用于纳米测量的扫描X射线干涉技术

　　1　引　　言

　　八十年代,由于扫描隧道显微镜的发明和应用,使人们增加了观测原子量级微观世界的能力,它和随之出现的各种扫描探针显微术(SPM)一起在生 物、化学、物理学、微电子学、材料学、摩擦学等领域的应用日益广泛,一门新兴的科学即纳米科学与技术正在形成,但是,目前以SPM为基础的观测技术只能给 出纳米级的分辨率,却不能给出表面结构准确的纳米尺寸,这是因为到目前为止还缺少简便的纳米精度(0.1～0.01nm)的尺寸测量和定标手段。特别是对 纳米制造即所谓原子操作来说,如果不能给出准确的位置,不可能有任何的实际意义。因此迫切需要一种具有纳米甚至亚纳米精度的装置对其进行定标。

　　六十年代,美国NBS(现称NIST)和德国PTB分别对硅(220)晶体的晶面间距进行了测量[1],测量结果如下:

　　PTB:d=192015.560±0.012fm　　　NBS:d=192015.902±0.019fm

　　可见,在不同地域不同条件下生长的硅单晶,其晶面距非常接近。日本NRLM在0.02℃恒温下对(220)晶面间距进行了18天稳定性测试 [2],结果发现该晶面间距的变化为0.1fm。两个实验结果充分说明单晶硅的晶面间距具有较好的稳定性。扫描X射线干涉测量技术,正是利用单晶硅的晶面 间距作为具有亚纳米精度的基本测量单位。再加上X射线的波长比可见光波长小两个数量级,因此容易得到高分辨率。X射线干涉测量纳米测量技术较其它方法对环 境的要求低,测量稳定性好,同时结构也较简单,因此是一种很有潜力的方便的纳米测量方法。

　　2　扫描X射线干涉纳米测量技术基本原理

　　当单色X射线以布拉格角入射到完整的单晶硅晶体上时,根据X射线动力学理论,会有三束出射光(图1a):随着在晶体中传输距离按指数规律衰减的 直接入射光,满足Bragg条件的衍射光和由于异常Borrmann效应而出现的前向衍射光。衍射光和前向衍射光后两束光相对晶面呈对称分布,X射线干涉 仪就是利用了晶体的这一分束特性。为了保证晶片反射晶面的一致性,必须在同一晶块上制作三片互相平行的晶片(图1b),分别称为分束器(S)、镜子(M) 和分析器(A)。当单色X射线以布拉格角入射时,经过分束器和镜子分别衍射后的出射光会聚在分析器上,发生第三次衍射。因而在分析器后就出现放大的 Moire干涉条纹。然后,将分析器与另两片晶片切开,分析器可以沿反射面倒格矢方向相对其它两晶片移动。

　　当分析器移动时,输出光的强度周期性的按正弦规律变化,且分析器每移动一个晶面间距,输出光强就变化一个周期,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,即可得到分析器移动的微位移的大小。如果利用(220)晶面作衍射面,以其晶面间距(0.192nm)作为基 本测量单位,很容易实现纳米精度的测量。