如何在蒸发过程中测量薄膜厚度？技术和见解

蒸发过程中薄膜厚度的测量有多种技术，每种技术都有自己的优势和局限性。石英晶体微天平 (QCM) 和光干涉等实时监测方法通常用于跟踪沉积过程中薄膜的生长。沉积后，可采用椭偏仪、轮廓仪、干涉仪、X 射线反射率 (XRR) 和截面电子显微镜 (SEM/TEM) 等技术进行精确测量。这些方法依靠干涉、折射率分析和机械轮廓分析等原理来确定厚度。技术的选择取决于材料特性、所需精度以及是原位测量还是沉积后测量等因素。

要点说明

石英晶体微天平（QCM）
- 原则:QCM 传感器测量石英晶体谐振器在沉积过程中的质量变化。随着薄膜的生长，质量增加，导致晶体谐振频率发生变化。
- 优势:实时监测、高灵敏度、适合现场测量。
- 局限性:需要校准，对温度和压力等环境因素敏感。
光学干扰
- 原则:这种方法分析的是光从薄膜的顶部和底部界面反射时产生的干涉图案。干涉峰和谷的数量用于计算厚度。
- 优势:非接触式、实时监控、高精度，适用于透明或半透明薄膜。
- 局限性:需要了解材料的折射率，对于非常薄或高吸收性的薄膜可能效果不佳。
椭偏仪
- 原则:测量薄膜表面反射光的偏振状态变化。厚度由反射光的相移和振幅变化得出。
- 优势:精度高、无损，适用于极薄的薄膜（纳米范围）。
- 局限性:需要一个模型来解释数据，对表面粗糙度很敏感。
轮廓测量
- 原则:机械测针或光学探针扫描薄膜表面，测量薄膜与基底之间的高度差。
- 优势:直接测量，适用于各种厚度（0.3 至 60 微米）。
- 局限性:需要在薄膜和基底之间设置台阶或凹槽，可能会损坏脆弱的薄膜。
干涉测量
- 原则:利用高反射表面产生的干涉条纹来测量厚度。干涉条纹的间距与薄膜厚度相对应。
- 优势:高分辨率和非接触式测量。
- 局限性:需要反射表面，可能会受到薄膜均匀性的影响。
X 射线反射率 (XRR)
- 原则:测量从胶片不同角度反射的 X 射线的强度。根据反射的 X 射线的干涉图确定厚度。
- 优势:超薄薄膜（纳米范围）和多层结构的高精度。
- 局限性:需要专业设备，对表面粗糙度和密度变化敏感。
横截面 SEM/TEM
- 原则:使用电子显微镜对薄膜的横截面进行成像。根据图像直接测量厚度。
- 优势:提供详细的结构信息和高分辨率。
- 局限性:破坏性强，需要制备样品，耗费时间。
分光光度法
- 原则:测量透过薄膜或从薄膜反射的光强度。厚度根据干涉图案和材料特性计算得出。
- 优势:非接触式，适用于微观取样区域，适用厚度范围广。
- 局限性:需要了解材料的光学特性，对于非常薄或高吸收性的薄膜可能效果不佳。
测针轮廓测量
- 原则:机械测针在薄膜表面移动，测量薄膜和基底之间的高度差。
- 优势:测量简单直接。
- 局限性:需要台阶或凹槽，可能会损坏胶片。
非接触式光学技术
- 原则:使用干涉测量法或分光光度法等光学方法测量厚度，无需物理接触。
- 优势:无损、高精度，适用于精细薄膜。
- 局限性:要求表面反光或透明，可能受薄膜均匀性的影响。

总之，技术的选择取决于沉积过程的具体要求，如实时监控的需要、薄膜的材料特性以及所需的精度。结合多种方法可以更全面地了解薄膜厚度和均匀性。

总表：

技术	原则	优势	局限性
石英晶体微天平	测量石英晶体谐振器的质量变化	实时监测，灵敏度高	需要校准，对环境因素敏感
光学干扰	分析光反射的干涉模式	非接触式实时监测，精度高	需要折射率知识，对薄膜/吸收薄膜效果较差
椭偏仪	测量反射光的偏振变化	高精度、无损，适用于纳米级薄膜	需要数据解释模型，对表面粗糙度敏感
轮廓测量	用机械测针或光学探针扫描薄膜表面	直接测量，适用于 0.3 至 60 µm 薄膜	需要台阶或凹槽，可能会损坏精致的薄膜
干涉测量	利用反射面产生的干涉条纹	高分辨率、非接触式	需要反射面，受薄膜均匀性影响
X 射线反射率 (XRR)	测量不同角度的 X 射线反射强度	超薄薄膜和多层结构的高精确度	需要专业设备，对表面粗糙度和密度敏感
横截面 SEM/TEM	使用电子显微镜拍摄胶片横截面图像	详细的结构信息，高分辨率	具有破坏性，需要制备样品，耗费时间
分光光度法	测量胶片透射或反射的光强	非接触式，适用于微观区域，厚度范围广	需要光学特性知识，对薄膜/吸收薄膜效果较差
测针轮廓测量	使用机械测针测量高度差	简单直接的测量	需要台阶或凹槽，可能会损坏胶片
非接触式光学	使用干涉测量法或分光光度法等光学方法	无损、高精度，适用于精细薄膜	需要反光/透明表面，受薄膜均匀性影响