技术领域
[0001] 本
发明涉及材料近表面分析的领域，特别涉及一种用于测量薄膜厚度的方法。
背景技术
[0002]
中子深度剖面(NDP)分析是一种材料近表面分析技术，其基于Li、Be、B等轻元素核素俘获中子后发生(n，p)或(n，α)反应，释放出带电粒子，出射粒子具有特定的
动能，通过测定出射粒子的
能量可以进行元素的定性和定量分析，从反应发生的
位置到样品表面的能损则是该元素位置(深度)的量度。中子深度剖面分析技术对分析的样品没有破坏，并且衬底材料对测量的影响小。
[0003] 现有的薄膜测量方法主要有透射电镜测量法，
X射线反散射法，β射线透射法，激光干涉等方法，这些测量方法都有各自的特点，适用于不同的场合。
发明内容
[0004] 本发明将中子深度剖面分析用于测量薄膜厚度，提供一种测量尺度和
精度可达
纳米级别的方法。可用于
真空蒸发镀膜，离子溅射，化学沉积，
电沉积等方法得到的薄膜样品厚度的测量。
[0005] 本发明提供一种测量薄膜厚度的方法，包括以下步骤：
[0006] S1：使用中子束辐照待测薄膜，所述薄膜上设置有第一表层，所述第一表层包含10B或6Li，中子束从第一表层入射，测量10B(n，α)7Li或6Li(n，α)3H反应产生的出射α粒子或3H粒子的能谱；
[0007] S2：由步骤S1测量得到的出射α粒子或3H粒子的能谱得到α粒子或3H粒子的初始能量和α粒子或3H粒子离开薄膜表面时的能量，计算得到薄膜的厚度。
[0008] 在一些实施方案中，中子为
热中子或冷中子，来自注量率为106cm-2s-1以上的反应堆中子源，特别地，中子束直径小于15mm。
[0009] 在一些实施方案中，薄膜为金属薄膜、非金属薄膜或
聚合物薄膜，和/或薄膜的厚度为10-1000nm，特别地，薄膜由选自以下材料中的一种或多种制成：
铜、金、
银、铂、
铝、
钛、镍、铬、聚乙烯、
石墨烯。
[0010] 在一些实施方案中，第一表层包含锂盐、
硼化物或硼酸盐，例如LiF、LiCl、LiBr、LiI、
碳酸锂、
硝酸锂、
硫酸锂、碳化硼、四硼酸钠，和/或第一表层的厚度为1至100nm。
[0011] 在一些实施方案中，将薄膜设置在基底上，所述基底包括基体。
[0012] 在一些实施方案中，基底还包括位于基体上的第二表层，第二表层位于薄膜与基体之间。
[0013] 在一些实施方案中，基体由选自金属、
氧化物或聚合物中的一种或多种制成，特别地，基体由选自以下材料中的一种或多种制成：SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2、Al、Fe、PMMA、聚碳酸酯。
[0014] 在一些实施方案中，第二表层的厚度为1至200nm，和/或第二表层包含锂盐、
硼化物或硼酸盐，例如LiF、LiCl、LiBr、LiI、碳酸锂、硝酸锂、硫酸锂、碳化硼、四硼酸钠。
[0015] 在一些实施方案中，步骤S2中通过下式计算薄膜的厚度：
[0016]
[0017] 其中，χ为薄膜的厚度；
[0018] E0为出射粒子的初始能量；
[0019] E(χ)为出射粒子离开薄膜表面时的能量；
[0020] S(E)为薄膜材料对出射粒子的阻止本领。
[0021] 在一些实施方案中，使用Si探测器测量10B(n，α)7Li或6Li(n，α)3H反应产生的出射α粒子或3H粒子的能谱。
[0022] 本发明能够实现以下有益效果：
[0023] 本发明利用核反应产生的带电粒子在薄膜材料中的能量损失测量薄膜厚度，测量精度可以达到纳米级，从而为薄膜厚度测量提供一种非破坏性的新测量方法。
附图说明
[0024] 通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本领域技术人员将能够更加全面地理解本发明的其它目的和优点。
[0025] 图1示出了根据本发明一个实施方案测量薄膜厚度的装置示意图。
[0026] 图中的附图标记含义如下：
[0027] 1：真空室
[0028] 2：探测器
[0029] 3：样品
[0030] 4：样品架
具体实施方式
[0031] 下面通过
实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在
说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。
[0032] 在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
[0033] 本发明将中子深度剖面分析用于测量薄膜厚度，通过核反应产生的带电粒子在薄膜材料中的能量损失计算薄膜厚度，测量精度可以达到纳米级，从而为薄膜厚度测量提供一种非破坏性的新测量方法。
[0034] Li、Be、B等轻元素核素在俘获中子后发生(n，p)或(n，α)反应，放出带电粒子如p粒子或α粒子。例如用中子束
辐射包含10B或6Li的物质会发生10B(n，α)7Li或6Li(n，α)3H反应。典型的核反应如下所示：
[0035] 10B+n→7Li(840keV)+4He(1472.4keV)+γ(478keV)(93.7％)
[0036] 10B+n→7Li(1013keV)+4He(1776.7keV)(6.3％)
[0037] 6Li+n→4He(2056keV)+3H(2727keV)
[0038] 本发明的方法利用上述核反应，使用中子束辐照待测薄膜，所述薄膜上设置有第一表层，所述第一表层包含10B或6Li，中子束从第一表层一侧入射，10B俘获中子后发生10B(n，α)7Li反应，出射α粒子，6Li俘获中子后发生6Li(n，α)3H反应，出射α粒子或3H粒子，测量10B(n，α)7Li或6Li(n，α)3H反应产生的能谱，能够得到出射α粒子或3H粒子的初始能量，即离开第一表层的α粒子或3H粒子的能量，以及α粒子或3H粒子离开薄膜表面时的能量，从而得到反应产生的α粒子或3H粒子穿越薄膜前后的能量差，根据该能量差与薄膜厚度之间的关系可以计算得到薄膜的厚度。
[0039] 本发明中使用的中子为热中子或冷中子，来自注量率为106cm-2s-1以上的反应堆中子源。一般用10B或6Li材料进行
准直，使得中子束直径小于15mm。
[0040] 第一表层设置在待测薄膜上，起到提供出射α粒子或3H粒子的作用。第一表层包含10B或6Li，在接受中子束辐照时发生10B(n，α)7Li或6Li(n，α)3H反应，出射α粒子或3H粒子。
第一表层包含锂盐、硼化物或硼酸盐，例如LiF、LiCl、LiBr、LiI、碳酸锂、硝酸锂、硫酸锂、碳化硼、四硼酸钠，第一表层的厚度为1至100nm，特别地，为2-80nm，或为5-50nm，在一些实施方案中，为约10nm或20nm。第一表层的厚度应当选择为能够产生足够多的能够从第一表层出射的α粒子或3H粒子，从而能够获得准确的测量结果。
[0041] 适用于通过本发明的方法测量厚度的薄膜可以为金属薄膜、非金属薄膜或聚合物薄膜，特别地，薄膜由选自以下材料中的一种或多种制成：铜、金、银、铂、铝、钛、镍、铬、聚乙烯、
石墨烯。薄膜的厚度可以为10-1000nm，特别地，薄膜的厚度为50-500nm，在一些实施方案中，薄膜的厚度为100-300nm，例如为约200nm。薄膜的厚度和材料应当选择为使得由第一表层出射的α粒子或3H粒子能够完全穿过薄膜，从而能够获得穿透薄膜所损失的能量，进而计算出薄膜的厚度。
[0042] 由于待测薄膜的厚度可以低至纳米级别，可能会使得测量的操作存在一定难度。因此，为了便于进行测量，可以将待测薄膜设置在基底上，用基底为薄膜提供一定的
支撑。
基底包括基体，基体的材料应当对中子束辐照保持稳定，可以由选自金属、氧化物或聚合物中的一种或多种制成，特别地，基体由选自以下材料中的一种或多种制成：SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2、Al、Fe、PMMA、聚碳酸酯。在一些实施方案中，采用SiO2基体。
[0043] 任选地，基底还可以包括位于基体上的第二表层，第二表层位于薄膜与基体之间，从而形成基体-第二表层-待测薄膜样品-第一表层的结构。
[0044] 第二表层的厚度可以为1至200nm，特别地，为2-100nm，或为5-50nm，在一些实施方案中，为约10nm或20nm。第二表层可以包含10B或6Li，任选地包含锂盐、硼化物或硼酸盐，例如LiF、LiCl、LiBr、LiI、碳酸锂、硝酸锂、碳化硼、四硼酸钠。
[0045] 在一些实施方案中，第一表层和第二表层具有相同的厚度和组成。这种情况下，可以使用中子束辐照包括基体和第二表层的基底，中子束从第二表层入射，测量10B(n，α)7Li或6Li(n，α)3H反应产生的出射α粒子或3H粒子的能谱，由此确定所使用的厚度对于该组成的表层是否能够进行有效、准确的测量。但是，本发明的方法也可以在不使用基底、基底中不包括第二表层以及第二表层的组成和厚度与第一表层不同的情况下进行测量。
[0046] 在获得核反应产生的α粒子或3H粒子穿越薄膜前后的能量差后，通过下式计算薄膜的厚度：
[0047]
[0048] 其中，χ为薄膜的厚度；
[0049] E0为出射粒子的初始能量；
[0050] E(χ)为出射粒子离开薄膜表面时的能量；
[0051] S(E)为薄膜材料对出射粒子的阻止本领。
[0052] 本领域技术人员知晓如何获得各种物质的阻止本领数据。化合物和混合物的阻止本领可用Bragg定律计算。带电粒子在物质中的射程可以用SRIM等
软件进行计算。
[0053] 图1示出了根据本发明一个实施方案测量薄膜厚度的装置示意图。测量在真空室1中进行，内部设置有探测器2、样品3和样品架4，探测器2可以在一定的
角度范围内移动，样品3固定于样品架4上，样品架4相对于中子束入射方向的夹角可以调节。真空室1相对的两侧分别设置有中子束入口和出口，中子束的入射方向与样品平面之间的夹角为约45±5°，在一些实施方案中为约45±3°，探测器的探测方向与样品平面之间的夹角为约90±10°，在一些实施方案中为约90±5°。如此选择夹角所获得的
光谱展宽有利于提高数据准确程度和灵敏度，缩短
数据处理时间。
[0054] 本发明的测量方法采用Si
半导体探测器测量出射带电粒子的能量，可以选择面垒探测器、PIN探测器、PIPS探测器等，特别地，选择本底低、暗
电流小的探测器。
[0055] 以下通过实施例进一步描述本发明，但其不以任何方式限制本发明的实施方式和范围。
[0056] 实施例
[0057] 实施例中采用的装置如图1所示，中子束的入射方向与样品平面之间的夹角为约42°，
硅探测器的探测方向与样品平面之间的夹角为约90°。使用的中子为热中子，来自注量率为106cm-2s-1以上的反应堆中子源，采用10B或6Li材料进行准直，使得中子束直径小于
15mm。使用蒸发镀膜的方法形成各层膜，使用SRIM软件进行计算。
[0058] 实施例1
[0059] 在SiO2基体上镀10nm的LiF，然后镀一层几百纳米Cu，在Cu层上再镀10nm的LiF，用中子束从LiF一侧入射辐照样品，用Si探测器测量6Li(n，α)3H反应的能谱，在Si探测器上测得出射的3H粒子初始能量为6586道，能量对应为2727keV；3H粒子经过Cu薄膜后，在Si探测器上能量为6545道，对应2707keV。能量损失为41道，计算得出薄膜的厚度为200nm。
分辨率为约0.2道/nm。
[0060] 实施例2
[0061] 使用与实施例1相同的样品和中子束辐照，不同之处在于用Si探测器测量6Li(n，α)3H反应出射的α粒子的能谱，测得α粒子的初始能量为4946道，对应于2055keV，经过Cu薄膜后能量为4645道，对应于1921keV，能量损失为301道，对应于134keV，计算Cu薄膜厚度为200nm。分辨率为1.5道/nm。
[0062] 从以上实施例可以看出，通过本发明的方法可以测量数百纳米的薄膜厚度，通过测量α粒子或3H粒子的能量得到的结果是一致的，但是二者得到的分辨率并不相同，可以根据薄膜的厚度，考虑α粒子和3H粒子的能量、穿透能
力，选择更合适的粒子进行测量。
[0063] 虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明的实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。
[0064] 本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明总体构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以
权利要求和它们的等同物限定。
