电子薄膜的电子探针能谱分析技术研究

论文摘要

对于电子薄膜材料研究,薄膜的微观结构、成分和厚度是决定薄膜性能的一个关键因素。如何表征薄膜的微观结构、成分和厚度也一直是薄膜研究领域的一个重要课题,尤其是应用无损表征方法。扫描电子显微镜配备X射线能谱仪分析技术（电子探针能谱）能够观察微观形貌和分析薄膜的微区成分的同时,根据电子束的穿透深度可测量薄膜的厚度。其它任何薄膜分析技术都无法同时具备以上三个功能。采用电子探针能谱分析技术时,由于X射线激发深度较大,当薄膜厚度较小时,会同时出现薄膜层和基片的谱线,严重影响薄膜成分的分析结果。为了排除基片谱线对薄膜成分分析的干扰,本论文针对电子薄膜与集成器件国家重点实验室研制的微米及纳米薄膜材料成分与厚度表征的需要,开展了如下研究:1.在常规电子探针能谱分析系统的基础上,建立的掠出射角电子探针能谱分析方法,并对该分析方法进行了系统验证。通过对金属铜膜和Cd掺杂氧化锌半导体薄膜的掠出射电子探针能谱分析与常规出射电子探针定性分析对比、不同出射角条件下不同线系特征X射线的强度研究、样品倾斜对电子探针能谱定量分析精度影响等方面进行了研究,证明了该方法能够很好的解决许多电子探针常规出射分析薄膜样品时存在的困难,如电子有效作用范围深度减小,具有很好的表面灵敏性,衬底产生的荧光效应能降至最低,薄膜定量分析精确度提高。2.研究了在常规电子探针能谱系统中如何提高薄膜成分分析准确度的方法。从薄膜成分的电子探针能谱分析得出:同一元素的不同线系特征谱线,是影响分析结果最重要的因素。对于具有荧光效应的衬底薄膜:所选元素的特征谱线应具有衬底的荧光效应;对于不具有荧光效应的衬底薄膜:当过压比足够时,选择峰背比最大的特征谱线,在特征谱线选择正确的前提下,工作电压越大,分析结果越准确。3.研究发展了电子探针能谱薄膜厚度的测量技术。根据电子束的穿透深度计算薄膜的厚度。对于单一组分薄膜:可以直接通过外推衬底与薄膜特征峰强度之比(Ⅰ衬底/Ⅰ薄膜)至“0”,对应的加速电压即为薄膜的归一化电压Ed（开始不能检测到衬底的特征X射线）;而对于多组分薄膜样品,若衬底和薄膜中都含有相同元素时,借助与薄膜组份含量相同的块材标样,分别得出薄膜样品中衬底与薄膜特征峰强度之比与加速电压之间的关系,以及块材标样样品相应元素的特征峰强度之比与加速电压之间的关系。当薄膜样品中衬底与薄膜特征峰强度比的变化率与块材标样样品相应元素的特征峰强度比的变化率一至时,对应的加速电压即为多组份薄膜的归一化电压Ed。4.对薄膜样品中轻元素的电子探针能谱定量分析研究。通过应用轻元素标样对低能量端的峰位进行低能量端峰位校准,使低能量端的峰与模拟线很好的吻合;逐渐降低工作电压直至电子穿透深度刚好等于薄膜厚度时,能最大程度减少基片和表面吸附的影响,并结合EDAX能谱分析软件的SEC因子,可以获得令人满意的分析结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 薄膜成分分析和厚度测量现状
• 1.3 电子探针能谱薄膜分析的研究动态
• 1.4 电子探针能谱分析技术
• 1.4.1 电子探针的基本结构与原理
• 1.4.2 电子探针能谱分析技术的特点
• 1.4.3 电子探针能谱能谱对薄膜的定义
• 1.5 本论文研究的目的及意义
• 第二章 掠出射角电子探针能谱分析技术
• 2.2 掠出射角电子探针能谱分析理论
• 2.2.1 X射线的波动方程与折射率
• 2.2.2 典型材料X射线全反射临界角
• 2.3 实验平台建立
• 2.3.1 实验仪器与材料
• 2.3.2 掠出射角样品桌的设计
• 2.4 掠出射角电子探针能谱分析技术性能评测实验
• 2.4.1 掠出射与常规出射电子探针分析比较
• 2.4.2 掠出射条件下X射线强度研究
• 2.4.3 样品倾斜对电子探针定量分析精度的影响
• 2.5 小结
• 第三章 薄膜成分的电子探针能谱分析研究
• 3.1 测量薄膜成分的理论分析
• 3.2 元素特征谱线的选择
• 3.2.1 具有荧光效应的衬底薄膜
• 3.2.2 不具荧光效应的衬底薄膜
• 3.3 加速电压的选择
• 3.4 小结
• 第四章 电子探针能谱测量薄膜厚度的方法研究
• 4.1 EDS测量薄膜厚度的原理
• 4.2 实验
• 4.3 单一组分薄膜厚度测量
• 4.4 多组分薄膜厚度测量
• 4.5 小结
• 第五章 薄膜中轻元素的电子探针能谱定量分析
• 5.1 实验
• 5.2 峰位校准
• 5.3 工作电压的选择
• 5.4 SEC因子
• 5.5 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻硕期间取得的研究成果