薄膜厚度分布及其均勻性的射線測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種薄膜厚度分布及其均勻性的測量技術(shù)，具體設(shè)及一種基于重帶電 粒子束與自動(dòng)逐次掃描測量相結(jié)合的方式的薄膜質(zhì)量厚度分布及其均勻性的射線測量新 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近幾十年來，薄膜制備科學(xué)與技術(shù)獲得了蓬勃的發(fā)展。由真空蒸鍛、磁控瓣射、分 子束外延等各種成膜方法所制備的薄膜已經(jīng)應(yīng)用到了包括電子信息、能源、航空航天等幾 乎所有的科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，甚至包括激光慣性約束聚變（1C巧運(yùn)樣的高科技領(lǐng)域。薄膜材 料的廣泛應(yīng)用歸因于其與同種材料的大塊物質(zhì)相比具有的不同的物理、化學(xué)特性，而運(yùn)些 特性不僅與薄膜的厚度有關(guān)，還和薄膜的厚度分布和均勻性有關(guān)。一個(gè)明顯的例子是當(dāng)需 要把薄膜做得足夠薄的時(shí)候，就要求薄膜厚度分布的均勻性足夠好，否則就很難做到足夠 ??；在薄膜的使用上，也需要薄膜厚度均勻性足夠好，才能更有效地發(fā)揮薄膜的獨(dú)特性能。
[0003] 盡管目前的制膜技術(shù)已相當(dāng)成熟，但由各種制膜方法制備出來的薄膜都存在不同 程度的膜厚均勻性問題。例如在真空蒸鍛和磁控瓣射制膜中，存在從氣相到固相的急冷凝 聚過程，會(huì)引入各種類型的結(jié)構(gòu)缺陷，而運(yùn)些結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生和分布的隨機(jī)性，必然影響到薄 膜厚度分布的均勻性。薄膜的各種應(yīng)用都要求薄膜厚度的均勻性足夠好，W滿足對(duì)薄膜特 定性質(zhì)的需要，隨著薄膜科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大和深入，運(yùn)種要求會(huì)越來越高。因此，無論是 從提高制備薄膜厚度分布更均勻的技術(shù)方法出發(fā)，還是為應(yīng)用挑選均勻性更好的薄膜出 發(fā)，都需要有一種有效的薄膜厚度分布及均勻性測量技術(shù)。
[0004] 遺憾的是，目前還缺乏運(yùn)樣一種薄膜質(zhì)量厚度分布及均勻性的測量技術(shù)。目前，普 遍用于觀測薄膜表面形貌的臺(tái)階儀或原子力顯微鏡，由于采用的是觸針接觸式測量原理， 由運(yùn)些儀器只能得到薄膜的表面形貌，而不能得到反映薄膜密度和缺陷的質(zhì)量厚度分布及 均勻性；另外，應(yīng)用光學(xué)法的楠圓偏振儀也被用于觀測薄膜的表面形貌，雖然光線可W穿入 薄膜內(nèi)部，但只能進(jìn)入透明材料，對(duì)大多數(shù)非透明材料薄膜，運(yùn)種方法無能為力，即使對(duì)于 透明材料薄膜，也只能給出薄膜的光學(xué)厚度，而不能給出其質(zhì)量厚度?？傊?，現(xiàn)有方法和技 術(shù)不能被用來測量薄膜的質(zhì)量厚度分布及均勻性。 陽〇化]鑒于薄膜質(zhì)量厚度分布及均勻性測量的重要性和目前又缺乏運(yùn)樣的測量方法，本 課題組申請并獲準(zhǔn)了國家自然科學(xué)基金來研究運(yùn)一測量技術(shù)，其研究技術(shù)路線就是采用重 帶電粒子束對(duì)待測薄膜進(jìn)行自動(dòng)逐次掃描測量相結(jié)合的方式得到薄膜的質(zhì)量厚度分布及 其均勻性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的旨在突破目前薄膜質(zhì)量厚度分布均勻性還缺乏測量方法和測量手 段的技術(shù)問題，通過提出一種測量精度高的射線測量方法來實(shí)現(xiàn)運(yùn)一突破。該方法可分析 從數(shù)十納米到數(shù)十微米厚度量級(jí)薄膜的質(zhì)量厚度分布及其均勻性；可用于薄膜制備研究單 位和薄膜使用單位用來測量薄膜質(zhì)量厚度分布及其均勻性。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用由W下技術(shù)措施構(gòu)成的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)。
[0008] 本發(fā)明提出的薄膜質(zhì)量厚度分布及其均勻性的射線測量方法的研究設(shè)計(jì)思路是： 采用重帶電粒子束與自動(dòng)逐次掃描相結(jié)合的測量方式，通過控制待測薄膜在二維水平平面 內(nèi)X方向和Y方向上的移動(dòng)，使帶電粒子束依次穿過薄膜上的每一小塊薄膜面元，獲得帶電 粒子束穿過每一小塊薄膜面元過程中的能量損失值，并將其存于計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)中；通過 計(jì)算，由各個(gè)面元處的能量損失值得到各面元的質(zhì)量厚度值，進(jìn)一步通過自編的計(jì)算機(jī)軟 件處理得到整塊待測薄膜質(zhì)量厚度分布及其均勻性的圖形表征。其具體做法是：首先，建立 一套采用射線測量薄膜質(zhì)量厚度分布及其均勻性的實(shí)驗(yàn)裝置，用準(zhǔn)直器將放射源發(fā)射出的 重帶電粒子在真空室內(nèi)準(zhǔn)直為重帶電粒子束，通過位移平臺(tái)控制系統(tǒng)控制固定有待測薄膜 的二維電控位移平臺(tái)在二維水平平面內(nèi)的X方向和Y方向上W設(shè)定的步長、時(shí)間間隔和掃 描測量點(diǎn)數(shù)移動(dòng)，W獲得重帶電粒子束穿過每一小塊薄膜面元過程的能量損失值，并將運(yùn) 些能量損失值自動(dòng)保存到計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)中；其次，根據(jù)能量損失值和重帶電粒子束在待 測薄膜材料中的阻止本領(lǐng)與待測薄膜面元質(zhì)量厚度值Ξ者之間的關(guān)系，經(jīng)計(jì)算得到待測薄 膜的每一小塊薄膜面元的質(zhì)量厚度值；最后，通過自編的"薄膜厚度分布及其均勻性表征" 的計(jì)算機(jī)軟件分析處理得到整塊待測薄膜的質(zhì)量厚度分布及其均勻性W及運(yùn)一分布均勻 性的圖形表征。
[0009] 本發(fā)明提出的一種薄膜質(zhì)量厚度分布及其均勻性的射線測量方法，按照本發(fā)明， 該方法采用重帶電粒子束與自動(dòng)逐次掃描測量相結(jié)合的方式，通過控制待測薄膜在二維水 平平面的移動(dòng)，獲得帶電粒子束依次穿過薄膜上每一小塊面元過程的能量損失值，將其存 于計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)中；通過計(jì)算，由各面元的能量損失值得到各面元的質(zhì)量厚度值，進(jìn)一步 通過分析處理得到整塊待測薄膜的質(zhì)量厚度分布及其均勻性，W及整塊待測薄膜的質(zhì)量厚 度分布均勻性的圖形表征；包括W下步驟：
[0010] (1)將由放射源發(fā)射出的重帶電粒子在真空室內(nèi)通過準(zhǔn)直器準(zhǔn)直為重帶電粒子 束；
[0011] (2)將待測薄膜固定在二維電控位移平臺(tái)上，并與步驟（1)準(zhǔn)直后的重帶電粒子 束的出射方向垂直； 陽〇1引 做通過位移平臺(tái)控制系統(tǒng)控制步驟似中固定有待測薄膜的二維電控位移平臺(tái) 在二維水平平面內(nèi)W設(shè)定的步長、時(shí)間間隔和掃描測量點(diǎn)數(shù)移動(dòng)；
[0013] (4)通過步驟（3)中二維電控位移平臺(tái)在二維水平平面的移動(dòng)，使得經(jīng)過準(zhǔn)直器 準(zhǔn)直后的重帶電粒子束依次穿過待測薄膜上每一小塊薄膜面元，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)逐次掃描測量， 并得到重帶電粒子束在穿過每一小塊薄膜面元過程中的能量損失值A(chǔ)E;
[0014] (5)將步驟（4)獲得的能量損失值保存于計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)中，根據(jù)能量損失值ΔΕ 和重帶電粒子束在待測薄膜材料中的阻止本領(lǐng)祀/dXm與待測薄膜面元質(zhì)量厚度值tmS者 之間的關(guān)系： 陽 01 引 tm=δε/(祀/dXm) (1)
[0016] 由公式（1)計(jì)算得到待測薄膜的每一小塊薄膜面元的質(zhì)量厚度值；
[0017] (6)由步驟（5)所得的每一小塊薄膜面元的質(zhì)量厚度值，通過自編的計(jì)算機(jī)軟件 分析處理得到整塊待測薄膜的質(zhì)量厚度分布及其均勻性；W及整塊待測薄膜質(zhì)量厚度分布 均勻性的圖形表征。
[0018] 上述技術(shù)方案中，所述重帶電粒子束優(yōu)先選用放射源α粒子束，也可選用加速器 重帶電粒子束。
[0019] 上述技術(shù)方案中，所述固定有待測薄膜的二維電控位移平臺(tái)是在二維水平平面內(nèi) 的X方向和Υ方向上W設(shè)定的步長、時(shí)間間隔和掃描測量點(diǎn)數(shù)，在位移平臺(tái)控制系統(tǒng)的控制 下自動(dòng)移動(dòng)，直到完成所設(shè)定的測量面元數(shù)。
[0020] 上述技術(shù)方案中，所述自編的計(jì)算機(jī)軟件分析處理過程，W及整塊待測薄膜質(zhì)量 厚度分布均勻性的圖形表征是通過發(fā)明人自編的"薄膜厚度分布及其均勻性表征"的計(jì)算 機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)的。
[0021] 本發(fā)明提供的用于實(shí)現(xiàn)薄膜質(zhì)量厚度分布及其均勻性的射線測量方法的測量裝 置，包括由探測器、前置放大器、線性放大器、偏壓電源、多道分析器和計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)構(gòu)成 的重帶電粒子譜儀系統(tǒng)，由二維電控位移平臺(tái)和位移平臺(tái)控制系統(tǒng)構(gòu)成的二維掃描及控制 系統(tǒng)；由放射源和準(zhǔn)直器構(gòu)成的重帶電粒子發(fā)生系統(tǒng)；由真空室、真空累和真空計(jì)構(gòu)成的 真空系統(tǒng)；所述放射源、準(zhǔn)直器、探測器、前置放大器、待測薄膜和用于固定待測薄膜的二維 電控位移平臺(tái)均置于真空室內(nèi)；二維電控位移平臺(tái)與位于真空室外的位移平臺(tái)控制系統(tǒng)連 接；真空累和真空計(jì)分別與真空室連接；探測器依次與前置放大器、線性放大器、多道分析 器和計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)連接；其中，偏壓電源、線性放大器和多道分析器安裝于ΝΙΜ機(jī)箱內(nèi)， ΝΙΜ機(jī)箱為偏壓電源、線性放大器和多道分析器提供工作電壓；偏壓電源與前置放大器相 連接，為前置放大器和探測器提供工作電壓；探測器輸出的信號(hào)經(jīng)過前置放大器和線性放 大器放大后，由多道分析器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。
[0022] 本發(fā)明提供的薄膜質(zhì)量厚度分布及其均勻性的測量裝置中，測量時(shí)為了減小空氣 對(duì)重帶電粒子能量的影響，將所述放射源、準(zhǔn)直器、探測器、前置放大器、待測薄膜和用于固 定待測薄膜的二維電控位移平臺(tái)均置于真空室內(nèi)；通過真空累對(duì)真空室抽真空，并由真空 計(jì)來實(shí)時(shí)監(jiān)測真