二氧化硅薄膜材料中表面形貌、粗糙度检测方案(扫描探针)

SSL-CA22-082Excellence in Science Excellence in ScienceSPM-010 岛津企业管理(中国)有限公司-分析中心Shimadzu (China) Co.， LTD.- Analytical Applications CenterTel：86(21)34193996Email： sshzyan@shimadzu.com.cnhttp：//www.shimadzu.com.cn 扫描探针显微镜 (SPM)表征二氧化硅薄膜材料的表面形貌以及粗糙度 SPM-010 摘要：二氧化硅薄膜具有良好的硬度、光学、介电性质及耐磨、抗侵蚀等特性，在光学、微电子等领域有着广泛的应用前景，是目前国际上广泛关注的功能材料。本文采用岛津扫描探针显微镜(SPM) 技术对二氧化硅薄膜样品的表面形貌以及粗糙度进行了表征，对二氧化硅薄膜的制备方法和制备工艺优化提供了一定的指导。 关键词：扫描探针显微镜 SPM 二氧化硅薄膜 表面形貌 粗糙度 二氧化硅具有硬度高、耐磨性好、绝热性好、光透过率高、抗侵蚀能力强以及良好的介电性质，在诸多领域得到了很好的应用，如用于电子器件和集成器件、光学薄膜器件、传感器等相关器件中。针对不同的用途和要求，二氧化硅薄膜的制备方法主要有物理气相沉积、化学气相沉积、氧化法、溶胶凝胶法和液相沉积法等。不同方法制备的二氧化硅薄膜，其厚度、粗糙度、致密性、均匀性、等差异较大，性能也随之 受到影响。通过改善二氧化硅薄膜的制备方法和制备工艺，实现批次化生产中既能保证工艺的稳定，又最大化地降低生产成本，一直是人们的热门研究工作之一。 本文采用岛津扫描探针显微镜(SPM)技术，测定了二氧化硅薄膜样品在不同范围内的表面形貌，并通过计算得到了相应的粗糙度值，对二氧化硅薄膜的制备方法和制备工艺优化起到了一定的指导作用。 实验部分 1.1仪器 岛津扫描探针显微镜 SPM-9700HT 图1扫描探针显微镜 SPM-9700HT 1.2分析条件 功能模式：动态模式 扫描环境：大气环境 探针：弹性系数2N/m 扫描范围：5 umx5 um， 2 umx 2 um 像素：512x512 1.3样品 图2二氧化硅薄膜样品 1.4测试过程 将2个薄膜样品分别用双面胶固定在不锈钢样品台上，采用扫描探针显微镜 SPM-9700HT进行测试，测试前用洁净气体轻吹样品表面。 结果与讨论 随机选取薄膜样品的某一区域进行表面形貌扫描测试，获得5 um x 5 um 和2 um x2 um 范围内的形貌图(见图3和图4)。由形貌图可以观察到样品表面的颗粒结构，其中，颜色较暗的区域表示高度较低，颜色较亮的区域表示高度较高。此外，通过软件计算，分别得到了两个样品在5 umx5 um 扫描范围内的表面粗糙度数值， 其中1#样品的均方根粗糙度 Rq=4.992nm， 2#样品的均方根粗糙度 Rq=3.044 nm。 图3 1# 样品的形貌图及粗糙度值：(a)图为2 umx2um； (b)图为 5 um x5 um 图4 2#样品的形貌图及粗糙度值：(c)图为2 umx2 um； (d) 图为 5 um x5 um 为了更加直观、清晰地反也薄膜样品的表面形貌信息，对2 um x2 um 范围内的二维图像进行了三维转换，得到了薄膜样品的三维高度图(见图5和图6)，从三维图中可以直观清晰地观察到样品表面的颗粒结构，其中高度值从低到高依次由蓝色、黄色和红色表示。三维图像中剖面线PQ上的高度信息，也可直观地读取样品表面的粗糙程度。分别从1#样品和2#样品的剖面线PQ上任意选取A、B和C、D四个点，读取A-B和C-D之间的高度差，见表1。 图5 1#样品的3D形貌以及剖面分析 图6 2#样品的3D形貌以及剖面分析 表1 二氧化硅薄膜样品的剖面分析 高度差(nm) 样品编号 1#薄膜 2#薄膜 A-B 13.69 11.91 C-D 3.09 2.07 将二氧化硅薄膜样品1#、2#数据进行对比分析，发现无论是从较小面积(2 um x2 um)内三维形貌的直观观察分析，还是从较大面积(5 um x5 um)内计算得到的均方根粗糙度Rg 值的大小，1#样品的表面粗糙度均大于2#样品的表面粗糙度。 结论 使用岛津扫描探针显微镜竟 (SPM)技术，测定了二氧化硅薄膜样品在不同范围内的表面形貌，并通过计算得到了相应的均方根粗糙度Rg 值。测试结果表明形貌图和均方根粗糙度值均可以反映薄膜样品的粗糙度情况，对二氧化硅薄膜的制备方法和制备工艺优化具有一定指导意义。 岛津应用云 使用岛津扫描探针显微镜（SPM）技术，测定了二氧化硅薄膜样品在不同范围内的表面形貌，并通过计算得到了相应的均方根粗糙度Rq值。测试结果表明形貌图和均方根粗糙度值均可以反映薄膜样品的粗糙度情况，对二氧化硅薄膜的制备方法和制备工艺优化具有一定指导意义。