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近期，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率激光元件技術與工程部研究團隊，在透射電鏡精確表征納米薄膜研究方面取得新進展。團隊提出了樣品沿 β 方向傾轉后測量薄膜厚度的計算公式。并給出了TEM精確表征納米薄膜結構的方法。相關成果以“樣品傾轉角度對透射電鏡表征納米薄膜的影響”為題發(fā)表于《光學學報》。

Mo/Si 多層膜可以用來提高光學器件的反射率，周期厚度接近 7. 0 nm，近原子精度的膜層厚度誤差都會導致反射光譜的峰值波長偏移。因此，準確表征 Mo/Si 多層膜薄膜厚度對于工藝迭代和分析來說具有重要的作用。然而，在 透射電鏡（TEM）表征時若不關注 Si 基底的晶向或采用熔石英等非晶基底材料，則難以保證樣品截面相對電子束是恰好垂直的，那么三維立體樣品的二維投影成像就會產生偽影，造成的測量誤差是未知的。

研究團隊以沉積在 Si ［100］基底的 Mo/Si 多層膜為例，通過透射電鏡（TEM）測量了多層膜在不同傾轉角度下的膜層結構，結果表明：樣品沿 α 方向傾轉時，Mo 層和 Si層的測量厚度幾乎沒有變化，但界面粗糙度增大，這是由于旋轉時薄膜的厚度方向始終與電子束垂直，而電子束穿過的 TEM 樣品厚度 Z 增大；樣品沿 β 方向傾轉時，由于傾轉時樣品截面與電子束不垂直，造成偽影嚴重，無法區(qū)分 Mo 層和 Si 層。提出了樣品沿 β 方向傾轉后測量薄膜厚度的計算公式。并給出了TEM精確表征納米薄膜結構的方法：從制樣開始沿特定方向［1-1 0］切割 Si wafer，再從［110］晶帶軸觀察樣品，這樣就可以保證 Si wafer 和薄膜的截面都恰好與電子束垂直。在 TEM 樣品較薄的區(qū)域拍照分析。該技術一定程度上提高了TEM表征納米薄膜結構的準確性，對于光學薄膜的微觀結構影響其性能的研究具有重要的意義。該技術的應用可以進一步指導光學薄膜工藝改進的方向，為光學薄膜的研發(fā)助力。

相關研究得到了國家自然科學基金項目的支持。

原文鏈接

圖1 薄膜TEM截面樣品傾轉示意圖。（a）：雙傾桿傾轉示意圖；（b）：薄膜TEM截面樣品放置在樣品桿中的方向示意圖。

圖 2 相對誤差δ隨傾轉角度β變化的計算結果。（a）：Z=50nm，不同t0的薄膜；（b）：t0=5nm，不同Z的薄膜。