XRR是什么?

XRR是一種方便、快速的分析單層或多層薄膜和表面的方法，是一種納米尺度上的分析方法，同時(shí)可實(shí)現無(wú)損分析。例如，通過(guò)原子層沉積(ALD)技術(shù)沉積的薄膜可以用XRR表征薄膜的厚度、密度和界面的粗糙度，同樣也適用于其他方法制備的薄膜，如通過(guò)分子層沉積(MLD)沉積的有機/無(wú)機超晶格。與光學(xué)橢偏法不同，該方法不需要預先了解薄膜的光學(xué)性質(zhì)，也不需要假設薄膜的光學(xué)性質(zhì)。然而，XRR不能提供有關(guān)材料晶體結構的信息，并且多層膜只能在有限的深度內表征。

XRR簡(jiǎn)單原理介紹

XRR分析可以在晶體和非晶材料上進(jìn)行，當X射線(xiàn)以掠入射角度照到材料平面上時(shí)，在某個(gè)特定角度下將會(huì )發(fā)生全反射現象，這個(gè)角非常小，稱(chēng)為臨界角（θc）。角度的變化取決于材料的密度。入射X射線(xiàn)的角度相對于臨界角越高，X射線(xiàn)透射到材料中的深度就越深。對于表面理想平坦的材料，反射率強度在超過(guò)臨界角的角度上以θ-4的比例陡降。在XRR分析中，X射線(xiàn)源提供高亮度的X射線(xiàn)束，以非常低的入射角從平面反射。XRR系統測量在鏡面方向反射的x射線(xiàn)的強度。如果層與層之間的界面或者層與襯底之間的界面，不是很銳利和光滑，那么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。然后可以分析X射線(xiàn)反射測量的偏差，以獲得與表面法向的界面密度剖面，同時(shí)通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件建模、擬合分析來(lái)確定膜層厚度，密度和界面粗糙度。

▲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
量測薄膜或界面粗糙度

XRR樣品要求

表面光滑、均勻的樣品（roughness < 3~5nm）沿著(zhù)X射線(xiàn)方向，樣品長(cháng)度至少3-5mm

XRR應用分享（一）

本應用示例中，我們在布魯克新品桌面衍射儀D6 PHASER上對鎢薄膜進(jìn)行反射率應用分析。新款D6 PHASER桌面衍射儀，通過(guò)特殊短距離前光路設計產(chǎn)生平行光，配合可調整樣品表面法線(xiàn)方向及定位的通用樣品臺，實(shí)現針對樣品的XRR的測量。應用中可針對樣品類(lèi)型選擇專(zhuān)為薄膜樣品開(kāi)發(fā)的彈簧臺或者真空吸臺。任何具備高計數模式的LYNXEYE系列探測器均可滿(mǎn)足測試需求。此外，通過(guò)調節光束限制系統，可實(shí)現提高儀器分辨率，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，從極低角度即可開(kāi)始測試（如0.2°或者0.1°）。當然在測量的動(dòng)態(tài)范圍很大的條件下需要使用吸收器。與傳統的XRD儀器相比，D6 PHASER中的信號得到了明顯增強，測量周期更短，條紋持續時(shí)間長(cháng)，測量時(shí)間約為幾分鐘。測量數據被導入到布魯克開(kāi)發(fā)的分析軟件DIFFRAC.XRR中，軟件可實(shí)現歸一化處理，將數據合并為單數據集。同時(shí)，使用FFT插件可以快速估計薄膜厚度。該分析轉換了產(chǎn)生與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(guān)察到21.2 nm處的單峰。

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

為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，然后對數據執行回歸處理。在這里可以發(fā)現除了襯底和薄膜外，Si和W之間以及W表面還存在界面層。

D6 PHASER及DIFFRAC.XRR是進(jìn)行薄膜反射率分析的一對利器。

DIFFRAC.XRR應用動(dòng)力學(xué)散射理論進(jìn)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(jìn)行優(yōu)化，使XRR曲線(xiàn)與實(shí)測數據擬合。實(shí)驗貢獻，如儀器分辨率、背景被整合，以準確地描述測量?？焖俜€定的擬合算法確保了收斂性，并提供了可靠的結果。

▲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