背散射电子
表面形貌，原子序数（化学成分） 衬度，晶体取向衬度，提供电子 通道图样，确定晶体取向
吸收电子
样品中吸收残余电子；图像质量欠佳， 表面形貌，原子序数衬度，晶体 只适用于某些特殊情况 取向衬度，提供电子通道图样， 确定晶体取向 价电子受激驰豫发光，信号较弱 内层电子电离，外层电子填补空位产 生驰豫电磁辐射，产生区可达mm量级 内层电子电离，驰豫过程产生的另一 能级上电离的电子产生于样品表面几 个原子层 表面反射和透射模式的荧光图像 任何部位的元素分析和元素分布 图 样品表面薄层中的轻元素分析和 元素分布图


观察显微图像的方法有：透射电子显微术、反射 电子显微术、低能电子显微术，利用微电子束扫 描而成的扫描电子显微术和1981年发明的扫描探 针显微术。材料组分分析方法主要有电子束激发 的X射线能谱、俄歇电子能谱、光电子能谱、二 次离子质谱(SIMS)、离子束的卢瑟福背散射谱等。

对薄膜材料性能进行检测的手段很多，它 们分别被用来研究薄膜的结构、组分和物 理性质。随着薄膜材料应用的多样化，其 研究手段和对象也越来越广泛。特别是对 各种微观物理现象利用的基础上，发展出 了一系列新的薄膜结构和成分的检测手段， 为对薄膜材料的深入分析提供了现实的可 能性。
30keV左右的能量的电子束在入射到样品表面之后，将
与表面层的原子发生各种相互作用，产生二次电子、背 散射电子、俄歇电子、吸收电子、透射电子等各种信号 （如图3-2）。 从图3－2中看到，入射电 子束与样品表面相互作用 可产生7种信息。其中最 常用于薄膜分析的是背散 射电子、二次电子和特征 X射线。前两种信息可用 来观测表面形貌。特别是 二次电子因它来自样品本 身而且动能小，最能反映 样品表面层形貌信息。一 般都用它观测样品形貌。 特征X射线可供分析样品 图3－2 电子束与表面原子相互 的化学组分。 作用图
3.2.1 扫描电子显微镜（SEM）分 析


SEM（Scanning Electron Microscope）是利用 聚焦电子束在试样表面按一定时间、空间顺序作 栅网式扫描，与试样相互作用产生二次电子信号 发射（或其它物理信号），发射量的变化经转换 后在镜外显微荧光屏上逐点呈现出来，得到反映 试样表面形貌的二次电子像。 扫描电子显微镜是目前薄膜材料结构研究最直接 的手段之一，主要因为这种方法既像光学金相显 微镜那样可以提供清洗直观的形貌图象，同时又 具有分辨率高、观察景深长、可以采用不同的图 象信息形式、可以给出定量或半定量的表面成分 分析结果等一系列优点。扫描电子显微镜是目前 材料结构研究的最直接的手段之一。


椭偏光谱学是一种利用线偏振光经样品反射后转变为 椭圆偏振光这一性质以获得样品的光学常数的光谱测 量方法，它区别于一般的反射透射光谱的最主要特点 在于不直接测算光强，而是从相位空间寻找材料的光 学信息，这一特点使这种测量具有极高的灵敏度。 椭偏光谱仪有多种结构，如消光式、光度式等，消光 式椭偏仪通过旋转起偏器和检偏器，对某一样品，在 一定的起偏和检偏角条件下，系统输出光强可为零。 由消光位置的起偏和检偏器的方位角，就可以求得椭 偏参数。然而，这种方法在具有较大背景噪声的红外 波段难于实现。光度式椭偏仪引入了对光强随起偏或 检偏角变化作傅立叶分析的方法，并可通过计算机对 测量过程进行控制。
荧光 特征X射线 俄歇电子
3.2.2 原子力显微镜（AFM）分析

将扫描隧道显微镜（SEM）的工作原理和 针式轮廓曲线仪原理结合起来，制成了原 子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）。这种结构首先是Binnig（诺贝尔奖 金获得者）等人在1986年提出的。这种新 型的表面分析仪器是靠探测针尖与样品表 面微弱的原子间作用力的变化来观察表面 结构，得到的是对应于表面总电子密度的 形貌。


在扫描电子显微镜中，将样品发射的特征X射线 送入X射线色谱仪或X射线能谱仪可进行化学成 份分析。 当样品的厚度小于入射电子穿透的深度时，一部 分入射电子穿透样品从下表面射出。将这一系列 信号分别接受处理后，即可得到样品表层的各种 信息。SEM技术是在试样表面的微小区域形成影 像的。下表列出了扫描电子显微镜可提供的样品 表层信息。



（1）椭偏仪法测量的基本原理 椭圆偏振测量, 就是利用椭圆偏振光通过薄膜时, 其反射和 透射光的偏振态发生变化来测量和研究薄膜的光学性质。 椭偏仪法利用椭圆偏振光在薄膜表面反射时会改变偏振状 态的现象，来测量薄膜厚度和光学常数，是一种经典的测 量方法。 光波（电磁波）可以分解为两个互相垂直的线性偏振的S波 和P波，如果S波和P波的位相差不等于p/2的整数倍时，合 成的光波就是椭圆偏振光。当椭圆偏振光通过薄膜时，其 反射和透射的偏振光将发生变化，基于两种介质界面四个 菲涅耳公式和折射定律，可计算出光波在空气/薄膜/衬底多 次反射和折射的反射率R 和折射率T。


表面粗糙度仪法又叫触针法，它是利用直径很小 的触针滑过被测薄膜的表面，同时记录下触针在 垂直方向的移动情况，并画出薄膜表面的轮廓。 这种方法长期以来就用作测定表面粗糙度的方法 之一，采用这种方法可以测量从基片到表面的高 度，即测定膜厚。 粗糙度仪的触针的头部是用金刚石磨成约2～ 10mm半径的圆弧后做成的。在触针上加有1～ 30mg的可以调节的压力。垂直位移可以通过机 械、电子或光学的方法被放大几千倍甚至一百万 倍，因而垂直位移的分辨率可以达到1nm左右。
图3-1 椭偏法测量y和Δ的原理图
椭偏仪一般包括以下几个部分:激光光源、起偏器、样品台、检偏器和光 电倍增管接收系统。图3-1所示是反射消光椭偏仪的原理图，激光光源发 出的光, 经过仪器的起偏器变成线偏振光, 通过补偿器1/4波片形成椭圆 偏振光, 然后投射到待测光学系统薄膜上,待测光学系统具有沿正交坐标 x和y轴的正交线性偏振态, 从待测光学系统射出的光, 偏振态已经发生 了变化(椭圆的方位和形状与原入射椭偏光不同) , 通过检偏器和探测器 就可以进行检测了。
设备名称：NKD-7000W光学薄膜分析系统 (NKD－7000w System Spectrophotometer)


（2）薄膜厚度的机械测量方法——表面粗糙度 仪法（台阶法） 台阶法又称为触针法，是利用一枚金刚石探针在 薄膜表面上运动，表面的高低不平使探针在垂直 表面的方向上做上下运动，这种运动可以通过连 接于探针上的位移传感器转变为电信号，再经过 放大增幅处理后，利用计算机进行数据采集和作 图以显示出表面轮廓线。这种方法能够迅速、直 观地测定薄膜的厚度和表面形貌，并且有相当的 精度，但对于小于探针直径的表面缺陷则无法测 量。另外，探针的针尖会对膜表面产生很大的压 强，导致膜面损伤。
图1
光波在单层膜上的反射与透射



若一束平行光以j0的角度斜入射到薄膜表面上，光波在空 气/薄膜界面和（或）薄膜/衬底界面反复反射和折射，计 算得到反射率R和透射率T分别是： R=[r01+r12exp(-2id)]/[1+r01r12exp(-2id)] T=[t01t12exp(-id)]/[1+r01r12exp(-2id)] d=(2pn1d/l)cosj0 式中，d和n1是薄膜厚度和折射率，r01、r12、t01、t12分别 是0、1和1、2介质（0、1、2分别代表空气、薄膜和衬底） 界面上的反射率和透射率，它们可以分别是p分量和s分量 的不同菲涅耳公式计算出来。因此，s分量和p分量的R值 可以从对应的界面上的s分量和p分量计算得到。 见：吴思诚,王祖铨.近代物理实验[M].北京:北京大学出版 社,1986.

主要缺点是： ①容易滑伤较软的薄膜并引起测量误差； ②对于表面粗糙的薄膜，其测量误差较大； ③需要事先制备带有台阶的薄膜样品； ④只能用来测量制成的薄膜的厚度，不能用 于制膜过程中的实时监控。

3.2 薄膜结构的表征


薄膜结构的表征方法（扫描电子显微镜：透射电子显微镜；X 射线衍射方法；低能电子衍射和反射式高能电子衍射） 薄膜的性能取决于薄膜的结构，因而对薄膜的结构尤其是微 观结构的表征有着非常重要的意义。而薄膜结构的研究可以 依所研究的尺度范围划分为以下三个层次： （1）薄膜的宏观形貌，包括薄膜尺寸、形状、厚度、均匀 性等； （2）薄膜的微观形貌，如晶粒及物相的尺寸大小和分布、 空洞和裂纹、界面扩散层及薄膜织构等； （3）薄膜的显微组织，包括晶粒内的缺陷、晶界及外延界 面的完整性、位错组态等。 针对研究的尺度范围，对结构的表征可以选择不同的研究手 段，如光学金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、 原子厚度的测量 薄膜厚度的测量方法主要有光学测量法和机械测 量法两种。 光学测量法不仅可以测量透明薄膜, 还可以测量 不透明的薄膜; 不仅使用方便, 而且测量精度较高, 因此得到广泛的应用。 机械测量法中应用最广的是表面台阶测试仪, 它 是通过在复合薄膜的各个层之间制备台阶, 探针 通过在台阶的滑动来测量薄膜的厚度。应用较多 的是日本的DEKTA K 系列。
表3.2 扫描电子显微镜可提供的样品表层信息
所用信号 二次电子 特点 电子能量较低，产生区域较小（即样 品表面最外层的几层原子）；图像分 辨率高 电子能量分布范围广，从几个eV到等 于入射电子的初始能量，产生区最远 可达mm量级 可提供信息 高分辨率的样品表面形貌，样品 的电压衬度，样品的磁衬度和磁 畴显示
常用薄膜厚度测量方法


薄膜厚度的测量广泛用到了各种光学方法。这是因为， 光学方法不仅可被用于透明薄膜，还可被用于不透明薄 膜；不仅使用方便，而且测量精度高。这类方法多利用 光的干涉现象作为测量的物理基础。 椭圆偏振仪原理及应用： 在椭圆偏振技术（Ellipsometry）发展起来之前，早期光 学常数的测量通常是在一定光谱范围内测量正入射样品 的反射率，然后由K-K关系分析获得材料的复折射率、复 介电函数等光学常数。在Drude和Stutt提出物理的测量 原理之后，经过人们的不懈努力，这一方法得到了不断 的完善。