反射率测量XRR简介ppt课件
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•两束反射光束发射干涉，产 生干涉条纹
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6
反射率和密度的关系
ppt课件.
样品的密度越高，全反射角越大。
c
样品的电子密度越高，高角度的 反射强度越大
r
c
4
2
7
反射率和粗糙度的关系
ppt课件.
8
反射率和粗糙度的关系
两种不同的粗糙度
大尺度的-Waviness
• 〉100 nm •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
包含了粗糙度模型的反射系数公式
R(qz ) RF (qz ) exp 2qz 2 / 2
Exponential decay
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10
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3-5 nm.
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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)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。
ppt课件.
11
反射率和膜层厚度的关系
ppt课件.
12
反射率和膜层厚度的关系
•不同界面的反射光相互干涉形成干 涉条纹
qz 2 / d
•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.
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13
XRR测量的仪器分辨率
ppt课件.
20
不同狭缝宽度的XRR测量数据
1e7
1e6
1e5
with 0.6 mm slit
with 0.1 mm slit
1e4
1000
~ 5 min
~ 6.5 h
100
0
1
2
3
4
5
6
7
Βιβλιοθήκη Baidu
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21
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 ≈ 8x108 cps
/ 2 qz 2k cos( ) qx qz
•测量特定膜层厚度的前提
/ 2d
14
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
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15
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
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16
最简单的XRR仪器设置
• 狭缝尺寸50-100 µm • 最高强度大约107 cps • 背底较高
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17
Göbel Mirror原理
Goebel mirror
Parabola
X-ray source
Sample
• GM镜将大约≈0.35°的发散光聚焦成1.2 mm的平行光 (60-mm mirror) • 强度>109 cps • 背底低，只有Kα
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
microscopic roughness
waviness
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9
反射率和粗糙度的关系
微观粗糙度模型
w(z)
界面为微观粗糙震荡的集合
w(z)
1
2 2
exp
z2
2 2
rms-roughness σ: = standard deviation of the Gaussian distribution
qx qz
i ki
f
q
kf
The scattering function S is convoluted with the resolution function R of the instrument:
I (q) S (Q) 2 R(q Q) dQ
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•通过直射光的扫描半峰宽ΔΨ可 以估算仪器的分辨率
•分析晶体提高了2theta 的
角度分辨率
• 1-bounce Ge(220) • 3-bounce Ge(220)
• 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 ≈ 3x107 cps (for a 3-bounce analyzer)
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18
Handling the high flux: Rotary Absorber 自动旋转吸收片
Rotary absorber
Scintillation counters linear up to 2 x 105 cps
10,000 times more intensity from the tube side
4-position wheel with places for 4 different absorber foils
standard absorption factors:
1 - ~10 - ~100 - ~10000
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19
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 – 0.2 mm • 强度 ≈ 2x108 cps
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1
提纲
ＸＲＲ介绍 仪器硬件选择和测量配置 ＸＲＲ数据解析
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2
什么是薄膜的反射率测量(XRR)?
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
对材料表面非常敏感的技术
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反射率测量实例 LaZrO on Si
Intensity [au]
0
1*10
-1
1*10
-2
1*10
-3
1*10
-4
1*10
-5
1*10 1*10-6
-7
1*10
-8
1*10
6.7 nm LaZrO Si (111)
2
4
6
8
10
12
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23
使用分析晶体的XRR 测量配置
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 0.1 nm – 1000 nm 材料密度 < 1-2% 表面和界面粗糙度 < 3-5 nm
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3
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
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4
反射率测量(XRR)对样品的要求
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反射率和密度的关系
ppt课件.
样品的密度越高，全反射角越大。
c
样品的电子密度越高，高角度的 反射强度越大
r
c
4
2
7
反射率和粗糙度的关系
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反射率和粗糙度的关系
两种不同的粗糙度
大尺度的-Waviness
• 〉100 nm •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
包含了粗糙度模型的反射系数公式
R(qz ) RF (qz ) exp 2qz 2 / 2
Exponential decay
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10
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3-5 nm.
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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)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。
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反射率和膜层厚度的关系
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反射率和膜层厚度的关系
•不同界面的反射光相互干涉形成干 涉条纹
qz 2 / d
•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.
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XRR测量的仪器分辨率
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20
不同狭缝宽度的XRR测量数据
1e7
1e6
1e5
with 0.6 mm slit
with 0.1 mm slit
1e4
1000
~ 5 min
~ 6.5 h
100
0
1
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21
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 ≈ 8x108 cps
/ 2 qz 2k cos( ) qx qz
•测量特定膜层厚度的前提
/ 2d
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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
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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
ppt课件.
16
最简单的XRR仪器设置
• 狭缝尺寸50-100 µm • 最高强度大约107 cps • 背底较高
ppt课件.
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Göbel Mirror原理
Goebel mirror
Parabola
X-ray source
Sample
• GM镜将大约≈0.35°的发散光聚焦成1.2 mm的平行光 (60-mm mirror) • 强度>109 cps • 背底低，只有Kα
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
microscopic roughness
waviness
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9
反射率和粗糙度的关系
微观粗糙度模型
w(z)
界面为微观粗糙震荡的集合
w(z)
1
2 2
exp
z2
2 2
rms-roughness σ: = standard deviation of the Gaussian distribution
qx qz
i ki
f
q
kf
The scattering function S is convoluted with the resolution function R of the instrument:
I (q) S (Q) 2 R(q Q) dQ
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•通过直射光的扫描半峰宽ΔΨ可 以估算仪器的分辨率
•分析晶体提高了2theta 的
角度分辨率
• 1-bounce Ge(220) • 3-bounce Ge(220)
• 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 ≈ 3x107 cps (for a 3-bounce analyzer)
ppt课件.
18
Handling the high flux: Rotary Absorber 自动旋转吸收片
Rotary absorber
Scintillation counters linear up to 2 x 105 cps
10,000 times more intensity from the tube side
4-position wheel with places for 4 different absorber foils
standard absorption factors:
1 - ~10 - ~100 - ~10000
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19
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 – 0.2 mm • 强度 ≈ 2x108 cps
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1
提纲
ＸＲＲ介绍 仪器硬件选择和测量配置 ＸＲＲ数据解析
ppt课件.
2
什么是薄膜的反射率测量(XRR)?
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
对材料表面非常敏感的技术
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反射率测量实例 LaZrO on Si
Intensity [au]
0
1*10
-1
1*10
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1*10
-4
1*10
-5
1*10 1*10-6
-7
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6.7 nm LaZrO Si (111)
2
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8
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23
使用分析晶体的XRR 测量配置
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 0.1 nm – 1000 nm 材料密度 < 1-2% 表面和界面粗糙度 < 3-5 nm
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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
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反射率测量(XRR)对样品的要求