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第六章 薄膜材料的表征方法
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较为广泛的方法:
薄膜的厚度测量
薄膜的形貌和结构的表征
薄膜成分的分析
薄膜附着力的测量
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薄膜厚度的光学测量方法
光学方法可被用于透明和不透明薄膜
使用方便，测量精度高
多利用光的干涉现象作为测量的物理基础
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光的干涉条件
薄膜厚度的光学测量方法
nc(AB+BC)-AN=2 nchcosθ=Nλ (N-任意正整数)
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不透明薄膜厚度测量的等厚干涉法
薄膜厚度的光学测量方法
台阶上下沉积一层高反射率的金属层
覆盖半反射半透明的平板玻璃片
单色光照射，玻璃片和薄膜之间光的反射导致干涉现象
光干涉形成极大的条件为S=1/2(N-1)λ
在玻璃片和薄膜的间距S增加ΔS＝λ/2时，将出现一条对应
的干涉条纹，间隔为Δ0。
薄膜上形成的厚度台阶也会引起光程差S的改变，因而它会
使得从显微镜中观察到的光的干涉条纹发生移动。
条纹移动Δ所对应的台阶高度应为h=Δλ/(2Δ0)
测出Δ0和Δ，即测出了薄膜的厚度
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不透明薄膜厚度测量的等色干涉法
薄膜厚度的光学测量方法
使用非单色光源照射薄膜表面
采用光谱仪测量玻璃片、薄膜间距S引起的相邻两个干涉极大
条件下的光波长λ1、λ2，以及台阶h引起的波长差Δλ
由下式推算薄膜台阶的高度
等色干涉法的厚度分辨率高于等厚干涉法，可以达到小于1nm
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透明薄膜厚度测量的干涉法
薄膜厚度的光学测量方法
原理：
在薄膜与衬底均是透明的，且折射率分别为n1、n2时，薄膜对垂直入射的单色光的反射率随着薄膜的光学厚度n1h的变化而发生振荡。
当n1> n2（n2＝，相当于玻璃）时，反射极大的位置：
h = (2m+1)λ/4n1
对于n1< n2，反射极大的条件变为：
h = (m+1)λ/2n1
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透明薄膜厚度测量的干涉法
第一种，变角度干涉法（VAMFO）
在样品角度连续变化的过程中，在光学显微镜下可以观察到干涉极大和极小的交替出现。当衬底不透明，且具有一定的反射率时，光的干涉条件为：
h=Nλ/(2n1cosθ)
由干涉极值出现的角度θ′和已知的n1，可以拟合求出N和薄膜厚度h。
缺点：必须已知波长λ时薄膜的n1。否则，就需要先由一个假设的折射率出发，并由测量得到的一系列干涉极值时的入射角θ′（θ）去拟合它。
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透明薄膜厚度测量的干涉法
第二种，等角反射干涉法（CARIS）。
使用非单色光入射薄膜表面，在固定光的入射角度的情况下，用光谱仪分析光的干涉波长λ。
干涉极大或极小出现的条件与上同，但此时N与λ均在变化，而θ不变，
h=N1λ1/(2n1cosθ)＝N2λ2/(2n1cosθ) 
h= -ΔNλ1λ2/[2n1(λ1-λ2)cosθ]
前提条件是已知薄膜的折射率n1，且不随波长λ变化。
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薄膜厚度的机械测量方法
表面粗糙度仪法
直径很小的触针滑过薄膜表面，同时记录触针在垂直方向的移动情况并画出薄膜表面轮廓。
可测量表面粗糙度，也可测量特意制备的薄膜台阶高度，得到薄膜厚度的信息。
垂直位移的分辨率最高可达1nm。
方法简单，测量直观
缺点在于：
（1）容易划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。
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