[发明专利]薄膜厚度分布及其均匀性的射线测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄膜厚度分布及其均匀性的测量技术，具体涉及一种基于重带电粒子束与自动逐次扫描测量相结合的方式的薄膜质量厚度分布及其均匀性的射线测量新方法。

背景技术

近几十年来，薄膜制备科学与技术获得了蓬勃的发展。由真空蒸镀、磁控溅射、分子束外延等各种成膜方法所制备的薄膜已经应用到了包括电子信息、能源、航空航天等几乎所有的科学与技术领域，甚至包括激光惯性约束聚变(ICF)这样的高科技领域。薄膜材料的广泛应用归因于其与同种材料的大块物质相比具有的不同的物理、化学特性，而这些特性不仅与薄膜的厚度有关，还和薄膜的厚度分布和均匀性有关。一个明显的例子是当需要把薄膜做得足够薄的时候，就要求薄膜厚度分布的均匀性足够好，否则就很难做到足够薄；在薄膜的使用上，也需要薄膜厚度均匀性足够好，才能更有效地发挥薄膜的独特性能。

尽管目前的制膜技术已相当成熟，但由各种制膜方法制备出来的薄膜都存在不同程度的膜厚均匀性问题。例如在真空蒸镀和磁控溅射制膜中，存在从气相到固相的急冷凝聚过程，会引入各种类型的结构缺陷，而这些结构缺陷产生和分布的随机性，必然影响到薄膜厚度分布的均匀性。薄膜的各种应用都要求薄膜厚度的均匀性足够好，以满足对薄膜特定性质的需要，随着薄膜科学应用领域的扩大和深入，这种要求会越来越高。因此，无论是从提高制备薄膜厚度分布更均匀的技术方法出发，还是为应用挑选均匀性更好的薄膜出发，都需要有一种有效的薄膜厚度分布及均匀性测量技术。

遗憾的是，目前还缺乏这样一种薄膜质量厚度分布及均匀性的测量技术。目前，普遍用于观测薄膜表面形貌的台阶仪或原子力显微镜，由于采用的是触针接触式测量原理，由这些仪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质量厚度分布及均匀性；另外，应用光学法的椭圆偏振仪也被用于观测薄膜的表面形貌，虽然光线可以穿入薄膜内部，但只能进入透明材料，对大多数非透明材料薄膜，这种方法无能为力，即使对于透明材料薄膜，也只能给出薄膜的光学厚度，而不能给出其质量厚度。总之，现有方法和技术不能被用来测量薄膜的质量厚度分布及均匀性。

鉴于薄膜质量厚度分布及均匀性测量的重要性和目前又缺乏这样的测量方法，本课题组申请并获准了国家自然科学基金来研究这一测量技术，其研究技术路线就是采用重带电粒子束对待测薄膜进行自动逐次扫描测量相结合的方式得到薄膜的质量厚度分布及其均匀性。

发明内容

本发明的目的旨在突破目前薄膜质量厚度分布均匀性还缺乏测量方法和测量手段的技术问题，通过提出一种测量精度高的射线测量方法来实现这一突破。该方法可分析从数十纳米到数十微米厚度量级薄膜的质量厚度分布及其均匀性；可用于薄膜制备研究单位和薄膜使用单位用来测量薄膜质量厚度分布及其均匀性。

为实现上述发明目的，本发明采用由以下技术措施构成的技术方案来实现。

本发明提出的薄膜质量厚度分布及其均匀性的射线测量方法的研究设计思路是：采用重带电粒子束与自动逐次扫描相结合的测量方式，通过控制待测薄膜在二维水平平面内X方向和Y方向上的移动，使带电粒子束依次穿过薄膜上的每一小块薄膜面元，获得带电粒子束穿过每一小块薄膜面元过程中的能量损失值，并将其存于计算机分析系统中；通过计算，由各个面元处的能量损失值得到各面元的质量厚度值，进一步通过自编的计算机软件处理得到整块待测薄膜质量厚度分布及其均匀性的图形表征。其具体做法是：首先，建立一套采用射线测量薄膜质量厚度分布及其均匀性的实验装置，用准直器将放射源发射出的重带电粒子在真空室内准直为重带电粒子束，通过位移平台控制系统控制固定有待测薄膜的二维电控位移平台在二维水平平面内的X方向和Y方向上以设定的步长、时间间隔和扫描测量点数移动，以获得重带电粒子束穿过每一小块薄膜面元过程的能量损失值，并将这些能量损失值自动保存到计算机分析系统中；其次，根据能量损失值和重带电粒子束在待测薄膜材料中的阻止本领与待测薄膜面元质量厚度值三者之间的关系，经计算得到待测薄膜的每一小块薄膜面元的质量厚度值；最后，通过自编的“薄膜厚度分布及其均匀性表征”的计算机软件分析处理得到整块待测薄膜的质量厚度分布及其均匀性以及这一分布均匀性的图形表征。