LLL型X射线干涉仪中的晶片厚度的最佳选择

　　X射线干涉仪是1965年发明的,其组成形式有多种,LLL型干涉仪由于加工方便,性能良好而受到青睐。由于近年来纳米测量、纳米工艺及纳米材料等纳米科学与技术的研究发展非常迅速,而LLL型X射线干涉计量术由于在纳米、亚纳米领域计量的特殊优越性,因而愈来愈显示出其重要的研究及应用价值。

　　一、研究LLL型X射线干涉仪的重要意义

　　1.建立亚纳米量级长度尺寸的基准

　　目前,出现了以扫描探针显微术(SPM)为代表的各种各样的纳米测量装置,如扫描隧道显微镜(STM)、近场扫描光学显微系统(NSOM)等。尽管它们具有纳米量级的分辨率,但难以实现纳米尺度的精密测量。因此,迫切需要建立纳米级甚至更高精度并且不受人为因素影响的基准。而LLL型X射线干涉仪以不受地域、温度等因素影响的非常稳定的硅单晶的晶格作为长度基准,其尺度为埃的数量级,故又称为“埃尺”。

　　2.实现物理常数的精确测定

　　最早建立X射线干涉仪的目的在于精确测定阿佛加德罗常数。目前原子量的测量已达10-7数量级,如果晶体密度及点阵常数也能达到该数量级,则阿佛加德罗常数也能达到该量级[1],比目前所能获得的质量基准的精度要好两个数量级,从而进一步在计量学领域实现质量基准的自然化。除此之外,利用X射线/光学组合式干涉测量系统可精确测得晶体的点阵常数,进而可以用来重新测定一些物理常数,如h/e,h/(mc)等,其中:h为普朗克常数,e为电子电荷,m为电子的静止质量,c为光速。

　　3.点阵应变的精确测量和晶体缺陷的观察

　　无论晶片的均匀应变还是非均匀应变,如温度膨胀、微量杂质等影响而造成的位错或层错缺陷,都能从其干涉条纹中反映出来。当晶面间距大约为0.2nm时,能够检测到δd/d≈10-8(d为所选单晶硅反射面的晶面问题,δd为d的变化量)的点阵伸缩。

　　4.其它领域的应用

　　在医学方面,利用LLL型X射线干涉仪可进行病理切片的层析(即CT)分析,其分辨率远高于传统的CT技术;另外,它可准确测量纳弧度量级的小角度及介质折射率。

　　二、LLL型X射线干涉纳米测量的基本工作原理

　　X射线干涉仪是在同一晶片上制作三片互相平行的截面为(111)或(220)晶片(图1),分别称为分束器(S)、镜子(M)和分析器(A),材料必须选用高度完整的区熔单晶硅。当X射线以布拉格角入射到分束器上发生劳厄衍射时,会有三束出射光;随着在晶体中传输距离迅速按指数规律衰减的直接入射光,满足布拉格条件的衍射光和由于异常Borrmann效应而出现的前向衍射光[2]。直接入射光仅作为背景噪声源处理,后两束光相对晶面呈对称分布,且光强近似相等,从而实现了X射线的分束。这两束光通过镜子反射后又重新在分析器(A)处会聚,其形成的干涉条纹的间距为原子尺度反射晶面间距的量级,通常观察不到。分析器的作用是使原子尺度的干涉条纹与A中一族反射晶面迭加形成宏观的莫尔干涉条纹。当分析器沿其反射晶面的法线方向移动时,每移动一个晶面间距,由此产生的相位移为2π,输出光强变化一个周期,输出光的强度周期性按正弦规律变化。其空间变化的周期仅与晶面间距有关,而与X射线的波长无关。这样通过计算接收信号的周期数,乘以相应的晶面间距,即可得到分析器的微位移大小。如果利用(220)晶面作反射晶面,以其晶面间距(0.192nm)作为基本测量单位,很容易实现亚纳米尺寸的精密测量。