透射电镜表征纳米薄膜技术研究取得进展

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文章导读

你是否知道，纳米薄膜厚度测量的微小误差，竟会大幅影响光学器件性能？中国科学院上海光学精密机械研究所最新研究发现，传统透射电镜（TEM）表征中，样品倾转方向的选择会显著影响Mo/Si多层膜的测量精度——沿β方向倾转易产生伪影，而沿α方向则更稳定。研究团队创新提出β方向下的厚度修正公式，并建立了一套从制样到成像的精确表征方法：沿［1-10］方向切割Si基底，从［110］晶带轴观察，确保截面与电子束垂直。该方法显著提升纳米薄膜测量准确性，为光学薄膜工艺优化提供关键支撑，相关成果已发表于《光学学报》。

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Mo/Si多层膜的周期厚度约7.0nm，可用来提高光学器件的反射率。近原子精度的膜层厚度误差会导致反射光谱的峰值波长偏移，因而准确表征Mo/Si多层膜薄膜厚度对工艺迭代和分析具有重要作用。在透射电镜（TEM）表征时，需关注Si基底的晶向，或采用熔石英等非晶基底材料，以保证样品截面相对电子束垂直，否则三维立体样品的二维投影成像会产生伪影，造成测量误差。

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所研究团队，在透射电镜精确表征纳米薄膜研究方面取得进展。研究团队提出了样品沿β方向倾转后测量薄膜厚度的计算公式，并给出了TEM精确表征纳米薄膜结构的方法。

团队以沉积在Si［100］基底的Mo/Si多层膜为例，通过TEM测量了多层膜在不同倾转角度下的膜层结构。结果表明，样品沿α方向倾转时，因薄膜厚度方向始终与电子束垂直，电子束穿过的TEM样品厚度增大，因而Mo层和Si层的测量厚度几乎没有变化，但界面粗糙度增大；样品沿β方向倾转时，因样品截面与电子束不垂直，导致伪影严重，难以区分Mo层和Si层。进一步，团队提出了样品沿β方向倾转后测量薄膜厚度的计算公式，并给出了TEM精确表征纳米薄膜结构的方法，即从制样开始，沿特定方向［1-10］切割Si wafer，再从［110］晶带轴观察样品，可保证Si wafer和薄膜截面均与电子束垂直，并在TEM样品较薄的区域拍照分析。