應用分享 | X射線反射率(X-ray reflectivity, XRR)

XRR是什麽(me) ?

XRR是一種方便、快速的分析單層或多層薄膜和表麵的方法，是一種納米尺度上的分析方法，同時可實現無損分析。例如，通過原子層沉積(ALD)技術沉積的薄膜可以用XRR表征薄膜的厚度、密度和界麵的粗糙度，同樣也適用於(yu) 其他方法製備的薄膜，如通過分子層沉積(MLD)沉積的有機/無機超晶格。與(yu) 光學橢偏法不同，該方法不需要預先了解薄膜的光學性質，也不需要假設薄膜的光學性質。然而，XRR不能提供有關(guan) 材料晶體(ti) 結構的信息，並且多層膜隻能在有限的深度內(nei) 表征。

XRR簡單原理介紹

XRR分析可以在晶體(ti) 和非晶材料上進行，當X射線以掠入射角度照到材料平麵上時，在某個(ge) 特定角度下將會(hui) 發生全反射現象，這個(ge) 角非常小，稱為(wei) 臨(lin) 界角（θc）。角度的變化取決(jue) 於(yu) 材料的密度。入射X射線的角度相對於(yu) 臨(lin) 界角越高，X射線透射到材料中的深度就越深。對於(yu) 表麵理想平坦的材料，反射率強度在超過臨(lin) 界角的角度上以θ-4的比例陡降。在XRR分析中，X射線源提供高亮度的X射線束，以非常低的入射角從(cong) 平麵反射。XRR係統測量在鏡麵方向反射的x射線的強度。如果層與(yu) 層之間的界麵或者層與(yu) 襯底之間的界麵，不是很銳利和光滑，那麽(me) 反射強度將偏離菲涅耳反射率定律（the law of Fresnel reflectivity）所預測的強度。然後可以分析X射線反射測量的偏差，以獲得與(yu) 表麵法向的界麵密度剖麵，同時通過專(zhuan) 業(ye) 軟件建模、擬合分析來確定膜層厚度，密度和界麵粗糙度。

▲Figure 1: Schematic view of X-ray reflection for cases when the incident angle is lower and higher than the critical angle, θc.

▲Figure 2: Simulated XRR profile for a single layer system. The critical angle (determined by film density) and Kiessig fringes (determined by layer thickness) are observed

XRR用途高精度的薄膜厚度和密度量測
量測薄膜或界麵粗糙度

XRR樣品要求

表麵光滑、均勻的樣品（roughness < 3~5nm）沿著X射線方向，樣品長度至少3-5mm

XRR應用分享（一）

本應用示例中，我們(men) 在布魯克新品桌麵衍射儀(yi) D6 PHASER上對鎢薄膜進行反射率應用分析。新款D6 PHASER桌麵衍射儀(yi) ，通過特殊短距離前光路設計產(chan) 生平行光，配合可調整樣品表麵法線方向及定位的通用樣品台，實現針對樣品的XRR的測量。應用中可針對樣品類型選擇專(zhuan) 為(wei) 薄膜樣品開發的彈簧台或者真空吸台。任何具備高計數模式的LYNXEYE係列探測器均可滿足測試需求。此外，通過調節光束限製係統，可實現提高儀(yi) 器分辨率，有效降低測試背景。

▲Figure 3: FFT analysis in DIFFRAC.XRR of the W thin film

本例中XRR測試是在不使用銅吸收片條件下，從(cong) 極低角度即可開始測試（如0.2°或者0.1°）。當然在測量的動態範圍很大的條件下需要使用吸收器。與(yu) 傳(chuan) 統的XRD儀(yi) 器相比，D6 PHASER中的信號得到了明顯增強，測量周期更短，條紋持續時間長，測量時間約為(wei) 幾分鍾。測量數據被導入到布魯克開發的分析軟件DIFFRAC.XRR中，軟件可實現歸一化處理，將數據合並為(wei) 單數據集。同時，使用FFT插件可以快速估計薄膜厚度。該分析轉換了產(chan) 生與(yu) 條紋圖案周期性相對應的厚度峰的數據的尺度(圖3)。針對本示例中的測試樣品，可以觀察到21.2 nm處的單峰。

▲Figure 4: Measurement geometry for X-ray reflectometry in the D6 PHASER

為(wei) 了更深入地挖掘測量數據包含的信息，執行數據擬合操作(圖5)。使用材料數據庫快速構建樣本，然後對數據執行回歸處理。在這裏可以發現除了襯底和薄膜外，Si和W之間以及W表麵還存在界麵層。

D6 PHASER及DIFFRAC.XRR是進行薄膜反射率分析的一對利器。

DIFFRAC.XRR應用動力學散射理論進行了精確的模擬。采用小的二乘法對樣品模型參數(厚度、粗糙度、密度)進行優(you) 化，使XRR曲線與(yu) 實測數據擬合。實驗貢獻，如儀(yi) 器分辨率、背景被整合，以準確地描述測量。快速穩定的擬合算法確保了收斂性，並提供了可靠的結果。

▲Figure 5: Fitting analysis of the W film data in DIFFRAC.XRR. The sample was constructed using the materials database then regression was performed. Additional layers were added to fit the density profile of the film