XRF用于涂鍍層的測(cè)量和監(jiān)控

                               ------  馬云

一、          關(guān)于涂鍍層：重點(diǎn)了解涂鍍層的測(cè)量與監(jiān)控

    1、膜厚的分類

    薄膜是指在基板的垂直方向上所堆積的1～104的原子層或分子層。在此方向上，薄膜具有微觀結(jié)構(gòu)。

  理想的薄膜厚度是指基片表面和薄膜表面之間的距離。由于薄膜僅在厚度方向是微觀的，其他的兩維方向具有宏觀大小。所以，表示薄膜的形狀，一定要用宏觀方法，即采用長(zhǎng)、寬、厚的方法。因此，膜厚既是一個(gè)宏觀概念，又是微觀上的實(shí)體線度。

  由于實(shí)際上存在的表面是不平整和連續(xù)的，而且薄膜內(nèi)部還可能存在著針孔、雜質(zhì)、晶格缺陷和表面吸附分子等，所以，要嚴(yán)格地定義和精確測(cè)量薄膜的厚度實(shí)際上是比較困難的。膜厚的定義應(yīng)根據(jù)測(cè)量的方法和目的來決定。

   經(jīng)典模型認(rèn)為物質(zhì)的表面并不是一個(gè)抽象的幾何概念，而是由剛性球的原子（分子）緊密排列而成，是實(shí)際存在的一個(gè)物理概念。

上圖是實(shí)際表面和平均表面的示意圖。平均表面是指表面原子所有的點(diǎn)到這個(gè)面的距離代數(shù)和等于零，平均表面是一個(gè)幾何概念。通常，將基片一側(cè)的表面分子的集合的平均表面稱為基片表面；薄膜上不與基片接觸的那一側(cè)的表面的平均表面稱為薄膜的形狀表面；將所測(cè)量的薄膜原子重新排列，使其密度和塊狀材料相同且均勻分布在基片表面上，這時(shí)的平均表面稱為薄膜質(zhì)量等價(jià)表面；根據(jù)測(cè)量薄膜的物理性質(zhì)等效為一定長(zhǎng)度和寬度與所測(cè)量的薄膜相同尺寸的塊狀材料的薄膜，這時(shí)的平均表面稱為薄膜物性等價(jià)表面。由此可以定義：

（1）形狀膜厚是和面之間的距離；

（2）質(zhì)量膜厚是和面之間的距離；

（3）物性膜厚是和面之間的距離。

形狀膜厚是最接近于直觀形式的膜厚，通常以um為單位。只與表面原子（分子）有關(guān)，并且包含著薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響；

 質(zhì)量膜厚反映了薄膜中包含物質(zhì)的多少，通常以μg/

為單位，它消除了薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響（如缺陷、針孔、變形等）；

 物性膜厚dP在實(shí)際使用上較有用，而且比較容易測(cè)量，它與薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)無直接關(guān)系，主要取決于薄膜的性質(zhì)（如電阻率、透射率等）。

  三種定義的膜厚往往滿足下列不等式：

                  ≥≥ 

  三種膜厚的測(cè)試方法如表2-8所示。

2、膜厚的測(cè)量方法   

以下重點(diǎn)介紹以下2種方法

(1)  X射線熒光法（XRF）：能量X熒光光譜側(cè)厚法(質(zhì)量膜厚)

測(cè)試原理：XRF測(cè)厚是通過X射線激發(fā)各種物質(zhì)（如Mo、Ag、Mn）的特征X射線，然后測(cè)量這被釋放出來的特征X射線的能量對(duì)樣品進(jìn)行進(jìn)行定性，測(cè)量這被釋放出來的特征X射線的強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)片（或者對(duì)比樣）對(duì)比得出各物質(zhì)的厚度，這種強(qiáng)度和厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系在軟件后臺(tái)形成曲線。而各種物質(zhì)的強(qiáng)度增加，厚度值也增加，但不是絕對(duì)直線關(guān)系；通過標(biāo)樣和軟件及算法（算法有FP法和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法）得到一個(gè)最接近實(shí)際對(duì)應(yīng)關(guān)系的曲線

原子結(jié)構(gòu)圖

(2) 觸針法：差動(dòng)變壓器法、阻抗放大法、壓電元件法（形狀膜厚）

原理:在針尖上鑲有曲率半徑為幾微米的藍(lán)寶石或金剛石的觸針，使其在薄膜表面上移動(dòng)時(shí)，由于試樣的臺(tái)階會(huì)引起觸針隨之作階梯式上下運(yùn)動(dòng)。再采用機(jī)械的、光學(xué)的或電學(xué)的方法，放大觸針?biāo)\(yùn)動(dòng)的距離并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的讀數(shù)，該讀數(shù)所表征的距離即為薄膜厚度。

直接影響觸針法的應(yīng)用與精度的幾個(gè)方面:

（a）由于觸針尖端的面積非常小，會(huì)穿透鋁膜等易受損傷的

　　 軟質(zhì)膜，并在其上劃出道溝，從而產(chǎn)生極大的誤差;

（b）基片表面的起伏或不平整所造成的“噪聲”亦會(huì)引起誤

     差；

（c）被測(cè)薄膜與基片之間，必須要有膜一基臺(tái)階存在，才能

     進(jìn)行測(cè)量。

（d）只能測(cè)試被測(cè)薄膜與基片之間，一臺(tái)階內(nèi)的總厚度，不分辨測(cè)試或者多層。

二、          形狀膜厚與質(zhì)量膜厚、XRF測(cè)試值的關(guān)系和轉(zhuǎn)換。

XRF原本測(cè)試的是質(zhì)量，但是在現(xiàn)在應(yīng)用中都已經(jīng)轉(zhuǎn)換成用厚度表示了。

關(guān)系公式如下：（XRF的測(cè)試值用表示，質(zhì)量用表示，標(biāo)定曲線時(shí)用的標(biāo)樣的密度用表示，當(dāng)前測(cè)試樣的密度用 表示，形狀膜厚表示）

=

                                =*

通過XRF標(biāo)準(zhǔn)曲線的測(cè)量，也可以知道密度的變化。

 =*

三、            XRF的對(duì)涂鍍層的應(yīng)用和作用：

1、 用標(biāo)樣建立標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，可以作用于：

a、 獲得各層質(zhì)量膜厚。

b、 形狀膜厚對(duì)比，獲得各層膜厚密度。

c、 膜厚的均勻度。

2、 利用幾組樣品來做為標(biāo)樣，制作曲線，可以得到接近形狀膜厚（前提條件，對(duì)密度的變換要監(jiān)控好）。

                                                      2011年10月