XRD應用分享 | X射線反射率

作為一種非破壞性的表面敏感技術，X 射線反射率（XRR）普遍用于薄膜厚度和粗糙度的表征。 當X射線的入射角高于臨界角時，X 射線束可以部分地透射進薄膜從而在界面反射。在一個理想平面上，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的漫散射而進一步降低反射強度。 因此，可以通過擬合XRR曲線來確定薄膜表面和界面的粗糙度。同時，表面和界面反射光束之間的干涉會在XRR曲線上產(chǎn)生周期性振蕩，即所謂的 Kiessig 條紋。通過測定振蕩周期可以計算薄膜的厚度，即 . 此外，散射長度密度（SLD）反映了材料的散射能力，與材料的物理密度有關。在 XRR 測量中，SLD 可以影響薄膜的全反射臨界角以及Kiessig條紋的振蕩幅度。通過擬合XRR曲線，可以直接給出分層結構的密度對比。圖1中給出了圖 XRR曲線與薄膜結構參數(shù)關系。本文以不同結構的薄膜為例，展示XRR在薄膜材料結構分析中的應用。 

XRR的特點：

1. 無損檢測

2. 對樣品的結晶狀態(tài)沒有要求，不論是單晶膜、多晶膜還是非晶膜均可以進行測試

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薄膜的設計厚度時80nm，通過XRR曲線擬合得到實際的薄膜厚度為73.18nm，如圖2所示。

圖2 IZO薄膜XRR曲線（紅色點），擬合曲線（藍色實線）以及結果（右上角）

多層膜分析-樣品：Cu/Ta/Si(襯底)

XRR測試準確確定了各層薄膜的結構參數(shù)。表層Cu2O是的Cu層氧化導致的。

圖3 Cu/Ta/Si(襯底)多層膜XRR曲線（紅色點），擬合曲線（藍色實線）以及結果（右上角）

超晶格

本例中，目標為Si/x(W/Si)/Si（襯底），x=10超晶格薄膜。為了確定生長后，超晶格的周期及重復單元單層的生長情況，利用XRR進行了表征，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，說明超晶格薄膜生長均勻，質(zhì)量很好。 不過，仔細觀察超晶格曲線發(fā)現(xiàn)（圖4）：x=10個周期的超晶格，理論上兩衛(wèi)星峰之間的干涉條紋周期為x-2=8個極大值，但實際測得只有7個極大值。說明超晶格周期為9，而非理論上的10個周期。為了進一步證明和分析超晶格的結構，根據(jù)動力學理論，分別用理論的10個周期及實際分析出的9個周期結構模型擬合XRR曲線，9個周期的模型得到了很好的結果，見表1。說明超晶格表層沒有生長為整個的周期結構。見表1。說明超晶格表層沒有生長為整個的周期結構。

 圖4 中5.7-7.6°范圍的放大圖譜

表1 XRR擬合結果

圖5 超晶格XRR曲線：黑色點：實驗曲線；紅色實線：擬合曲線。