应用分享 | 薄膜材料分析利器—牛津仪器薄膜分析软件AZtecLayerProbe

背景介绍

消费电子、太阳能电池及精密光学等领域使用了大量薄膜及涂层材料以实现不同功能。此类材料的性能与其厚度及化学成分设计密不可分，因此，可靠高效的薄膜表征手段是其研发、质量监控及失效分析不可缺少的一环。

传统的薄膜分析技术有椭圆偏光仪、X射线荧光光谱及聚焦离子束，下表对比了这三种技术的不同之处。

LayerProbe是一种新型的无损薄膜检测手段，它兼具了高效、低成本、高分辨率等特点。其原理是利用不同膜层及基底所产生的EDS信息通过自动迭代预设的模型中的未知项来计算膜层的成分及厚度。Layerprobe可对最多7层不重复的膜结构（不包含基底）进行膜厚及成分检测。

使用Layerprobe计算硅片上的Al₂O₃镀层的成分及厚度的步骤

1. 创建模型。此步骤需要输入基底及膜层的信息，包括已知的膜层的顺序、密度、厚度及成分信息。此例中，镀层厚度（40-60 nm，名义值50 nm）及元素浓度均为未知， Al₂O₃的密度约3.95 g/cm³。

图 1：材料模型页面。基体-硅，镀层-Al₂O₃，未知量-镀层厚度、元素浓度

图 2：求解器页面。对于此模型，推荐的能谱分析条件为 5 KV（加速电压）和0-10 KEV（能量范围）

2. 求解器自动计算最佳工作条件。选择参与计算的元素及线系，软件会自动计算出最佳的工作电压。

3. 在推荐的工作电压下使用纯金属块标样进行束流测量。

4. 相同的条件下，在待测样品上采集谱图，计算得出结果。

如图3所示，实测膜层厚度约47.4 nm，同时铝、氧原子比也非常接近于2:3。通过平面内的多点检测，Layerprobe可以给出膜厚-成分梯度的变化。图4是使用Layerprobe对硅片上轨纯铝镀层进行膜厚均匀度检测的结果。

图 3：结果页面。理论谱图与实验谱图高度契合，同时提供了K因子预测值与实际值的相对误差

图 4：铝膜的厚度梯度分布。通过重建谱图，可获得线（面）分析中每个像素点处的成分-膜厚信息