專利名稱：基于x射線衍射儀測量超光滑表面的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及檢測超光滑表面粗糙度的方法，特別是一種用X射線衍射儀測量超光
滑表面粗糙度的方法。
背景技術(shù)：
目前，在半導體和短波段光學領(lǐng)域，測量超光滑表面的一般采用的方法是光學干涉法和接觸法。干涉法測量設備結(jié)構(gòu)復雜，成本較高；而采用接觸式測量時，探頭與表面接觸，容易劃傷表面。 在用散射法測量光學表面方面，R. S. Wriston、尼啟良、陳淑妍等研究了在真空條件下用軟X射線或紫外線散射法測量粗糙表面的方法[1—3]。這種方法基于標量散射理論，用來測量較粗糙的表面(o皿> 3nm)。但是測量設備復雜，涉及到抽真空問題，費時且操作不方便。J.M.Elson， J. C. stover等利用可見光的散射測量粗糙表面^w。這種方法也是以標量散射理論為基礎，主要用于測量更大粗糙的表面(oMS> 100nm)。而對于超光滑表面(oMS< 2nm)，散射現(xiàn)象主要是由中高頻誤差引起的。因為可探測的表面最小橫向尺寸與探測波長相當，無論是可見光散射法還是軟X射線散射法，只能給出中低頻誤差引起的散射信息，所以我們不能得到更精確的表面微觀信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服目前慣用的檢測超光滑表面粗糙度的方法存在的上述種種缺陷，提出一種基于X射線衍射儀測量超光滑表面的方法，以實現(xiàn)能對均方根表面粗糙度小于2nm的超光滑表面的功率譜密度函數(shù)(PSD)及其有效表面粗糙度值進行較精確的 本發(fā)明基于X射線衍射儀測量超光滑表面的方法，以波長A小于4A的X射線作為探測光束(否則射線在空氣中傳播時有強烈的吸收)掠入射到置于樣品臺上的被測樣品表面上，其掠入射角小于樣品在X射線波段的全反射臨界角，X射線衍射儀上的探測器以設定的間隔和速度旋轉(zhuǎn)逐步掃描接收從樣品表面反射出的散射光束，記錄逐步的散射光強TI (e)，根據(jù)以下式(1)和式(2)計算獲得一維功率譜密度PSD^(p)和有效表面粗糙度
即)^J——SIL = ^——! I 、 o八".尸幼1/3(>) (1)
W0 d<9 167Tsin仗、/cos仗cos6*
=2"「跳，々)傘 (2)
式中W。為入射到表面上的輻射功率；
dwscat為在散射角d e范圍內(nèi)的輻射功率；PSD1D(p)為表面一維功率譜密度函數(shù)；e 。為光線掠入射角；
e為散射角； p為由一維光柵方程決定的與e禾P e。相關(guān)的空間頻率范圍； [ooi4] t( e)為理想光滑表面的傳輸因子； e為介質(zhì)的復介電常數(shù)；
k為波矢量。 本發(fā)明測量方法，借助于X射線衍射儀即可實現(xiàn)對均方根表面粗糙度小于2nm的 超光滑表面的功率譜密度函數(shù)(PSD)及其有效表面粗糙度值進行較精確的定量測量，測量 設備手段簡單、操作方便，利用該方法可以測量超光滑表面的中高頻誤差以及研究固體的 亞表面結(jié)構(gòu)。


圖1是在X射線衍射儀上測量超光滑表面的光學系統(tǒng)示意圖；
圖2是o =0. 67nm的硅片用GXRS法和AFM法所獲得的PSD圖；
圖3是o =0. 46nm的硅片用GXRS法和AFM法所獲得的PSD圖；
圖4是o = 0. 29nm的硅片用GXRS法和AFM法所獲得的PSD圖。
具體實施例方式
通過以下實施例對本發(fā)明方法作進一步詳細說明。 參照圖l，按以下作法在以銅靶的K。 (X=1.54 A)譜線作光源的商用X射線衍射 儀上測量超光滑表面粗糙度 將待測樣品固定在樣品臺上，使待測表面位于入射狹縫和接收狹縫形成的平面 上。通過調(diào)整樣品臺使探測光束以9。 = 0. 18°掠入射到待測樣品l表面上，其掠入射角 9 。小于樣品在X射線波段的全反射臨界角。狹縫的寬度從左至右分別為20 m、50 m、 20iim，光源-樣品間距離為185mm，樣品-探測器間距離也為185mm。調(diào)節(jié)設置在樣品臺 上的微調(diào)刀口 2與被測樣品表面的夾縫，以避免探測光束直接射入X射線衍射儀的光子計 數(shù)探測器3。 X射線衍射儀上的光子計數(shù)探測器3以設定的間隔(18〃 )和速度(18〃 /S)
旋轉(zhuǎn)逐步掃描接收從樣品表面反射出的散射光束，記錄逐步的散射光強n (e)，根據(jù)一級
矢量微擾理論公式(1)和公式(2)計算獲得一維功率譜密度PSDjp)和有效表面粗糙度




n的=丄i = * |i—4 「"oM， . (i)
,o M 16"sin6U/cos6^cos61
/=2"廣尸幼丄)傘 (2)
式中W。為入射到表面上的輻射功率；
dwscat為在散射角d e范圍內(nèi)的輻射功率； PSD1D(p)為表面一維功率譜密度函數(shù)； e 。為光線掠入射角； e為散射角；
p為由一維光柵方程決定的與e和e。相關(guān)的空間頻率范圍；
4
t (e)為理想光滑表面的傳輸因子； e為介質(zhì)的復介電常數(shù)； k為波矢量。 按上述做法分別測量以下三個不同粗糙度的硅片樣品試驗例 用原子力顯微鏡(AFM)測得該三個樣品的表面粗糙度及其他參數(shù)如表1所示。所
選取的樣品具有比較光滑的表面(o s < 2nm)，且表面沒有顯著的瑕疵。 表l樣品的基本參數(shù)
樣品硅片l硅片2硅片3
粗糙度測量值(nm)0.670.460.29
尺寸(mmxmm)10X13.510X11.512.8X12.9 而用上述的掠入射X射線散射(GXRS)法得到的三個不同粗糙度硅片的一維功率 譜密度PSDjp)分別如圖2、圖3、圖4所示；由公式(2)計算得到的有效表面粗糙度orff 如表2所示。 表2GXRS法和AFM法得到的均方根粗糙度值
樣品硅片l硅片2硅片3
粗糙度(nm)0.670.460.29
AFM測量面積((amx(im)50x5050x5050x50
GXRS粗糙度(nm)0.920.680.47
領(lǐng)懂面禾只(mmxmm)10X13.510X11.512.8 X 12.9 從表2可以看出掠入射X射線散射法測量面積遠大于AFM掃描范圍，因此在空間 中頻區(qū)域掠入射X射線散射(GXRS)法得到PSD應高于AFM得到PSD，而在空間高頻區(qū)，兩者 則基本一致，如圖2、圖3、圖4所示，實驗結(jié)果與理論相符。
權(quán)利要求
一種基于X射線衍射儀測量超光滑表面的方法，其特征在于以波長λ小于的X射線作為探測光束掠入射到置于樣品臺上的被測樣品表面上，其掠入射角小于樣品在X射線波段的全反射臨界角，X射線衍射儀上的光子計數(shù)探測器以設定的間隔和速度旋轉(zhuǎn)逐步掃描接收從樣品表面反射出的散射光束，記錄逐步的散射光強∏(θ)，根據(jù)以下式(1)和式(2)計算獲得表面一維功率譜密度函數(shù)PSD1D(P)和有效表面粗糙度σeff <mrow><mi>&Pi;</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>&theta;</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>W</mi><mn>0</mn> </msub></mfrac><mfrac> <msub><mi>dW</mi><mi>scat</mi> </msub> <mi>d&theta;</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msup> <mi>k</mi> <mn>3</mn></msup><msup> <mrow><mo>|</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>&epsiv;</mi><mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><msup> <mrow><mo>|</mo><mi>t</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>&theta;</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mi>t</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>&theta;</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>|</mo> </mrow> <mi>t</mi></msup> </mrow> <mrow><mn>16</mn><mi>&pi;</mi><mi>sin</mi><msub> <mi>&theta;</mi> <mn>0</mn></msub><msqrt> <mi>cos</mi> <msub><mi>&theta;</mi><mn>0</mn> </msub> <mi>cos</mi> <mi>&theta;</mi></msqrt> </mrow></mfrac><mo>&CenterDot;</mo><msub> <mi>PSD</mi> <mrow><mn>1</mn><mi>D</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>p</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msup> <msub><mi>&sigma;</mi><mi>eff</mi> </msub> <mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>&pi;</mi><msubsup> <mo>&Integral;</mo> <msub><mi>p</mi><mi>min</mi> </msub> <msub><mi>p</mi><mi>max</mi> </msub></msubsup><msub> <mi>PSD</mi> <mrow><mn>1</mn><mi>D</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>p</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>dp</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中W0為入射到表面上的輻射功率；dWscat為在散射角dθ范圍內(nèi)的輻射功率；PSD1D(p)為表面一維功率譜密度函數(shù)；θ0為光線掠入射角；θ為散射角；p為由一維光柵方程決定的與θ和θ0相關(guān)的空間頻率范圍；t(θ)為理想光滑表面的傳輸因子；ε為介質(zhì)的復介電常數(shù)；κ為波矢量。F2009102180633C00011.tif
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于X射線衍射儀測量超光滑表面的方法，其特征在于，采用波長^=1.54人的銅靶的Ka譜線作為探測光束光源。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于X射線衍射儀測量超光滑表面的方法，其特征在于，通過調(diào)節(jié)設置在樣品臺上的刀口與被測樣品表面的夾縫，以避免探測光束直接射入探測器。
全文摘要
本發(fā)明涉及檢測超光滑表面粗糙度的方法，特別是一種基于X射線衍射儀測量超光滑表面的方法，以波長λ小于4的X射線作為探測光束掠入射到置于樣品臺上的被測樣品表面上，其掠入射角小于樣品在X射線波段的全反射臨界角。X射線衍射儀上的光子計數(shù)探測器以設定的間隔和速度旋轉(zhuǎn)逐步掃描接收從樣品表面反射出的散射光束，記錄逐步的散射光強∏(θ)。根據(jù)一級矢量微擾理論公式計算獲得表面一維功率譜密度函數(shù)PSD1D(p)和有效表面粗糙度σeff。本方法可對均方根表面粗糙度小于2nm的超光滑表面的功率譜密度函數(shù)及其有效表面粗糙度值進行較精確的定量測量，其測量設備手段簡單、操作方便。
文檔編號G01T1/00GK101738407SQ20091021806
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月22日
發(fā)明者王永剛, 陳波 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所