反射率测量XRR简介

薄膜材料的X射线反射率测量介绍杨宁博士XRD应用工程师德国布鲁克AXS有限公司北京代表处北京海淀区中关村南大街11号光大国信大厦5201室，邮编:100081电话:[phone]服务热线:800-810-9066手机:[phone]传真:[phone]email:[e-mail]2提纲•ＸＲＲ介绍•仪器硬件选择和测量配置•ＸＲＲ数据解析3什么是薄膜的反射率测量(XRR)?•对材料表面非常敏感的技术•无损•纳米尺度检测•晶体和非晶材料•XRR可以提供哪些信息?•薄膜厚度0.1nm–1000nm•材料密度1-2%•表面和界面粗糙度3-5nm反射率测量（XRR）是利用X射线在物质中发生的折射和反射（表面，界面），以及反射线之间的互相干涉对薄膜的性质（密度，厚度，粗糙度）进行研究的一种方法可获得的样品信息膜层厚度化学成分膜层密度表面和界面粗糙度镜面反射可以在样品中看到你的影子•平整样品表面，二维方向没有结构•样品表面粗糙度5nm•膜层和衬底，或者不同的膜层之间存在比较显著的物质或者电子密度差异•沿着x射线的方向，样品长度至少3-5毫米。5反射率测量(XRR)对样品的要求15.03.20206反射率测量(XRR)的基本原理•X射线在样品表面发生反射和折射现象•折射光进入样品内部，在薄膜于衬底/下一层的界面又发生反射和折射。•两束反射光束发射干涉，产生干涉条纹7反射率和密度的关系•样品的密度越高，全反射角越大。•样品的电子密度越高，高角度的反射强度越大c42cr反射率和粗糙度的关系9wavinessmicroscopicroughness微观尺度的粗糙•原子级到-几个纳米•使得反射光的强度降低•XRR可接受大尺度的-Waviness•〉100nm•使反射光的宽度增大•没有任何有用信息•XRR无效•样品表面要平反射率和粗糙度的关系两种不同的粗糙度10包含了粗糙度模型的反射系数公式2/exp22zq)()(zFzqRqRExponentialdecay微观粗糙度模型界面为微观粗糙震荡的集合2222exp21)(zzwrms-roughnessσ:=standarddeviationoftheGaussiandistribution)(zw反射率和粗糙度的关系•粗糙度降低了反射光线的强度•XRR对粗糙度是非常敏感的•粗糙度造成X-射线的漫散射•样品的界面和表面粗糙度要不大于3-5nm.反射率和粗糙度的关系反射率和膜层厚度的关系13•不同界面的反射光相互干涉形成干涉条纹•最小的可测量膜层厚度是由测量范围决定的•最大的可测量膜层厚度是由仪器分辨率决定的•样品的膜厚范围应在仪器的可测范围之内.dqz/2反射率和膜层厚度的关系14•通过直射光的扫描半峰宽ΔΨ可以估算仪器的分辨率•测量特定膜层厚度的前提XRR测量的仪器分辨率ThescatteringfunctionSisconvolutedwiththeresolutionfunctionRoftheinstrument:ifqkikfqzqzqxd2/dQQqRQSqI)()()(2)cos(2kqzzxqq2/15反射率干涉条纹振幅•反射率测量对膜层的电子密度很敏感•反射率干涉条纹振幅随着膜层之间密度差异的增大而增大。•“好的”反射率样品膜层之间的电子密度差异要大16反射率测量仪器和实验配置•平行光几何•不同的仪器分辨率•光斑样品表面尺寸17最简单的XRR仪器设置•狭缝尺寸50-100µm•最高强度大约107cps•背底较高18GöbelMirror原理•GM镜将大约≈0.35°的发散光聚焦成1.2mm的平行光(60-mmmirror)•强度109cps•背底低，只有KαParabolaX-raysourceGoebelmirrorSample19Handlingthehighflux:RotaryAbsorber自动旋转吸收片•Scintillationcounterslinearupto2x105cps•10,000timesmoreintensityfromthetubeside•4-positionwheelwithplacesfor4differentabsorberfoils•standardabsorptionfactors:1-~10-~100-~10000Rotaryabsorber20标准的XRR测量设置•可以通过改变狭缝的宽度改变仪器的分辨率•狭缝通常0.1–0.2mm•强度≈2x108cps21Int.[cps]10010001e41e51e61e701234567不同狭缝宽度的XRR测量数据with0.6mmslitwith0.1mmslit~5min~6.5hInt.[cps]10010001e41e51e61e70123456722超薄材料的XRR测量配置•入射光路狭缝很宽•长索拉的角度分辨率~0.1°•强度≈8x108cps23反射率测量实例LaZrOonSi1412108642Intensity[au]-81*10-71*10-61*10-51*10-41*10-31*10-21*10-11*1001*10Si(111)6.7nmLaZrO24使用分析晶体的XRR测量配置•分析晶体将x射线单色化，同时可以接收全部的反射束，无需探测器狭缝•强度≈3x107cps(fora3-bounceanalyzer)•分析晶体提高了2theta的角度分辨率•1-bounceGe(220)•3-bounceGe(220)25后置分析晶体:•1-bounceGe(220s)•3-bounceGe(220s)•前置四晶单色器•单色器提供高度准直和单色化的入射线束•分析晶体进一步提高仪器分辨率•强度≈105-106cps超厚材料的XRR测量配置26Int.[au]51010010001e40.110.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1Si1014nmSiO2:H反射率测量实例SiO2onSi27„根据不同的样品，我们选择不同的仪器分辨率以期获得最佳的数据质量“28入射光路的光学器件选择-只有GMRotaryabsorberX-raytubeGoebelmirrorslit-holder29使用双晶单色器进一步提高分辨率RotaryabsorberGoebelmirrorslit-holderX-raytube2-bounceGe(220a)monochromator30RotaryabsorberGoebelmirrorslit-holderX-raytube4-bounceGe(220s)monochromator使用四晶单色器更进一步提高分辨率探测器端的分辨率选择Pathfinder07.06.201131•光路自动切换功能超级强大的探测器光路07.06.201132PathfinderMotorizedslitScintiLynxEyeMotorizedslitAdditionalbenchforsollerFixedslitholderforfoils33•ForCu-Kαradiation:λ≈1.54Å•ValuesforΔθwereobtainedbyscanningthedirectbeam•Obtainedfromtheroughestimation不同硬件配置的仪器分辨率和最大可测膜层厚度2/dTubesideDetectorsideΔθ[deg]dmax[nm]GM+1.2mm0.2°soller0.06°73GM+0.2mm0.2mmslits0.029°1502xGe(220a)0.2mmslits0.026°170GM3xGe(220s)0.013°3402xGe(220a)3xGe(220s)0.01°4404xGe(220s)3xGe(220s)0.006°7354xGe(440s)3xGe(220s)0.006°73534样品尺寸效应)/arcsin(LdB)sin(/)sin(BBsin/dDd:beamwidthL:samplelength||beamD:illuminatedareaLdD•光斑在样品上的照射尺寸•光斑和样品尺寸一致时的入射角•低于时的反射光强度衰减系数BB35Beamsize:200µm•小的样品尺寸使得低角度强度降低•所以样品通常不能太小样品尺寸效应36•KEC的主要作用是限制样品在低角度时有效反射面积，使其不超过样品的实际尺寸•而高角度测量时可以升高KEC，以提高数据强度样品尺寸效应-KEC刀口准直器370,00,51,01,52,0104105106107108withKECwithoutKECIntensity2[deg]•使用KEC,测量角度至少要超过2θB•使用了KEC的低角度数据和未使用KEC的高角度数据可以合并，并作归一化处理。样品尺寸效应-KEC刀口准直器15.03.202038ＸＲＲ数据解析1.建立样品模型2.根据样品模型计算理论曲线3.拟合理论和实测曲线4.拟合收敛，得到结果39LEPTOS仪器分辨率计算和样品尺寸修正拟合计算过程SampleModelparameterizedby{p1,…pN}ToleranceXRRSimulationComparisonwithExperiment,χ2costfunctionMinimizationofc2usingGeneticAlgorithm,Levenberg-Marquardt,Simplex,SimulatedAnnealing,etc.inviewof{p1..pN}41AmorphousHfO2film–Ultrathinfilmsθ[degees]42XRRonMEMS–Ru/SiNfilm43GMRHeterostructure–8LayersSamplecourtesyofDr.Schug,IBMMainz44