干涉条件­ 首先，要研究厚度为首先，要研究厚度为h，，折射率为折射率为nc的薄膜在波长为的薄膜在波长为λ的单色光照射下形成的单色光照射下形成干涉的条件。

干涉的条件4如图如图6.1所示5­显然，在显然，在P点要观察到干涉极大，其条点要观察到干涉极大，其条件是件是直接反射回来的光束与折射后又反直接反射回来的光束与折射后又反射回来的光束之间的光程差为光波长的射回来的光束之间的光程差为光波长的整数倍­nc (AB+BC) - AN = 2nc h cosθ=Nλ (6-1)­ N :任意正整数任意正整数­ AB、、BC、、AN为光束经过的路径长度，为光束经过的路径长度，它们乘以它们乘以nc即为相应光程；即为相应光程；­θ为薄膜内的折射角，它与入射角为薄膜内的折射角，它与入射角θ’之之间满足折射定律间满足折射定律­ sin θ’=ncsin θ (6-2)6二、不透明薄膜厚度测量的等厚干涉二、不透明薄膜厚度测量的等厚干涉（（FET））和等色（和等色（FECO））干涉法干涉法­待测薄膜沉积时或沉积后在膜上如果待测薄膜沉积时或沉积后在膜上如果可以制备出一个可以制备出一个台阶台阶，就可利用等厚，就可利用等厚干涉或等色干涉法测出台阶的高度，干涉或等色干涉法测出台阶的高度，从而得到薄膜的厚度从而得到薄膜的厚度­******************************************­（一）等厚干涉法（一）等厚干涉法­ 等厚干涉法测量装置如图等厚干涉法测量装置如图6.2 a所示。

所示78­由式由式6－－1可知，出现光的干涉极大的条件为可知，出现光的干涉极大的条件为薄膜与玻璃片之间的距离薄膜与玻璃片之间的距离S引起的光程差为光引起的光程差为光波长波长λ的整数倍的整数倍­ 即即9­由于两次反射造成的相位移动之和为由于两次反射造成的相位移动之和为2π，，即即光干涉形成极大的条件为光干涉形成极大的条件为­ S＝＝0.5（（N-1) λ （（6－－4））­玻璃片与薄膜间光的反射也将导致干涉玻璃片与薄膜间光的反射也将导致干涉条纹的出现条纹的出现­ 由式由式6－－4可知，可知，S增加增加ΔS＝＝ λ／／2时，时，将出现一条对应的干涉条纹将出现一条对应的干涉条纹­ 设此类干涉条纹的间隔为设此类干涉条纹的间隔为Δ0­另外，薄膜上形成的厚度台阶也将会引另外，薄膜上形成的厚度台阶也将会引起光程差起光程差Sb所示10­ 条纹移动条纹移动Δ所对应的台阶高度为所对应的台阶高度为11­（二）等色干涉法（二）等色干涉法­使用使用非单色光源非单色光源­满足干涉极大条件的光波波长满足干涉极大条件的光波波长λλ­由光谱仪检测到相邻两次干涉极大的由光谱仪检测到相邻两次干涉极大的条件为条件为­ 2S＝＝Nλ1（（N＋＋1））λ2 （（6 6－－6 6））­其中，其中，S为玻璃片与薄膜的间距；为玻璃片与薄膜的间距； ­λ1，， λ2 是非单色光中引起干涉极大的是非单色光中引起干涉极大的光波波长；光波波长；N是相应干涉级数。

是相应干涉级数12­在薄膜台阶上下，形成在薄膜台阶上下，形成N级干涉条纹的级干涉条纹的波长的波长差满足波长的波长差满足­ N Δ λ＝＝2h =2(S + h)-2S (6-7)­这样如果测量得到这样如果测量得到Δ λ和和N，，就可求出就可求出台阶高度台阶高度h­将（将（6－－6）和（）和（6－－7）两式结合，得到）两式结合，得到13三、透明薄膜厚度测量的干涉法三、透明薄膜厚度测量的干涉法­ 透明薄膜的上下表面本身就可以引起透明薄膜的上下表面本身就可以引起光的干涉，因而光的干涉，因而可以直接测量厚度而不可以直接测量厚度而不用台阶用台阶­ 但由于薄膜的上下界面属于不同材料但由于薄膜的上下界面属于不同材料之间的界面，因而在光程差计算中需要之间的界面，因而在光程差计算中需要考虑不同考虑不同界面造成的相位移动界面造成的相位移动­ 在薄膜与衬底均是透明的，而且他们在薄膜与衬底均是透明的，而且他们的折射率分别为的折射率分别为n1和和n2的情况下，薄膜的情况下，薄膜对垂直入射的单色光的反射率随着对垂直入射的单色光的反射率随着薄膜薄膜的光学厚度的光学厚度n1h的变化而发生振荡。

的变化而发生振荡14 15对于对于n1>n2的情况下，反射极大的位置出现在的情况下，反射极大的位置出现在­式中，式中， λ为单色光的波长；为单色光的波长；m为任意非负整数为任意非负整数­在两个干涉极大之间是相应的干涉极小在两个干涉极大之间是相应的干涉极小­对于对于n1

的特性­**********************************­（一）薄膜对偏振光的反射与折射（一）薄膜对偏振光的反射与折射­ 假设薄膜的光学性质是各向同性的假设薄膜的光学性质是各向同性的­如图如图6.5所示21图图6.5 薄膜表面对偏振光的反射与折射薄膜表面对偏振光的反射与折射22­ 将处于光的入射面的偏振光分量记为将处于光的入射面的偏振光分量记为P分量分量，而垂直于入射面的偏振光分量，而垂直于入射面的偏振光分量记为记为S分量分量­ 在界面上，光的电磁场分量应满足一在界面上，光的电磁场分量应满足一定的边界条件由此，解出定的边界条件由此，解出P、、S偏振偏振光分量的光分量的反射系数反射系数r、、透射系数透射系数t各等于各等于2324对于利用反射光进行测量的椭偏仪来说，对于利用反射光进行测量的椭偏仪来说，反射光的反射光的P、、S偏振分量的反射系数比等偏振分量的反射系数比等于：于：­即反射后偏振光的两个分量的幅值与相角都即反射后偏振光的两个分量的幅值与相角都可能发生变化可能发生变化252627 仿照上面的方法，可将仿照上面的方法，可将P、、S偏振光分量的偏振光分量的反射系数之比写为反射系数之比写为­因此，因此，只要测量出薄膜对于不同偏振光分量只要测量出薄膜对于不同偏振光分量的反射系数之比的反射系数之比，就可利用式，就可利用式6-22、、6-23以以及及6-26，，求出薄膜的厚度求出薄膜的厚度h以及薄膜的折射率以及薄膜的折射率n。

椭偏仪方法就是利用的这一光学原理椭偏仪方法就是利用的这一光学原理28（二（二））椭偏仪的工作原理椭偏仪的工作原理­图图6.7是椭偏仪的一种结构示意图是椭偏仪的一种结构示意图29­工作原理：工作原理：单色光经过起偏镜单色光经过起偏镜P转变为转变为线偏振光之后，再通过线偏振光之后，再通过1／／4波长片波长片C转转变为具有一定偏振状态的椭圆偏振光，变为具有一定偏振状态的椭圆偏振光，其后，此椭圆偏振光倾斜入射到薄膜样其后，此椭圆偏振光倾斜入射到薄膜样品品S的表面，与薄膜样品发生相互作用的表面，与薄膜样品发生相互作用在此之后，使用检偏镜在此之后，使用检偏镜A和光检测仪器和光检测仪器D测得椭圆偏振光的强度测得椭圆偏振光的强度­椭偏仪方法又称为椭偏仪方法又称为偏光解析法偏光解析法­特点：特点：可以同时对透明薄膜的光学系数可以同时对透明薄膜的光学系数和厚度进行精确的测量和厚度进行精确的测量30­缺点：缺点：原理和计算比较复杂原理和计算比较复杂­ 另外，椭偏仪法不仅可以被用于另外，椭偏仪法不仅可以被用于薄膜的光学测量，还可以被用于各薄膜的光学测量，还可以被用于各种复杂环境下的种复杂环境下的薄膜生长的实时监薄膜生长的实时监测测，从而及时获得薄膜生长速度、，从而及时获得薄膜生长速度、薄膜性能等的有用信息。

薄膜性能等的有用信息­CVD方法制备方法制备GaAs薄膜时的实时薄膜时的实时监测结果监测结果31326.1.2 薄膜厚度的机械测量方法薄膜厚度的机械测量方法­一、表面粗糙度仪法一、表面粗糙度仪法­粗糙度仪法粗糙度仪法：用直径很小的触针滑过被：用直径很小的触针滑过被测薄膜的表面，同时记录下触针在垂直测薄膜的表面，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的方向的移动情况并画出薄膜表面轮廓的方法称为粗糙度仪法方法称为粗糙度仪法­这种方法不仅可以用来这种方法不仅可以用来测量表面粗糙度测量表面粗糙度，，也可以用来测量特意制备的薄膜台阶高也可以用来测量特意制备的薄膜台阶高度，从而得到度，从而得到薄膜厚度薄膜厚度的信息33­优点：优点：方法简单，测量直观方法简单，测量直观­缺点：缺点：1）容易）容易划伤较软的薄膜划伤较软的薄膜并引起测量误差；并引起测量误差；2）对于表面粗糙的薄膜，其）对于表面粗糙的薄膜，其测量误差较大测量误差较大­图图6.9 是应用表面粗糙度仪测量得到的薄膜表是应用表面粗糙度仪测量得到的薄膜表面形貌曲线面形貌曲线34（（1）表面粗糙度的算术平均值）表面粗糙度的算术平均值­（（2）表面粗糙度的均方根）表面粗糙度的均方根35二、称重法与石英晶体振荡器法二、称重法与石英晶体振荡器法­（一）称重法（一）称重法36（二）石英晶体振荡器法（二）石英晶体振荡器法­ 广泛应用于薄膜沉积过程中厚度的实广泛应用于薄膜沉积过程中厚度的实时测量。

时测量­原理：原理：基于石英晶体片的固有振动频率基于石英晶体片的固有振动频率随其质量的变化而变化的物理现象随其质量的变化而变化的物理现象­对厚度对厚度hq已知的石英晶体振片来讲，其已知的石英晶体振片来讲，其固有振动频率为固有振动频率为37石英片厚度的微小变化石英片厚度的微小变化 hq将导致其固有将导致其固有频率的变化频率的变化­ m、、ρ0、、A分别为石英片的质量增加、分别为石英片的质量增加、密度和面积密度和面积­当石英片上沉积了一层其他物质时，其当石英片上沉积了一层其他物质时，其固有频率也将有所降低，即固有频率也将有所降低，即38­hf、、ρf分别为沉积物的厚度和密度分别为沉积物的厚度和密度­因此，因此，由石英片固有频率的变化可以测量出由石英片固有频率的变化可以测量出沉积物的厚度沉积物的厚度­而且，而且，测量的灵敏度将随着石英片厚度测量的灵敏度将随着石英片厚度hq的的减小和其固有频率减小和其固有频率f0的提高而提高的提高而提高3940使用石英晶体振荡器测量薄膜厚度使用石英晶体振荡器测量薄膜厚度需要注意两个问题：需要注意两个问题：­1））石英晶体的温度变化会造成其固有石英晶体的温度变化会造成其固有频率的漂移。

频率的漂移因此，在使用它测量薄膜因此，在使用它测量薄膜厚度变化时，除了要保证膨胀系数厚度变化时，除了要保证膨胀系数最小的方向上切割石英晶片外，还需要最小的方向上切割石英晶片外，还需要采取水冷的方法对振荡器进行冷却，同采取水冷的方法对振荡器进行冷却，同时还要减小石英晶片的受热面积，防止时还要减小石英晶片的受热面积，防止真空室内的蒸发或沉积过程引起晶体温真空室内的蒸发或沉积过程引起晶体温度的波动度的波动41­2）由于）由于在晶体片上沉积物的力学性能在晶体片上沉积物的力学性能与石英晶体性能并不相同与石英晶体性能并不相同，且其，且其有效面有效面积也可能与石英晶片的面积有所不同积也可能与石英晶片的面积有所不同，，因而式因而式6－－49只是只是近似近似成立­所以，在使用这种方法测量薄膜厚度时，所以，在使用这种方法测量薄膜厚度时，应该采用实验的方法事先对实际的沉积应该采用实验的方法事先对实际的沉积速度进行标定速度进行标定426.2 薄膜结构的表征方法薄膜结构的表征方法­薄膜的性能取决于薄膜的结构和成分薄膜的性能取决于薄膜的结构和成分根据研究的尺度范围，薄膜结构的研究根据研究的尺度范围，薄膜结构的研究可以划分为以下三个层次：可以划分为以下三个层次：­（（1）薄膜的宏观形象）薄膜的宏观形象，包括薄膜的尺寸、，包括薄膜的尺寸、形状、厚度、均匀性等；形状、厚度、均匀性等；­（（2）薄膜的微观形貌）薄膜的微观形貌，如晶粒及物相尺，如晶粒及物相尺寸的大小和分布、孔洞和裂纹、界面扩寸的大小和分布、孔洞和裂纹、界面扩散层及薄膜织构等；散层及薄膜织构等；43­（（3）薄膜的显微组织）薄膜的显微组织，包括晶粒内的，包括晶粒内的缺陷、晶界及外延界面的完整性、位错缺陷、晶界及外延界面的完整性、位错组态等。

组态等­ 针对研究的尺度范围，可以选择不同针对研究的尺度范围，可以选择不同的研究手段，常用的有的研究手段，常用的有光学金相显微镜、光学金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、场扫描电子显微镜、透射电子显微镜、场离子显微镜及离子显微镜及X射线衍射射线衍射技术等随着技术等随着电子显微镜设备的普及，扫描及透射电电子显微镜设备的普及，扫描及透射电子显微镜的使用越来越广泛子显微镜的使用越来越广泛446.2.1 扫描电子显微镜扫描电子显微镜­它是目前材料结构研究的最直接的手段它是目前材料结构研究的最直接的手段之一！之一！­原因是它具有一系列优点：原因是它具有一系列优点：­（（1）可以提供清晰直观的形貌图像；）可以提供清晰直观的形貌图像；­（（2）同时具有分辨率高、观察景深长、）同时具有分辨率高、观察景深长、可以采用不同的图像信息形式；可以采用不同的图像信息形式；­（（3）可以给出定量或半定量的表面成）可以给出定量或半定量的表面成分分析结构等分分析结构等45­图图6.11是是扫描电子扫描电子显微镜的显微镜的结构示意结构示意图46­30KeVa所示47一、二次电子像一、二次电子像­二次电子是入射电子从样品表层激发出二次电子是入射电子从样品表层激发出来的来的能量最低能量最低的一部分电子（如图的一部分电子（如图6.12 b）。

这部分电子来自于样品表面这部分电子来自于样品表面最外最外层的几层电子层的几层电子­二次电子成像模式是扫描显微镜的主要二次电子成像模式是扫描显微镜的主要工作模式之一工作模式之一­（一）工作原理（一）工作原理48­c所示，这样，通过保持屏幕扫描与样品所示，这样，通过保持屏幕扫描与样品表面电子束扫描的同步，即可使屏幕图表面电子束扫描的同步，即可使屏幕图像重现样品的表面形貌，屏幕上图像的像重现样品的表面形貌，屏幕上图像的大小与实际样品的扫描面积大小之比即大小与实际样品的扫描面积大小之比即是扫描电子显微镜的放大倍数是扫描电子显微镜的放大倍数4950­ 二次电子像的突出特点二次电子像的突出特点是具有较是具有较高的分辨率，最佳分辨率可达到高的分辨率，最佳分辨率可达到5nm左右­为了防止样品上产生电荷积累而影为了防止样品上产生电荷积累而影响观察，需要样品具有一定的响观察，需要样品具有一定的导电能导电能力力对于导电性较差的样品，则可以对于导电性较差的样品，则可以采取采取喷涂一层导电性较好的喷涂一层导电性较好的C或或Au膜膜的方法，提高样品表面的导电能力的方法，提高样品表面的导电能力51二、背反射电子像二、背反射电子像­如图如图6.12 b所示，除了二次电子之外，所示，除了二次电子之外，样品表面还会将相当一部分的入射电子样品表面还会将相当一部分的入射电子反射回来。

这部分被样品表面直接反射反射回来这部分被样品表面直接反射回来的电子具有与入射电子相近的高能回来的电子具有与入射电子相近的高能量，称为量，称为背反射电子背反射电子­接收背反射电子的信号，并用其调制荧接收背反射电子的信号，并用其调制荧光屏亮度而形成的表面形貌称为光屏亮度而形成的表面形貌称为背反射背反射电子像52­ 原子对于入射电子的反射能力随着原原子对于入射电子的反射能力随着原子序数子序数Z的增大而缓慢提高因此，对的增大而缓慢提高因此，对于于表面化学成分表面化学成分存在显著差别的不同区存在显著差别的不同区域来讲，其域来讲，其平均原子序数的差别将造成平均原子序数的差别将造成背反射电子信号强度的变化背反射电子信号强度的变化，即样品表，即样品表面上原子序数大的区域将与图像中背反面上原子序数大的区域将与图像中背反射电子信号强的区域相对应射电子信号强的区域相对应­ 因此，因此，背反射电子像可以用来分辩表背反射电子像可以用来分辩表面成分的宏观差别面成分的宏观差别背反射电子像的分背反射电子像的分辨率低于二次电子像的分辨率辨率低于二次电子像的分辨率536.2.2 透射电子显微镜透射电子显微镜­透射电子显微镜的特点透射电子显微镜的特点:­（（1）电子束一般不采取扫描方式对样）电子束一般不采取扫描方式对样品的一定区域进行扫描，而是固定地照品的一定区域进行扫描，而是固定地照射在样品中很小的区域上；射在样品中很小的区域上；­（（2）透射电子显微镜的工作方式是使）透射电子显微镜的工作方式是使被加速的电子束穿过厚度很薄的样品，被加速的电子束穿过厚度很薄的样品，并在这一过程中与样品中的原子点阵发并在这一过程中与样品中的原子点阵发生相互作用，从而产生各种形式的有关生相互作用，从而产生各种形式的有关薄膜结构和成分的信息。

薄膜结构和成分的信息 54­（（3）晶体点阵对电子具有很大的散射能）晶体点阵对电子具有很大的散射能力，而且这种散射能力随着样品原子序力，而且这种散射能力随着样品原子序数的增加而提高因而，透射电子显微数的增加而提高因而，透射电子显微镜所用的样品需要减薄到很薄的厚度镜所用的样品需要减薄到很薄的厚度­透射电子显微镜的基本工作模式：透射电子显微镜的基本工作模式：­成像模式和衍射模式成像模式和衍射模式­这两种工作模式之间的转换主要依靠改这两种工作模式之间的转换主要依靠改变物镜光阑及透镜系统电流或平面成像变物镜光阑及透镜系统电流或平面成像位置来进行，如图位置来进行，如图6.13所示55中间镜的物平面和物镜中间镜的物平面和物镜的像平面重合的像平面重合，则在荧，则在荧光屏上得到一幅光屏上得到一幅放大像放大像，，这就是电子显微镜中的这就是电子显微镜中的成像操作成像操作中间镜的物平面和物镜中间镜的物平面和物镜的背焦面重合的背焦面重合，则在荧，则在荧光屏上得到一幅光屏上得到一幅电子衍电子衍射花样射花样，这就是电子显，这就是电子显微镜中的微镜中的电子衍射操作电子衍射操作56一、衍射工作模式一、衍射工作模式­工作原理过程：工作原理过程：­ 在衍射工作模式下，电子被晶体点阵在衍射工作模式下，电子被晶体点阵衍射后分成多束，包括直接透射的电子衍射后分成多束，包括直接透射的电子束和对应于不同晶体学平面的衍射束。

束和对应于不同晶体学平面的衍射束在透射电子显微镜的在透射电子显微镜的100kV以上的加速以上的加速电压下，电子具有很短的波长，根据量电压下，电子具有很短的波长，根据量子力学原理，电子波长子力学原理，电子波长λ与电子的加速与电子的加速电压电压V之间的关系：之间的关系：57­在在100kVnm这样短的电子波长使得满这样短的电子波长使得满足足布拉格衍射条件布拉格衍射条件的衍射角度的衍射角度θ很小，即很小，即透射电子束和衍射电子束之间接近于平透射电子束和衍射电子束之间接近于平行­将透射束和衍射束斑点组成的图像投影将透射束和衍射束斑点组成的图像投影到荧光屏上，就给出了晶体的衍射谱到荧光屏上，就给出了晶体的衍射谱58­图图6.14是不同薄膜材料在透射电子显微镜下的是不同薄膜材料在透射电子显微镜下的电子衍射谱电子衍射谱59二、透射电子显微像衬度的形成二、透射电子显微像衬度的形成­ 用物镜光阑选取用物镜光阑选取透射电子束或衍射电透射电子束或衍射电子束子束之中的一束就可以构成样品的形貌之中的一束就可以构成样品的形貌像样品中任何的像样品中任何的不均匀性不均匀性都将反应在都将反应在其对入射电子束的不同衍射本领上。

不其对入射电子束的不同衍射本领上不论是透射束还是衍射束，都携带了样品论是透射束还是衍射束，都携带了样品的不同区域对电子衍射能力的信息将的不同区域对电子衍射能力的信息将这一电子束成像放大之后投影在荧光屏这一电子束成像放大之后投影在荧光屏上，就得到了样品组织的透射像上，就得到了样品组织的透射像60­电子束成像的方式：电子束成像的方式：­第一种为第一种为明场像明场像只使用透射电子束，只使用透射电子束，而用光阑挡掉所有衍射束的成像方式而用光阑挡掉所有衍射束的成像方式如图如图6.13左图所示左图所示­第二种为第二种为暗场像暗场像透射电子束被光阑挡透射电子束被光阑挡掉，只用一束衍射束来成像由于暗场掉，只用一束衍射束来成像由于暗场像是由特定的衍射束形成的，因而可以像是由特定的衍射束形成的，因而可以很方便地确定产生这束衍射的晶体在整很方便地确定产生这束衍射的晶体在整个样品的位置个样品的位置­明场像和暗场像都只允许一束电子参与明场像和暗场像都只允许一束电子参与成像，成像原理不涉及不同电子束的干成像，成像原理不涉及不同电子束的干涉，因而它们又称为涉，因而它们又称为振幅衬度振幅衬度61­第三种成像方式允许第三种成像方式允许两束或多束电子参两束或多束电子参与成像。

与成像­包括透射束和衍射束在内的两束或多束包括透射束和衍射束在内的两束或多束电子将发生干涉，因而每束电子的振幅电子将发生干涉，因而每束电子的振幅和相位都将参与决定像点的亮度因此，和相位都将参与决定像点的亮度因此，这种成像方法又称为这种成像方法又称为相位衬度相位衬度­在理想的情况下，多束电子间的干涉将在理想的情况下，多束电子间的干涉将可以重现引起电子衍射的晶体点阵的周可以重现引起电子衍射的晶体点阵的周期场，这也就是高分辨率的晶体点阵像期场，这也就是高分辨率的晶体点阵像的成像原理的成像原理626.2.3 X射线衍射方法射线衍射方法­特定波长的特定波长的X射线束与晶体学平面发生射线束与晶体学平面发生相互作用时会发生相互作用时会发生X射线的衍射射线的衍射衍射衍射现象发生的条件现象发生的条件即是布拉格公式：即是布拉格公式：­ 2 d sinθ = n λ (6-51)­式中，式中， λ为入射为入射X射线的波长；射线的波长；d为相为相应晶体学面的面间距；应晶体学面的面间距； θ为入射为入射X射线射线与相应晶面的夹角与相应晶面的夹角63­收集入射和衍射收集入射和衍射X射线的角度信息及强度射线的角度信息及强度分布，可以获得晶体点阵类型、点阵常数、分布，可以获得晶体点阵类型、点阵常数、晶体取向、缺陷和应力等有关信息。

晶体取向、缺陷和应力等有关信息64­缺点：缺点：­ 由于由于X射线对物质的穿透能力较强，射线对物质的穿透能力较强，因而要产生足够的衍射强度，所需要的因而要产生足够的衍射强度，所需要的样品数量显著多于相应的电子衍射分析样品数量显著多于相应的电子衍射分析­这一方面决定了用这一方面决定了用X射线衍射方法确定射线衍射方法确定材料结构时，其材料结构时，其空间分辨本领较低空间分辨本领较低；另；另一方面，也一方面，也限制了这一技术在薄膜结构限制了这一技术在薄膜结构研究中的应用范围研究中的应用范围65解决薄膜衍射强度偏低问题的途径解决薄膜衍射强度偏低问题的途径有三条：有三条：­（（1）采用高强度的）采用高强度的X射线源；射线源；­（（2）延长测量时间，从而部分抵消强）延长测量时间，从而部分抵消强度强弱带来的问题；度强弱带来的问题；­（（3）采用掠角衍射技术采用掠角衍射技术666.2.4 低能电子衍射（低能电子衍射（LEED））和和反射式高能电子衍射（反射式高能电子衍射（RHEED））­对薄膜表面结构敏感的实时的结构表征对薄膜表面结构敏感的实时的结构表征方法­超高真空环境超高真空环境­对薄膜表面进行研究可采取两种方法：对薄膜表面进行研究可采取两种方法：­第一种方法是采用第一种方法是采用波长较长的电子束波长较长的电子束，，对应的电子束入射角和衍射角都比较大，对应的电子束入射角和衍射角都比较大，由于这时的电子能量较低，因而电子束由于这时的电子能量较低，因而电子束对样品表面的穿透深度很小。

对样品表面的穿透深度很小67­第二种方法是第二种方法是采用波长远小于晶体点阵采用波长远小于晶体点阵原子面间距的电子束原子面间距的电子束这是，对应的电这是，对应的电子入射角和衍射角均较小，因而穿透深子入射角和衍射角均较小，因而穿透深度也只限于薄膜的表层度也只限于薄膜的表层­这两种方法分别对应了低能及高能电子这两种方法分别对应了低能及高能电子的衍射方法的衍射方法­图图6.18是低能及反射式高能电子衍射方是低能及反射式高能电子衍射方法的示意图法的示意图6869­在低能电子衍射装置中，在低能电子衍射装置中，10～～1000eV的低能电子从薄膜法线方向入射，穿透的低能电子从薄膜法线方向入射，穿透薄膜表面只有零点几个纳米数量级也薄膜表面只有零点几个纳米数量级也就是说，低能电子只能感受到晶体的二就是说，低能电子只能感受到晶体的二维周期场的存在，电子束被二维的晶体维周期场的存在，电子束被二维的晶体周期场所衍射，并向空间各个方向散出周期场所衍射，并向空间各个方向散出用荧光屏接收这些电子束，就可获得表用荧光屏接收这些电子束，就可获得表面二维点阵的衍射图，从而推断薄膜表面二维点阵的衍射图，从而推断薄膜表面的原子周期排列情况。

面的原子周期排列情况­因此，因此，低能电子衍射技术是研究表面原低能电子衍射技术是研究表面原子周期结构的有效手段子周期结构的有效手段70­在高能电子衍射中，在高能电子衍射中，5～～100keV能量的能量的电子束以掠射的角度入射在薄膜表面电子束以掠射的角度入射在薄膜表面这一方法的优点在于，由于电子束是掠这一方法的优点在于，由于电子束是掠角入射的，因而衍射装置与其他设备之角入射的，因而衍射装置与其他设备之间在空间位置方面较少干扰间在空间位置方面较少干扰­利用反射式高能电子衍射方法可以很方利用反射式高能电子衍射方法可以很方便地观察到薄膜生长的各种模式便地观察到薄膜生长的各种模式­图图6.20是不同薄膜生长模式对应的高能是不同薄膜生长模式对应的高能电子衍射的示意图电子衍射的示意图71726.2.5 扫描探针显微镜扫描探针显微镜­扫描探针显微镜是近扫描探针显微镜是近20年获得迅速发展年获得迅速发展的一大类表面分析仪器的总称的一大类表面分析仪器的总称­共同特点：共同特点：利用尺寸极小的显微探针，利用尺寸极小的显微探针，在极为接近样品表面的情况下，通过探在极为接近样品表面的情况下，通过探测物质表面某种物理效应随探测距离的测物质表面某种物理效应随探测距离的变化，获得原子尺度的表面结构或其他变化，获得原子尺度的表面结构或其他方面的信息。

方面的信息73­图图6.21是扫描探针显微镜工作原理的示意是扫描探针显微镜工作原理的示意图74­扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜的原理图的原理图75­它测量的是穿越样品表面与显微探针之它测量的是穿越样品表面与显微探针之间的隧道电流的大小间的隧道电流的大小­利用隧道电流作为反馈信号，不仅可以利用隧道电流作为反馈信号，不仅可以获得样品表面形貌获得样品表面形貌 特征的信息，而且可特征的信息，而且可以获得极高的分辨率以获得极高的分辨率­nmnm­观测对象是具有一定导电能力的导体和观测对象是具有一定导电能力的导体和半导体76­原子力显微镜原子力显微镜是另一种重要的扫描探是另一种重要的扫描探针显微镜，它测量的是物质原子间的作针显微镜，它测量的是物质原子间的作用力­原理：原理：当原子间的距离减小到一定程度当原子间的距离减小到一定程度以后，原子间的作用力将迅速上升因以后，原子间的作用力将迅速上升因此，由显微探针受力的大小就可以直接此，由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度，从而获得样品换算出样品表面的高度，从而获得样品表面形貌的信息表面形貌的信息77­原子力显微镜的工作模式：原子力显微镜的工作模式：­第一种是第一种是接触模式接触模式。

­在这种模式下，显微探针与样品表面接在这种模式下，显微探针与样品表面接触，探针直接感受到表面原子与探针间触，探针直接感受到表面原子与探针间的排斥力由于探针与样品接触很近，的排斥力由于探针与样品接触很近，感受到的斥力较强，（感受到的斥力较强，（10-6~10-7N））因因而这时仪器的分辨力较高而这时仪器的分辨力较高78­第二种是第二种是非接触模式非接触模式­探针以一定的频率在距样品表面探针以一定的频率在距样品表面5~10nm的距离上振动此时，它感受的距离上振动此时，它感受到的是表面与探针间的引力，大小只有到的是表面与探针间的引力，大小只有10-12N左右因而其分辩能力较低因而其分辩能力较低它的优点在于探针不直接接触样品，对硬的优点在于探针不直接接触样品，对硬度较低的样品表面不会造成损坏，且不度较低的样品表面不会造成损坏，且不会引起样品表面的污染会引起样品表面的污染79­第三种是上述第三种是上述两种模式的结合两种模式的结合，即，即点击点击（（tapping））模式模式­探针处于上下振动状态，振幅约探针处于上下振动状态，振幅约100nm左右在每次振动中，探针与样品表面左右在每次振动中，探针与样品表面接触一次。

这种模式可以达到与接触模接触一次这种模式可以达到与接触模式相近的分辩能力式相近的分辩能力­原子力显微镜并不要求被观察的样品具原子力显微镜并不要求被观察的样品具有导电性有导电性806.3 薄膜成分的表征方法薄膜成分的表征方法­X射线能量色散谱（射线能量色散谱（EDX））­X射线波长色散谱（射线波长色散谱（WDX））­俄歇电子能谱（俄歇电子能谱（AES））­X射线光电子能谱（射线光电子能谱（XPS））­卢瑟福背散射技术（卢瑟福背散射技术（RBS））­二次离子质谱谱（二次离子质谱谱（SIMS））­其中多数方法都是其中多数方法都是基于原子在受到激发基于原子在受到激发以后，内层电子排布会发生变化并发生以后，内层电子排布会发生变化并发生相应的能量转换过程的原理相应的能量转换过程的原理816.3.1 原子内的电子激发及相应原子内的电子激发及相应的能量过程的能量过程­物质原子中内层电子的排布一般不受物物质原子中内层电子的排布一般不受物质中原子键合的影响因而，质中原子键合的影响因而，原子内层原子内层电子排布的变化以及相应的能量转换过电子排布的变化以及相应的能量转换过程程为材料的成分分析提供了基础为材料的成分分析提供了基础。

­下面分析原子内电子激发后的跃迁以及下面分析原子内电子激发后的跃迁以及相应的相应的X射线、电子发射过程射线、电子发射过程82­图图6.25（（P263））83­电子激发后，这一空的能态被填充的过电子激发后，这一空的能态被填充的过程可能存在两种情况程可能存在两种情况­第一种第一种是这一空能级被一个外层电子，是这一空能级被一个外层电子，比如比如M或或L层的电子所占据，并在电子跃层的电子所占据，并在电子跃迁的同时放出一个迁的同时放出一个X射线光子，如图射线光子，如图6.25 c所示X射线光子的能量为射线光子的能量为­ E＝＝hc/λ=Ek－－E1 （（6－－54））84­根据跃迁前电子所处的能级不同，相应根据跃迁前电子所处的能级不同，相应的的X射线能量也不同因此，根据不同的射线能量也不同因此，根据不同的跃迁能级，跃迁能级，X射线分为：射线分为：­Kα线：线：L K跃迁对应的跃迁对应的X射线；射线；­Kβ线：线：M K跃迁对应的跃迁对应的X射线；射线；­Lα线：线：M L跃迁对应的跃迁对应的X射线等­上述跃迁过程发射出的上述跃迁过程发射出的X射线波长只与射线波长只与发发射这一射线的原子种类射这一射线的原子种类有关，因此，它有关，因此，它可以被用来分析材料的组成，相应所使可以被用来分析材料的组成，相应所使用的特定波长的用的特定波长的X射线被称为射线被称为特征特征X射线射线。

85­原子序数较小的元素，只有原子序数较小的元素，只有K系谱线；系谱线；原子序数较大的元素，可以同时有原子序数较大的元素，可以同时有K系、系、L系甚至是系甚至是M系谱线系谱线86­第二种第二种是这一空能级被外层电子填充的同是这一空能级被外层电子填充的同时，发射出来的不是时，发射出来的不是X射线，而是放出另射线，而是放出另一个外层电子，如一个外层电子，如图图6.25 d所示这一能所示这一能量转换过程被称为量转换过程被称为俄歇过程俄歇过程，相应的放出，相应的放出的电子称为的电子称为俄歇电子俄歇电子，它的特征能量为，它的特征能量为­ E＝＝Ek－－E1－－E2 （（6－－55））­ E2为被放出的电子原来能级的能量为被放出的电子原来能级的能量­测量激发过程中俄歇电子的能量和数量，测量激发过程中俄歇电子的能量和数量，就可得知物质的组成，就可得知物质的组成，这是俄歇电子能谱这是俄歇电子能谱分析的基础分析的基础8788­轻元素的谱线少，重元素的谱线轻元素的谱线少，重元素的谱线数目较多数目较多­俄歇电子能量谱的能量分辨率俄歇电子能量谱的能量分辨率△△E较高，较高， △△E／／E可达可达0.2~0.5%的的水平。

水平896.3.2 X射线能量色散谱（射线能量色散谱（EDX））和和X射线波长色散谱（射线波长色散谱（WDX））­X射线能量色散谱（射线能量色散谱（EDX））简称为简称为能谱能谱仪仪一种常规成分分析仪器，被广泛安一种常规成分分析仪器，被广泛安装在扫描和透射电子显微镜上，作为材装在扫描和透射电子显微镜上，作为材料结构研究中的主要成分分析手段料结构研究中的主要成分分析手段­X射线能量色散谱仪的核心部分是一只射线能量色散谱仪的核心部分是一只反向偏置的反向偏置的Si二极管二极管它的作用是将接它的作用是将接收到的收到的X射线转换为能够被电子线路处射线转换为能够被电子线路处理的电压脉冲理的电压脉冲90­工作原理：工作原理：不同能量的不同能量的X射线光子在二射线光子在二极管中激发出不同数量的电子－空穴对，极管中激发出不同数量的电子－空穴对，后者的数量与二极管给出的电压脉冲高后者的数量与二极管给出的电压脉冲高度成正比将这些电压脉冲放大后，按度成正比将这些电压脉冲放大后，按照脉冲高度将多道分析器计数分析后，照脉冲高度将多道分析器计数分析后，就给出了入射就给出了入射X射线能量与强度的分布射线能量与强度的分布关系。

关系­由于由于Si二极管探测器的能量分辨率为二极管探测器的能量分辨率为150eV左右，因而若被分析的元素的原左右，因而若被分析的元素的原子序数很接近，或其子序数很接近，或其K系、系、L系射线能量系射线能量相近时，常造成成分分析的困难相近时，常造成成分分析的困难91­X射线波长色散谱仪（射线波长色散谱仪（WDX）），，简称波简称波谱仪它的工作原理与能谱仪很相似它的工作原理与能谱仪很相似­波谱仪的基本分析元件是一套波谱仪的基本分析元件是一套单晶分光单晶分光晶体晶体其作用是在自身旋转的同时，以其作用是在自身旋转的同时，以其晶体学平面对其晶体学平面对X射线进行衍射分光，射线进行衍射分光，从而使得闪烁计数器可以按波长记录下从而使得闪烁计数器可以按波长记录下特征特征X射线的强度射线的强度­优点：晶体分光方法的波长分辨率很高，优点：晶体分光方法的波长分辨率很高，因而仪器的能量分辨率高出上述能谱方因而仪器的能量分辨率高出上述能谱方法一个数量级法一个数量级­缺点：分析过程需要一个波长一个波长缺点：分析过程需要一个波长一个波长扫描的方式进行，因而分析速度较低扫描的方式进行，因而分析速度较低926.3.3 俄歇电子能谱（俄歇电子能谱（AES））­以电子束激发样品中元素的内层电子，以电子束激发样品中元素的内层电子，可以使该元素发射出俄歇电子；可以使该元素发射出俄歇电子；­接收、分析这些电子的能量分布，达到接收、分析这些电子的能量分布，达到分析样品成分目的的仪器称为分析样品成分目的的仪器称为俄歇电子俄歇电子能谱仪。

能谱仪­图图6.29是俄歇能谱仪的示意图是俄歇能谱仪的示意图­工作条件在工作条件在10-8Pa的超高真空下；仪器的超高真空下；仪器中配有离子枪，可以对样品表面进行离中配有离子枪，可以对样品表面进行离子溅射，以清洁样品表面或进行样品成子溅射，以清洁样品表面或进行样品成分深度分析分深度分析9394­俄歇谱仪的电子加速电压较低，只有俄歇谱仪的电子加速电压较低，只有2keV电子束打电子束打在需要分析的样品表面，激发出俄歇电子在需要分析的样品表面，激发出俄歇电子­平均逸出深度平均逸出深度，即它，即它可以穿过的物质厚度可以穿过的物质厚度的关系从的关系从曲线可以看出，曲线可以看出，当电子的能量处于几十至几百电子伏当电子的能量处于几十至几百电子伏时，电子的逸出深度最小时，电子的逸出深度最小即具有这一能量范围的俄具有这一能量范围的俄歇电子最能代表样品表面的成分歇电子最能代表样品表面的成分95­俄歇电子谱仪的分析深度只有俄歇电子谱仪的分析深度只有几个纳米几个纳米，即，即用它可以对用它可以对表面成分表面成分进行分析进行分析­为了进行成分的深度分析，可以用离子枪对为了进行成分的深度分析，可以用离子枪对样品表面进行溅射，同时探测、分析俄歇电样品表面进行溅射，同时探测、分析俄歇电子的能量分布，从而获得样品成分随溅射深子的能量分布，从而获得样品成分随溅射深度的变化曲线。

度的变化曲线­同时，采用同时，采用电子束聚焦扫描电子束聚焦扫描的方法，俄歇电的方法，俄歇电子能谱仪也可在扫描电子显微镜状态下工作子能谱仪也可在扫描电子显微镜状态下工作用该法可得到二次电子提供的用该法可得到二次电子提供的表面形貌像表面形貌像，，也可得到俄歇电子提供的也可得到俄歇电子提供的特定元素的分布像特定元素的分布像­与普通与普通X射线能量色散谱的成分分布像不同，射线能量色散谱的成分分布像不同，俄歇电子信号获得的成分分布是俄歇电子信号获得的成分分布是样品最表面样品最表面层的成分分布层的成分分布966.3.4 X射线光电子能谱（射线光电子能谱（XPS））­X射线光电子能谱仪利用射线光电子能谱仪利用能量较低的能量较低的X射线射线为激发源，通过分析为激发源，通过分析样品表面发射样品表面发射出来的具有特征能量的电子出来的具有特征能量的电子，实现样品，实现样品化学成分的分析化学成分的分析­ 在在 X射线光电子能谱仪的情况下，被射线光电子能谱仪的情况下，被激发出来的电子应该具有能量激发出来的电子应该具有能量­ E＝＝hγ－－EB （（6-56））­式中，式中， γ为入射为入射X射线的频率；射线的频率； EB 是是被激发出来的电子原来能级的能量。

被激发出来的电子原来能级的能量97­X射线光电子能谱射线光电子能谱仪常使用仪常使用轻元素轻元素如如Mg或或Al的的Kα特征特征X射线作为激发源射线作为激发源­由于由于Xmm左右­ 是是X射线光电子能射线光电子能谱的谱图谱的谱图98­X射线光电子谱的峰宽很小因此，它射线光电子谱的峰宽很小因此，它不仅可以反映不仅可以反映所研究物质的化学成分所研究物质的化学成分，，还可以反映出还可以反映出相应元素所处的键合状态相应元素所处的键合状态这是因为，参加键合的外层电子成键性这是因为，参加键合的外层电子成键性质的不同对于内层电子的能量有一定的质的不同对于内层电子的能量有一定的影响­例如，在金属态的情况下，例如，在金属态的情况下，Ti的的2p3/2能级峰位能级峰位为为454eV但在化合物状态时，外层电子的失但在化合物状态时，外层电子的失去使得内层电子被更紧的束缚于原子核，造去使得内层电子被更紧的束缚于原子核，造成同一能级峰位的位移如在成同一能级峰位的位移如在TiC、、TiN、、TiO中，峰位移至中，峰位移至455eV99AlGaAsAlGaAs晶体表面层晶体表面层GaGa的的3 3d d峰位随光电子探测器峰位随光电子探测器与样品表面夹角与样品表面夹角θθ的变化曲线。

的变化曲线­θ越大，则光电越大，则光电子逸出表面的可子逸出表面的可能性越大；相反，能性越大；相反，θ较小时，光电较小时，光电子在逸出表面的子在逸出表面的过程中衰减得厉过程中衰减得厉害，逸出的几率害，逸出的几率较小1006.3.5 卢瑟福背散射技术（卢瑟福背散射技术（RBS））­ 具有具有较高能量而质量较小较高能量而质量较小的离子在与的离子在与物质碰撞的过程中会发生散射现象，这物质碰撞的过程中会发生散射现象，这一过程称为一过程称为卢瑟福散射卢瑟福散射­ 利用这一物理现象作为探测、分析薄利用这一物理现象作为探测、分析薄膜材料的化学成分和分布的方法，称为膜材料的化学成分和分布的方法，称为卢瑟福背散射技术卢瑟福背散射技术­ 设想一束被加速到设想一束被加速到E0=2MeV能量的能量的4He＋＋a所示101­由于离子能量很高而质量又很小，因而它对物由于离子能量很高而质量又很小，因而它对物质将会具有一定的穿透能力，并且不会造成物质将会具有一定的穿透能力，并且不会造成物质本身的溅射质本身的溅射102­在穿透的同时，高能离子与物质间的相在穿透的同时，高能离子与物质间的相互作用分为两种情况：互作用分为两种情况：­第一种第一种，高能离子在远离原子核的阿地，高能离子在远离原子核的阿地方通过，并以不断激发原子周围的电子方通过，并以不断激发原子周围的电子的方式消耗自身的能量。

的方式消耗自身的能量­第二种第二种，当离子的运动轨迹接近了物质，当离子的运动轨迹接近了物质的原子核时，它与后者之间将发生经典的原子核时，它与后者之间将发生经典的弹性碰撞过程的弹性碰撞过程­ 当入射离子质量为当入射离子质量为M0，，参与散射的参与散射的原子在薄膜表面原子在薄膜表面，其质量为，其质量为M时，离子时，离子在被散射后将具有能量在被散射后将具有能量E，，并且其运动并且其运动轨迹方向将与原来的轨迹方向偏离轨迹方向将与原来的轨迹方向偏离θ角角103能量与动量守恒条件要求能量与动量守恒条件要求­式中，式中，K为运动学参数，它将为运动学参数，它将E和和E0联系起来联系起来因此，若因此，若M0、、E0、、θ固定时，固定时，可以测量被散可以测量被散射回来的离子的能量射回来的离子的能量E，，求得参与散射的表面求得参与散射的表面原子的质量原子的质量M­对于发生在薄膜内部的卢瑟福散射来讲，上对于发生在薄膜内部的卢瑟福散射来讲，上述关系仍然成立述关系仍然成立104但是，薄膜中某一元素引起的卢瑟福背但是，薄膜中某一元素引起的卢瑟福背散射能量谱对应于一定的能量区间散射能量谱对应于一定的能量区间。

­图图6.34 b是是PtSi薄薄膜造成的背散射膜造成的背散射能量谱形成过程能量谱形成过程示意图­薄膜的卢瑟福散薄膜的卢瑟福散射谱有两个能量射谱有两个能量区间E1和和E4））其中，最高其中，最高能量与表面原子能量与表面原子相对应，最低能相对应，最低能量与最内部原子量与最内部原子相对应105图图6.35 6.35 是卢瑟福背散射分析装置示意图是卢瑟福背散射分析装置示意图P273P273106­Si衬底上衬底上90nm厚度的厚度的PtSi薄膜得到的卢瑟薄膜得到的卢瑟福背散射谱福背散射谱1076.3.6 二次离子质谱（二次离子质谱（SIMS））­质谱方法是利用质谱方法是利用电离后原子、分子或原电离后原子、分子或原子基团质量不同的特点分辨其化学构成子基团质量不同的特点分辨其化学构成的方法，的方法，相应的分析仪器称为相应的分析仪器称为质谱仪质谱仪­利用质谱仪可以直接对处于气态的原子利用质谱仪可以直接对处于气态的原子或分子进行分析但对于固态物质，就或分子进行分析但对于固态物质，就需要先用特定的手段将它变为可供分析需要先用特定的手段将它变为可供分析的离子状态的离子状态­二次离子质谱二次离子质谱就是利用离子溅射手段，就是利用离子溅射手段，首先从固体的表面溅射出二次离子，再首先从固体的表面溅射出二次离子，再对它进行质量分析的仪器。

对它进行质量分析的仪器108­该仪器具有极高的检出极限，可检测的该仪器具有极高的检出极限，可检测的元素相对含量可达元素相对含量可达10-6的水平；由于离的水平；由于离子的逸出深度只有大约子的逸出深度只有大约1nm，，因此，二因此，二次离子质谱是次离子质谱是分析固体表面成分的分析固体表面成分的一种一种有效方法有效方法­二次离子质谱的缺点是谱的分析比较复二次离子质谱的缺点是谱的分析比较复杂­二次离子质谱仪的结构示意图如图二次离子质谱仪的结构示意图如图6.37所示109110­通过能量分析器的离子经过质量分析系通过能量分析器的离子经过质量分析系统，其统，其工作原理工作原理可以简述为，带有电荷可以简述为，带有电荷q、、速度为速度为v、、质量数为质量数为M的离子或离子的离子或离子团在磁感应强度为团在磁感应强度为B的磁场中的旋转半的磁场中的旋转半径径r等于等于­因而，只有满足上述条件的离子或离子因而，只有满足上述条件的离子或离子团才能通过半径确定的磁偏转系统，并团才能通过半径确定的磁偏转系统，并被检测器检出被检测器检出111­二次离子质谱仪的另一个重要指标是二次离子质谱仪的另一个重要指标是质质量分辨率量分辨率M/△△M。

比如，若要分辨的两比如，若要分辨的两种离子和离子团分别是种离子和离子团分别是31P和和30SiH，，其其质量数分别为质量数分别为30.974和和30.982这时，相应所需的质量分辨率必须要大于相应所需的质量分辨率必须要大于M/△△M＝＝3870­利用二次离子质谱不仅可以进行利用二次离子质谱不仅可以进行静态的静态的表面成分分析表面成分分析，也可以进行成分的，也可以进行成分的动态动态深度分析深度分析1126.4 薄膜附着力的测量方法薄膜附着力的测量方法­对薄膜最基本的性能要求之一就是其对对薄膜最基本的性能要求之一就是其对衬底的附着力要好衬底的附着力要好­虽然薄膜的附着力是薄膜的重要指标，虽然薄膜的附着力是薄膜的重要指标，但对它进行定量的描述却比较困难因但对它进行定量的描述却比较困难因此，薄膜附着力的测试结果一般只具有此，薄膜附着力的测试结果一般只具有定性的意义定性的意义­具有代表性的测试方法有两大类：具有代表性的测试方法有两大类：刮剥刮剥法法和和拉伸法1136.4.1 刮剥法刮剥法­a所示­刮剥法是将硬度刮剥法是将硬度较高的划针垂直较高的划针垂直置于薄膜表面，置于薄膜表面，施加载荷对薄膜施加载荷对薄膜进行划伤试验的进行划伤试验的方法来评价薄膜方法来评价薄膜的附着力。

露出的附着力露出衬底所需要的临衬底所需要的临界载荷界载荷Fc就是薄就是薄膜附着力的量度膜附着力的量度1146.4.2 拉伸法拉伸法­b所示­拉伸法利用黏结或焊拉伸法利用黏结或焊接的方法将薄膜结合接的方法将薄膜结合于拉伸棒的端面上，于拉伸棒的端面上，测量将薄膜从衬底上测量将薄膜从衬底上拉伸下来所需的载荷拉伸下来所需的载荷的大小­薄膜的附着力既等于薄膜的附着力既等于拉伸时的临界载荷拉伸时的临界载荷F与被拉伸的薄膜面积与被拉伸的薄膜面积A之比1156.4.3 薄膜附着力的其他测试方法薄膜附着力的其他测试方法­胶带剥离法胶带剥离法：将具有一定粘着力的胶带：将具有一定粘着力的胶带粘到薄膜表面，在剥离胶带的同时，观粘到薄膜表面，在剥离胶带的同时，观察薄膜从衬底上被剥离的难易程度察薄膜从衬底上被剥离的难易程度­摩擦法摩擦法：用布、皮革或橡胶等材料摩擦：用布、皮革或橡胶等材料摩擦薄膜表面，以薄膜脱落实所需的摩擦次薄膜表面，以薄膜脱落实所需的摩擦次数和力的大小推断薄膜附着力的强弱数和力的大小推断薄膜附着力的强弱­超声波法超声波法：用超声波的方法造成周围介：用超声波的方法造成周围介质发生强力的振动，从而在近距离对薄质发生强力的振动，从而在近距离对薄膜产生破坏效应，根据薄膜发生剥落时膜产生破坏效应，根据薄膜发生剥落时的超声波的能量水平推断薄膜的附着力。

的超声波的能量水平推断薄膜的附着力116­离心力法离心力法 ：使薄膜与衬底一起进行高：使薄膜与衬底一起进行高速旋转，在离心力的作用下，使薄膜从速旋转，在离心力的作用下，使薄膜从衬底上脱开，用旋转的离心力来表征薄衬底上脱开，用旋转的离心力来表征薄膜的附着力膜的附着力­脉冲激光加热疲劳法脉冲激光加热疲劳法：利用薄膜与衬底：利用薄膜与衬底在脉冲激光作用下周期性地热胀冷缩，在脉冲激光作用下周期性地热胀冷缩，使薄膜与衬底不断弯曲变形，从而引起使薄膜与衬底不断弯曲变形，从而引起界面疲劳和造成薄膜脱离时单位薄膜面界面疲劳和造成薄膜脱离时单位薄膜面积上所吸收的激光能量来表征薄膜的附积上所吸收的激光能量来表征薄膜的附着力1176.5 薄膜应力表征薄膜应力表征­薄膜应力是薄膜重要的力学性质，它对薄膜应力是薄膜重要的力学性质，它对薄膜的实际应用影响很大薄膜的实际应用影响很大­薄膜应力可分为薄膜应力可分为外应力外应力和和内应力内应力­外应力包括：外界所施加的应力；基片外应力包括：外界所施加的应力；基片和薄膜热膨胀不同所导致的应力；薄膜和薄膜热膨胀不同所导致的应力；薄膜与基片共同受到塑性变形所引起的应力与基片共同受到塑性变形所引起的应力。

­内应力则是薄膜的内禀性质，它形成的内应力则是薄膜的内禀性质，它形成的主要原因是薄膜生长中的热收缩、晶格主要原因是薄膜生长中的热收缩、晶格错配或杂质的存在、相变、表面张力等错配或杂质的存在、相变、表面张力等因素118­应力一般形式有轴向应力、轴向压力、双轴应力一般形式有轴向应力、轴向压力、双轴张力和静水压力以及纯切应力张力和静水压力以及纯切应力­应力应力σ定义定义为作用在某一材料单位面积上的力，为作用在某一材料单位面积上的力，单位单位N /m2或或Pa，，即：即：­ σ＝＝F/A­式中，式中，F F为作用在薄膜材料上的力；为作用在薄膜材料上的力；A A为面积；当为面积；当σ>0σ>0时，此时应力为时，此时应力为拉应力拉应力；当；当σ<0σ<0时，此时应力为时，此时应力为压应压应力力­由于薄膜与基片的热膨胀系数不同，形成薄由于薄膜与基片的热膨胀系数不同，形成薄膜时，热应力是不可避免的膜时，热应力是不可避免的­假设沉积薄膜与基片的热膨胀系数假设沉积薄膜与基片的热膨胀系数αf和和αs已已知，则薄膜的热应变为：知，则薄膜的热应变为：119­对于在厚基片上沉积薄膜所出现的双轴应力对于在厚基片上沉积薄膜所出现的双轴应力（如图（如图5-71），假设沿垂直于基片平面的方），假设沿垂直于基片平面的方向无应力向无应力σz=0，，而而x、、y方向薄膜呈现各项同方向薄膜呈现各项同性，则有性，则有Ex=Ey=ε，，从而从而σx=σy=σ，，应力应应力应变存在如下关系：变存在如下关系：120­图图5-71121­图图5-72122­对于基片弯曲情况，如图对于基片弯曲情况，如图5-72所示，假所示，假设薄膜厚度设薄膜厚度tf远小于基片厚度远小于基片厚度ts，，薄膜所薄膜所受应力为：受应力为：123­如果薄膜与基片的弯曲情况如图如果薄膜与基片的弯曲情况如图5-73(a) 所示，则薄膜所示，则薄膜所受到的应力为所受到的应力为压应力压应力，此时薄膜趋向于膨胀。

此时薄膜趋向于膨胀­如果薄膜与基片弯曲情况如图如果薄膜与基片弯曲情况如图5-73(b)所示，薄膜所受所示，薄膜所受应力为应力为拉应力拉应力，此时薄膜趋向于收缩此时薄膜趋向于收缩­当薄膜受压应力作用时，薄膜一般会起皱、起泡和剥离；当薄膜受压应力作用时，薄膜一般会起皱、起泡和剥离；而受拉应力时，会出现裂纹直至断裂而受拉应力时，会出现裂纹直至断裂124薄膜应力的测量方法薄膜应力的测量方法­两种：两种：直接测量薄膜变形量直接测量薄膜变形量δ方法方法和和间接间接X射射线衍射测量方法线衍射测量方法­从基片的应变量求得薄膜变形量的方法：从基片的应变量求得薄膜变形量的方法： （（1）把基片一端固定，求出膜生长时产生的）把基片一端固定，求出膜生长时产生的自由端位移自由端位移δ；；­（（2））使用圆形基片，从牛顿环的移动量使用圆形基片，从牛顿环的移动量 求求出出δ；；­（（3））将基片一端固定，在膜生长时，在基片将基片一端固定，在膜生长时，在基片自由端加力，测出阻止基片变形所需力的大自由端加力，测出阻止基片变形所需力的大小；小；125­（（4）触针法，在一定方向上移动触针，）触针法，在一定方向上移动触针，测得薄膜沉积前后基片的变形量；测得薄膜沉积前后基片的变形量；­（（5）单狭缝衍射法，将基片一端做成）单狭缝衍射法，将基片一端做成单狭缝，把平行光照射在单狭缝上，测单狭缝，把平行光照射在单狭缝上，测量衍射光的强度，则由强度量衍射光的强度，则由强度I和狭缝宽度和狭缝宽度δ的函数关系确定的函数关系确定δ。

­另外测量方法还有光断面显微镜法、干另外测量方法还有光断面显微镜法、干涉仪法、全息摄影法等涉仪法、全息摄影法等­确定薄膜应力最常用的方法就是利用确定薄膜应力最常用的方法就是利用Stoney方程，因为薄膜的厚度和基片方程，因为薄膜的厚度和基片的弯曲半径很容易得到的弯曲半径很容易得到126­利用利用X射线衍射有两种方法来测量薄膜射线衍射有两种方法来测量薄膜应力­一种一种方法是改变方法是改变X射线入射角，同时改射线入射角，同时改变探测器的方向，观测正反射方向的衍变探测器的方向，观测正反射方向的衍射图形；射图形；­另一种另一种方法是方法是X射线的入射角保持一定，射线的入射角保持一定，改变探测器方向观测衍射线图形改变探测器方向观测衍射线图形­对于第一种方法，首先使样品旋转对于第一种方法，首先使样品旋转θ角，角，同时将探测器旋转同时将探测器旋转2θ角，探测正反射方角，探测正反射方向上的衍射图形向上的衍射图形127128­对于第二种方法，相对于薄膜样品采用两个对于第二种方法，相对于薄膜样品采用两个入射角，测定（入射角，测定（hkl））面的面间距，即固定面的面间距，即固定X射线的准直仪方向，将探测器置于衍射角的射线的准直仪方向，将探测器置于衍射角的方向上。

首先调整入射角到某一值，使在平方向上首先调整入射角到某一值，使在平行于基片底面的（行于基片底面的（hkl））发生衍射，测定衍射发生衍射，测定衍射角角ψ0，，由布拉格公式确定面间距由布拉格公式确定面间距d0，，随后将随后将探测器旋转一适当角度，测出不平行于基片探测器旋转一适当角度，测出不平行于基片底面的（底面的（hkl））面上衍射角面上衍射角ψhkl，，求得面间距求得面间距dhkl，，膜的内应力膜的内应力σ为为129。