Lecture精密顯微技術(shù)演示文稿

Lecture精密顯微技術(shù)演示文稿目前一頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點Lecture精密顯微技術(shù)目前二頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點精密顯微技術(shù)目前三頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點納米輪廓測量技術(shù)觸針法機械觸針(電感\(zhòng)電容\光學(xué))電子觸針(STM/AFM)光學(xué)觸針(象散法\臨界角法\雙焦距法)干涉圖象處理法靜態(tài)(三角法(光切),靜態(tài)干涉,掃描電鏡)動態(tài)比較法電容法光學(xué)散射光強光纖光強琺瑯和費法目前四頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點表面粗糙度與表面微觀形貌表面粗糙度與表面微觀形貌都是表征表面特性的物理量，同屬于幾何量測量。表面粗糙度是表征表面微觀特性的綜合性指標(biāo)，它強調(diào)的是表面由于微觀結(jié)構(gòu)的不同所體現(xiàn)出來的對外特性的變化；表面粗糙度測量獲得的是表面二維測量信息。表面微觀形貌是關(guān)于表面內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的表征物理量。表面微觀形貌需要獲得的是表面三維信息。目前五頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點表面微觀形貌測量分析發(fā)展概況1970年，D.J.Grieve等基于Talysurf儀設(shè)計了一個系統(tǒng)，它可以以間距7.5μm和15μm記錄接近平行的輪廓。所記錄的輪廓通過模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入計算機，產(chǎn)生一些參數(shù)和等高圖。80年代初單板機的出現(xiàn)，使得三維表面形貌測量分析重新復(fù)蘇。開始時大多都是在二維輪廓儀測量原理的基礎(chǔ)上，加一縱向移動導(dǎo)軌，再配計算機而構(gòu)成。80年代G.Binnig和H.Rohrer發(fā)明的STM和AFM，以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展的各種SPM技術(shù)。近幾年非接觸式光學(xué)干涉儀、光斑法、光散射和X射線干涉等技術(shù)的發(fā)展，使得三維微觀形貌測量儀更加商品化和實用化。目前六頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點表面微觀形貌的表征方法圖形表征方法等高圖

具有相同高度的點用直線或曲線連接，并用線性插值求找其余的交叉點。投影圖 數(shù)據(jù)點的有效表示是基于等軸的或正視的投影。每點用直線或曲線與它的鄰近點內(nèi)接，去掉一些隱藏線以簡化視覺。

參數(shù)表征方法幅度參數(shù)空間參數(shù)綜合參數(shù)功能參數(shù)目前七頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點機械探針式測量方法概述

機械探針測量方法是開發(fā)較早、研究最充分的一種表面輪廓測量方法。測量原理

它利用機械探針接觸被測表面，當(dāng)探針沿被測表面移動時，被測表面的微觀凹凸不平使探針上下移動，其移動量由與探針組合在一起的位移傳感器測量，所測數(shù)據(jù)經(jīng)適當(dāng)?shù)奶幚砭偷玫搅吮粶y表面的輪廓。目前八頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點機械探針測量原理示意圖

目前九頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點分辨率、測量范圍及其局限性分辨率 縱向：0.1nm

橫向：0.05μm-0.25μm測量范圍 較大局限性 不宜用于測量銅、鋁等軟金屬表面或涂有光刻膠等薄膜的表面目前十頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點光學(xué)干涉的測量的基本原理和構(gòu)成邁克爾遜干涉儀干涉顯微鏡單頻激光干涉測距儀缺點:

通過干涉條紋判讀光波衍射極限的影響(橫向)目前十一頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點激光干涉測長技術(shù)(單頻)目前十二頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點光學(xué)外差干涉顯微技術(shù)外差技術(shù)----通過載波調(diào)制,直接測相的一種技術(shù)調(diào)制方式:雙波長(氣體吸收,半導(dǎo)體外腔等)雙頻(塞曼分裂,石英晶體頻率分裂)聲光調(diào)制波長調(diào)制參考面振動測量面振動目前十三頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點微分干涉儀原理

目前十四頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點微分干涉儀微分干涉相稱顯微鏡又稱Nomarski顯微鏡，由法國人Nomarski在1955年提出的。其基本原理如圖所示，偏振光通過Wollaston棱鏡，分成兩束在物體表面反射，再通過棱鏡變成橢圓偏振光，其中包含了物體的形貌信息。對橢圓偏振光進行分析就能得到物體的形貌信息。目前十五頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點Nomarski顯微鏡目前十六頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點微分干涉儀目前十七頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點對光電元件接收到的信號放大后，進行加減相除運算其中光點的直徑和兩光點之間的間隔由所用的聚焦物鏡決定目前十八頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點特點：共光路干涉儀，機械振動影響小共模抑制信號處理精度主要取決標(biāo)定時的參考高度基準(zhǔn)，還有被測表面反射率變化引起的光學(xué)相位變化高度分辨力由系統(tǒng)電噪聲和數(shù)字系統(tǒng)的量化精度決定空間分辨力由物鏡的焦距和采樣間隔決定可以測量反射率較低的表面目前十九頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點相移技術(shù)原理目前二十頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點參考面振動/測量面振動外差干涉技術(shù)目前二十一頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點TOPO系統(tǒng)光路原理圖目前二十二頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點干涉光束的相位差包含兩項，一項是反映工件表面的微觀不平度的初始相位，另一項是移項器附加的相位。由于采用的是直接測量相位以獲得表面的微觀形貌，因此可直接得到輪廓曲線。光電探測器感知的光強為：目前二十三頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點通過對多組步長的數(shù)據(jù)進行分析可得可見該方法對背景光強的不均勻不敏感，而且不受干涉光強調(diào)制信號的影響，條紋對比度很低也能有較好的效果

目前二十四頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點雙頻外差干涉技術(shù)目前二十五頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點雙頻外差干涉技術(shù)目前二十六頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點聲光調(diào)制外差干涉技術(shù)目前二十七頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點半導(dǎo)體激光波長調(diào)制外差干涉技術(shù)目前二十八頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點象散法顯微測量技術(shù)目前二十九頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點基于臨界角法的測試技術(shù)目前三十頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點（四）掃描電子顯微鏡測量方法測量原理 利用聚焦電子束作為電子探針，探針掃描被測表面時，二次電子從被測表面激發(fā)出來，二次電子的強度與被測表面形貌有關(guān)，因此利用探測器測出二次電子的強度，便可處理出被測表面的幾何形貌。分辨率

縱向：10nm

橫向：2nm目前三十一頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點基于光散射光強檢測法測試技術(shù)目前三十二頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點基于琺瑯和費法的測試技術(shù)目前三十三頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點三角法光學(xué)測試技術(shù)目前三十四頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點其他方法X射線干涉測量技術(shù)目前三十五頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點FOCODYN光學(xué)探針目前三十六頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點微米/納米測試分析技術(shù)微米/納米結(jié)構(gòu)的成分分析微米/納米顯微術(shù)微米/納米結(jié)構(gòu)的缺陷分析掃描探針顯微鏡技術(shù)目前三十七頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點微米/納米結(jié)構(gòu)的成分分析

質(zhì)譜技術(shù)

SIMS是一種很靈敏的表面成分分析工具。它用一次離子束轟擊表面，將樣品表面的原子濺射出來成為帶電的離子，然后用磁分析器或四極濾質(zhì)器所組成的質(zhì)譜儀分析離子的質(zhì)／荷比，便可知道表面的成分。進行微區(qū)成分分析的質(zhì)譜二次離子分析工具可稱為離子顯微鏡。目前三十八頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點微米/納米結(jié)構(gòu)的成分分析俄歇納米探針

俄歇電子能譜是一種極為常用的表面成分分析方法，它雖然靈敏度不如SIMS，但它可以做定量或半定量分析，并且對樣品的破壞性也比SIMS來得小用能量為n個KeV的一次電子束入射到固體表面，它會激發(fā)表面原子的某一殼層電子電離（例如K殼層），而在該殼層上留下一個空穴無輻射躍遷，即將這部分能量去激發(fā)另一電子殼層中的另一個電子，使它脫離固體表面，這個電子就是俄歇電子各種元素都有自己對應(yīng)的俄歇躍遷峰能量，因而根據(jù)俄歇電子能譜便可知道元素的種類，進行成份鑒定目前三十九頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點微米/納米結(jié)構(gòu)的成分分析質(zhì)子感生X熒光和核子探針質(zhì)子感生X熒光（PIXE）是利用加速器進行成分分析的一種方法。利用靜電加速器產(chǎn)生的質(zhì)子束打到樣品表面，質(zhì)子的能量足以使得原子的能級電離，該能級的退激發(fā)過程可以是較高能級處的電子躍遷下來填補空位，而將多余的能量以X熒光發(fā)射出來，這種特征X射線可以作為元素識別的標(biāo)記為了微區(qū)分析的目的，要將質(zhì)子束的束斑減小，并使它在樣品表面掃描，成為一種獲得元素分布的測量器件，稱之為核子微探針或核子顯微鏡目前四十頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點微米/納米顯微術(shù)

掃描電子顯微鏡與透射電子顯微鏡正電子再發(fā)射顯微鏡軟X射線顯微鏡掃描光聲顯微鏡目前四十一頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點掃描電子顯微鏡與透射電子顯微鏡掃描電子顯微鏡由電子槍、聚光鏡、物鏡、電子束偏轉(zhuǎn)線圈和信號探測系統(tǒng)等組成。電子束經(jīng)聚光鏡、物鏡聚焦到厚樣品表面，最小束斑直徑可達(dá)nm量級。電子進入樣品后，經(jīng)過復(fù)雜的散射過程，可產(chǎn)生二次電子、背散射電子、X射線、俄歇電子和陰極發(fā)光等，有一部分電子被樣品所吸收，背散射電子和二次電子的產(chǎn)生均與樣品表面的性質(zhì)有關(guān)，因而不同的元素或不同的結(jié)構(gòu)，所得到的背散射電子或二次電子的襯度是不同的。讓電子束在樣品表面掃描，用閃爍晶體和光電倍增管作為二次電子探測器，或用固體探測器探測背散射電子，便可得到SEM像。目前四十二頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點正電子再發(fā)射顯微鏡

它是1984年美國橡樹嶺國家實驗室的Hulett等人首先提出的。它的基本思想是用能量為1一10KeV的正電子束射到樣品上，經(jīng)過非彈性碰撞，失去大部分能量，其中有一部分正電子會從樣品表面逸出（再發(fā)射），能量約為1eV，經(jīng)加速和成像系統(tǒng)放大，由通道式電子倍增器系統(tǒng)接收后在熒光屏上成像。樣品的結(jié)構(gòu)、取向和成分的不均勻都會造成正電子再發(fā)射率的變化，從而在像上引起襯度。晶體中的缺陷（如位錯、空位或晶界等）能捕獲正電子，也會在像上顯示出襯度。正電子再發(fā)射顯微鏡（PRM）也有反射式和透射式兩類目前四十三頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點軟X射線顯微鏡

用X射線代替可見光做光學(xué)顯微鏡，顯然會以使分辨率得到很大提高。X射線與物質(zhì)相互作用的特點使它能適用于較厚的樣品，并且在輻射損傷允許的劑量下分辨率仍可達(dá)到10nm左右目前四十四頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點掃描光聲顯微鏡

它所依據(jù)的原理是光聲效應(yīng)（或光熱效應(yīng)）。將一束激光照射到樣品（透明或不透明），光能的全部或一部分被樣品所吸收，樣品中的原子便處于激發(fā)態(tài)。通過無輻射的退激發(fā)過程，將吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能。如果對光束的強度進行調(diào)制（一般使用頻率為幾十到幾百Hz的斬波器），則樣品上產(chǎn)生的熱流成為周期性的聲信號，其頻率與光調(diào)制頻率相同，而它的振幅和位相則取決于樣品材料的特性。將樣品放在一個光聲盒中，用微音器來接收所產(chǎn)生的聲信號，這樣便得到了光聲效應(yīng)目前四十五頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點微米/納米結(jié)構(gòu)的缺陷分析激光掃描層析技術(shù)（LST）納米激光雷達(dá)納米輪廓測量術(shù)目前四十六頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點激光掃描層析技術(shù)（LST）

原理是：利用激光束在透明或半透明的樣品中受到缺陷的散時，讓激光束在樣品的一個平面內(nèi)掃描，在垂直于這個平面的方向收集散射光，就可以得到一幅缺陷的圖象。改變激光束掃描平面在樣品內(nèi)的深度，就可獲得反映缺陷分布的層析圖樣。

Si、GaAs等半導(dǎo)體在波長大于0．8～1.2m時是透明的，可以用一個近紅外1.06um的YAG激光作為掃描光源，并用一個近紅CCD傳感器接收后,送到微處理器處理目前四十七頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點納米激光雷達(dá)

對于表面層的厚度只有是零點幾微米（如離子注入層）,或幾個微米（如多層膜結(jié)構(gòu)），我們可以用激光進行探測和測量其距表面的距離，它能夠探測納米級的聚積物，并且又能定出其深度的位置達(dá)到納米級的分辨率。該方法被稱之為納米激光雷達(dá)。測試方法其實是簡便的，基本上是光學(xué)顯微術(shù)，照明是暗場透射，同時采用高數(shù)值孔徑（NA＝0．9）的物鏡以獲得很小的景深。對相應(yīng)的縱深截面測量作外推，得出高分辨率的深度測量目前四十八頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點

納米輪廓測量術(shù)

觸針式輪廓儀（或稱臺階儀）輪廓儀靠的是機械的方法，它雖然很直觀簡便，但對樣品表面有破壞作用，而且有時重復(fù)性很差。干涉相襯顯微鏡

干涉相襯顯微鏡則是一種快速、高分辨率和非破壞性的方法目前四十九頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點掃描探針顯微鏡技術(shù)

掃描隧道顯微鏡原子力顯微鏡其它掃描顯微鏡目前五十頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點

利用STM測量表面微觀形貌目前五十一頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點掃描隧道顯微鏡目前五十二頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點STM的優(yōu)點

（1）具有原子級的極高分辨率。平行和垂直于表面方向的分辨率分別可達(dá)1和0.1，即可以分辨出單個原子。（2）可實時地得到在實空間中表面的三維圖象，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)。這種可以實時觀測的性能非常有利于對表面反應(yīng)、擴散等動態(tài)過程的研究。（3）可以得到單原子層表面的局部結(jié)構(gòu)，而不是對體相的平均性質(zhì)。因此可以直接觀測到局部的表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置，以及由吸附體引起的表面重構(gòu)等。（4）可在真空、大氣、常溫、低溫等不同條件下工作，甚至樣品可浸在水、電解液中。這些特點非常適用于研究生物樣品和在不同實驗條件下對樣品表面的表征，例如對催化機理、超導(dǎo)材料的超導(dǎo)機制、電化學(xué)反應(yīng)過程中電極表面變化的監(jiān)測等。（5）在獲得樣品表面形貌的同時，亦可得到掃描隧道譜（STS），可用它研究表面的電子結(jié)構(gòu)，如表面價電子軌道狀態(tài)、表面電子陷阱、電荷密度波、表面勢壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等。（6）用STM針尖可以操縱單個的原子或分子，可對表面進行納米尺度上的微米/納米加工。目前五十三頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點利用AFM測量表面微觀形貌AFM的基本原理： 基于探針與樣品之間的原子相互作用力，探針置于懸臂梁上，利用光學(xué)杠桿法或位移傳感器測出懸臂梁在原子力作用下的變形，便可測出被測表面的形貌。目前五十四頁\總數(shù)五十九頁\編于十四點AFM的三種工作模式——接觸模式

AFM探針與物體表面發(fā)生極其輕微的“物理接觸”，探針受到排斥力。探針的懸臂具有非常低的彈簧系數(shù)(0.6～2.8N/