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XRD應(yīng)用分享 | X射線反射率

更新時(shí)間:2024-05-22點(diǎn)擊次數(shù):1180

作為一種非破壞性的表面敏感技術(shù),X 射線反射率(XRR)普遍用于薄膜厚度和粗糙度的表征。 當(dāng)X射線的入射角高于臨界角時(shí),X 射線束可以部分地透射進(jìn)薄膜從而在界面反射。在一個(gè)理想平面上,根據(jù)菲涅耳方程,X射線的反射率以系數(shù)下降。此外,反射強(qiáng)度也受薄膜表面和界面的粗糙度影響。納米尺度范圍的粗糙表面可因誘導(dǎo)的漫散射而進(jìn)一步降低反射強(qiáng)度。 因此,可以通過(guò)擬合XRR曲線來(lái)確定薄膜表面和界面的粗糙度。同時(shí),表面和界面反射光束之間的干涉會(huì)在XRR曲線上產(chǎn)生周期性振蕩,即所謂的 Kiessig 條紋。通過(guò)測(cè)定振蕩周期可以計(jì)算薄膜的厚度,即 . 此外,散射長(zhǎng)度密度(SLD)反映了材料的散射能力,與材料的物理密度有關(guān)。在 XRR 測(cè)量中,SLD 可以影響薄膜的全反射臨界角以及Kiessig條紋的振蕩幅度。通過(guò)擬合XRR曲線,可以直接給出分層結(jié)構(gòu)的密度對(duì)比。圖1中給出了圖 XRR曲線與薄膜結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系。本文以不同結(jié)構(gòu)的薄膜為例,展示XRR在薄膜材料結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用。 

 

XRR的特點(diǎn):

1. 無(wú)損檢測(cè)

2. 對(duì)樣品的結(jié)晶狀態(tài)沒(méi)有要求,不論是單晶膜、多晶膜還是非晶膜均可以進(jìn)行測(cè)試

3. XRR適用于納米薄膜,要求厚度小于200nm

4. 晶面膜,表面粗糙度一般不超過(guò)5nm

5. 多層膜之間要求有密度差

 

單層膜分析-樣品:80nmIZO/玻璃(襯底)

本例中IZO薄膜的設(shè)計(jì)厚度時(shí)80nm,通過(guò)XRR曲線擬合得到實(shí)際的薄膜厚度為73.18nm,如圖2所示。

圖2 IZO薄膜XRR曲線(紅色點(diǎn)),擬合曲線(藍(lán)色實(shí)線)以及結(jié)果(右上角)

 

多層膜分析-樣品:Cu/Ta/Si(襯底)

XRR測(cè)試準(zhǔn)確確定了各層薄膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)。表層Cu2O是的Cu層氧化導(dǎo)致的。

圖3 Cu/Ta/Si(襯底)多層膜XRR曲線(紅色點(diǎn)),擬合曲線(藍(lán)色實(shí)線)以及結(jié)果(右上角)

 

超晶格

本例中,目標(biāo)為Si/x(W/Si)/Si(襯底),x=10超晶格薄膜。為了確定生長(zhǎng)后,超晶格的周期及重復(fù)單元單層的生長(zhǎng)情況,利用XRR進(jìn)行了表征,如圖3。XRR曲線中,超晶格衛(wèi)星峰和衛(wèi)星峰間的干涉峰非常明顯且均勻,說(shuō)明超晶格薄膜生長(zhǎng)均勻,質(zhì)量很好。 不過(guò),仔細(xì)觀察超晶格曲線發(fā)現(xiàn)(圖4):x=10個(gè)周期的超晶格,理論上兩衛(wèi)星峰之間的干涉條紋周期為x-2=8個(gè)極大值,但實(shí)際測(cè)得只有7個(gè)極大值。說(shuō)明超晶格周期為9,而非理論上的10個(gè)周期。為了進(jìn)一步證明和分析超晶格的結(jié)構(gòu),根據(jù)動(dòng)力學(xué)理論,分別用理論的10個(gè)周期及實(shí)際分析出的9個(gè)周期結(jié)構(gòu)模型擬合XRR曲線,9個(gè)周期的模型得到了很好的結(jié)果,見(jiàn)表1。說(shuō)明超晶格表層沒(méi)有生長(zhǎng)為整個(gè)的周期結(jié)構(gòu)。見(jiàn)表1。說(shuō)明超晶格表層沒(méi)有生長(zhǎng)為整個(gè)的周期結(jié)構(gòu)。

 圖4 中5.7-7.6°范圍的放大圖譜

 

表1 XRR擬合結(jié)果

 

圖5 超晶格XRR曲線:黑色點(diǎn):實(shí)驗(yàn)曲線;紅色實(shí)線:擬合曲線。

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