نفیسه شریفی بازتاب‌سنج پرتو ایکس

روش‌های نوین شناسایی نانوساختارها روش‌های مبتنی بر اشعه X XRR

بازتاب پرتو ايكس بازتاب پرتو ايكس يا بازتاب‌سنج پرتوايكس در مطالعه علم سطح بسيار مورد توجه است. این تكنيك براي تعيين مشخصه‌هاي سطح ازجمله ضخامت، چگالي و زبري لايه‌هاي نازك و ساختارهای چندلايه‌اي به کار گرفته می‌شود. اين تكنيك براين اساس است كه پرتویی از پرتوها يا يكساز سطح صاف و همواری بازتاب مي‌شود و سپس شدت پرتوهاي بازتاب شده اندازه‌گيري مي‌شود.

بازتاب پرتو ايكس زبری سطح در رفتار فیزیک فصل مشترک مواد در نمونه‌های چندلایه‌ای اهمیت زیادی دارد. سطح زبر میزان بازتاب آینه‌ای پرتو ایکس را کاهش می‌دهد و منجر به پراکندگی پخشی پرتو ایکس می‌شود، که با تمامی روش‌های مبتنی بر پراکندگی پرتو ایکس حساس به سطح مانند XRR قابل مطالعه است. اگر سطح كاملاً صاف نباشد، شدت پرتوهاي بازتابي نسبت به آنچه که با قانون بازتاب فرنل پیش‌بینی می‌شود، منحرف مي‌گردد؛ که این انحراف را مي‌توان براي به دست آوردن مشخصه‌هاي سطح، تحليل و بررسی آنها استفاده كرد. زبری روی ویژگی‌هایی مانند مغناطش، خوردگی و سختی مواد مؤثر است و می‌تواند ساختار نوار الکترونیکی در نیمه‌رسانا را مختل کند. از طرفی زبری در فصل مشترک لایه‌ها منجر به ایجاد نقص‌های بلوری می‌شود و روی کیفیت لایه‌ها مؤثر است.

بازتاب پرتو ايكس براي ساختارهای چندلايه‌اي، در منحنی بازتاب پرتو ايكس، نوساناتي مشاهده می‌شود مشابه اثر فابري-پرو. اين نوسانات درتعيين ضخامت لايه و ديگر خواص آن استفاده مي‌گردد. تداخل سنج فابری-پرو شامل دو آینه بازتاب کننده موازی است که با استفاده از آن طرح‌های تداخلی تشکیل می‌شود. يكي از مهم‌ترين كاربردهاي پرتو ايكس، مشخص كردن چگالي لايه‌هاي نازك در داخل لايه و بين سطوح است.

بازتاب پرتو ايكس در تکنیک XRR، پرتوتکفام و موازي شده ایکس با طول موج λ و با زاويه خراشان (θ) بر سطح نمونه فرود می‌آید. سپس شدت پرتوهاي بازتابيده از سطح نمونه درجهت آينه‌اي که زاويه تابش برابر با زاويه بازتابش است، اندازه‌گيري مي‌شود. در XRR؛ زاویه فرود بایستی خراشان باشد تا پرتو ایکس در ماده نفوذ نکند و همچنین بازتاب کلی در زاویه‌ی کمتر از زاویه بحرانی روی دهد. همچنین نبایستی پرتو ایکس در ماده نفوذ کند. براي تمامي زاویه‌های کمتر از زاویه بحرانی، بازتابش کلی روی می‌دهد و شدت بیشینه خواهد بود.

بازتاب پرتو ايكس در بیشتر مواد، زاویه بحرانی کم تر از 0/3 درجه است. در این زاویه‌های خراشان نمی‌توان اطلاعات عمقی نمونه را به دست آورد. در زاویه‌های بیشتر از زاویه بحرانی، بازتاب از فصل مشترک‌های مختلف با یکدیگر تداخل می‌کنند و فریزهای تداخلی تشکیل می‌شود. دوره تناوب فریزهای تداخلی و افت شدت آنها به ضخامت لایه روی زیرلایه و یا به ضخامت لایه‌ها در نمونه‌های چند لایه‌ای بستگی دارد. آنچه که مشاهده می‌شود به چگونگی پراکندگی پرتو ایکس از اتم‌ها و مولکول‌ها و در واقع پراکندگی از الکترون‌ها بستگی دارد.

بازتاب پرتو ايكس در مواجه پرتو ایکس با موقعیتی از نمونه که چگالی الکترون‌ها تغییر می‌کند: بخشی از پرتو ایکس در زاویه‌ای برابر با زاویه‌ی فرودی، طبق بازتاب آینه‌ای بازتاب می‌شود. بقیه پرتو ایکس به داخل فصل مشترک وارد می‌شود و در صورت برخورد با فصل مشترک بعدی، اتفاق مشابهی که برای فصل مشترک اول روی داد، اتفاق می‌افتد. هر فصل مشترک مقدار مشخصی از پرتو ایکس را بازتاب می‌کند که در نهایت همگی در زاویه یکسانی پراکنده و از نمونه خارج می‌شوند و سپس به طور هم‌زمان به سمت آشکارساز هدایت می‌شوند.

بازتاب پرتو ايكس پرتو ایکس نیز مانند پرتو لیزر دارای ویژگی همدوسی است. این پرتوها با یکدیگر جمع نمی‌شوند، بلکه با یکدیگر تداخل می‌کنند. پرتو نهایی دارای شدت‌های بیشینه و کمینه‌ای است که به فاز پرتوهای بازتاب شده نسبت به یکدیگر بستگی دارد. اندازه‌گیری بازتاب پرتو ایکس به صورت نمايش شدت پرتو ايكس بازتابيده شده از نمونه در زواياي تابشي مختلف است. با افزایش زاویه فرودی به مقادیر بیش از زاویه بحرانی، پرتو به داخل ماده نفوذ می‌کند. برای سطح صاف ایده‌آل، شدت بازتاب طبق معادله‌های فرنل به صورت عکس توان چهارم زاویه فرودی کم می‌شود. برای یک نمونه حقیقی، کاهش شدت بازتاب سریع‌تر اتفاق می‌افتد.

بازتاب پرتو ايكس زبری، نوساناتی را که به علت بازتاب پرتو ایکس از سطح مشترک لایه و زیرلایه است، میرا می‌کند. علت این امر، افزایش پراکندگی است و در نتیجه شدت پرتو بازتاب شده نسبت به سطح صاف بسیار سریع افت می‌کند. در لایه‌های نازک به دلیل تداخل پرتو بازتاب شده از سطح نمونه با پرتو بازتاب شده از فصل مشترک زیرلایه/لایه، نوساناتی در منحنی بازتاب ظاهر می‌شود.

اجزای تشکیل دهنده بازتاب‌سنج پرتو ایکس مختلف دستگاه بازتاب‌سنج پرتو ایکس: منبع تولید پرتو ایکس بخش‌های نوری و مکانیکی آشکارساز

اجزای تشکیل دهنده بازتاب‌سنج پرتو ایکس آینه Göbel، بعد از موازی کردن پرتو ایکس خارج شده از لوله تولید پرتو ایکس، آن را به سطح نمونه می‌تاباند. از آنجایی که بر خلاف نور مرئی، آینه‌های معمولی نمی‌توانند پرتو ایکس را منحرف کنند؛ آینه‌هایی به صورت ساختار بلورگونه نیاز است تا بازتاب براگ از نزدیکی سطح این نوع آینه روی دهد. آینه Göbel، بازتاب کننده‌ای مصنوعی به صورت مجموعه‌ای از لایه‌های متناوب با ضخامت 100 تا 200 نانومتر است که از دو نوع ماده مختلف ساخته شده و ضخامت هر لایه با دقت پیکومتر ساخته شده است. تعبیه شکاف قطع کننده، چنین سیستمی را از سیستم پراش اشعه ایکس متمایز می‌کند. شکاف قطع کننده مساحتی از نمونه را که تحت تابش قرار دارد، کاهش می‌دهد تا دقت و بزرگنمایی زاویه‌ای افزایش یابد.

اجزای تشکیل دهنده بازتاب‌سنج پرتو ایکس معمولاً از آشکارساز سوسوزَن در مجموعه بازتاب‌سنج پرتو ایکس استفاده می‌شود. این نوع آشکارساز یک فوتون با انرژی بیشتر را به تعداد بیشتری فوتون با انرژی کمتر تبدیل می‌کند. برای تغییر زاویه، معمولاً آشکارساز روی حلقه اندازه‌گیری حرکت می‌کند.

آماده سازی نمونه نمونه‌هایی که با استفاده از روش بازتاب پرتوایکس مطالعه می‌شوند، به صورت لایه‌ی نازک یا ساختارهای چندلایه‌ای ساخته می‌شوند که برای ساخت آنها روش‌هایی مانند رسوب فیزیک بخار، کندوپاش و رسوب لایه اتمی به کار گرفته می‌شود. بازتاب‌سنجی پرتو ایکس به چگالی الکترونی و مقدار جذب ماده بستگی دارد و مستقل از ساختار بلوری مواد است. بازتاب‌سنج پرتو ایکس روش اندازه‌گیری غیر تماسی و غیرمخربی است و برای نمونه‌هایی که به اندازه کافی هموار و صاف باشند، به کار برده می‌شود. از این روش می‌توان برای نمونه‌های آمورف، بلوری و نمونه‌های مایع استفاده کرد. XRR، مناسب نمونه‌هایی با ضخامت بین 5 آنگستروم تا 400 نانومتر و زبری سطح بین صفر تا 20 نانومتر است. نمونه‌هایی که لایه‌های مختلف آن و یا مجموعه لایه و زیرلایه، چگالی الکترونی متفاوتی ندارند را نمی‌توان با استفاده از روش XRR بررسی کرد.

طیف بازتابی پرتو ایکس به دلیل تفاوت چگالی الکترونی لایه‌های مختلف در فصل مشترک لایه‌ها که به صورت متفاوت شدن ضرایب بازتاب در اپتیک کلاسیک مطرح می‌شود، پرتو ایکس از فصل مشترک لایه‌ها بازتاب می‌شود. با توجه به این که ضریب شکست مواد برای پرتو ایکس اندکی کوچک‌تر از واحد است، هنگامی که پرتو ایکس با زاویه خراشان به سطح مسطح ماده برخورد می‌کند، بازتاب کلی رخ می‌دهد. با اندازه‌گیری شدت بازتاب کلی بر حسب تابعی از زاویه فرودِ پرتو ایکس نسبت به سطح لایه نازک، نمایه‌ای خواهیم داشت که پارامترهای ساختاری مانند ضخامت، زبری سطح و زبری فصل مشترک، گرادیان چگالی سطحی و چگالی لایه‌ها را می‌توان بررسی کرد.

طیف بازتابی پرتو ایکس با استفاده از زاویه بحرانی می‌توان چگالی لایه (ρ) را بر اساس رابطه روبرو محاسبه کرد: با استفاده از XRR می‌توان ضخامت نمونه‌هایی که اندازه‌ای بین 2 تا 200 نانومتر دارند را با دقت 1 تا 3 آنگستروم تعیین کرد. ضخامت لایه‌ها (∆x) با فاصله میان دو قله متوالی در منحنی شدت بازتاب بر حسب بردار پراکندگی (Q) متناسب است، که از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

طیف بازتابی پرتو ایکس با افزایش ضخامت لایه‌ها، اندازه و فاصله میان فریزها کم می‌شود تا جایی که با نزدیک شدن به حالت توده‌ای ماده مورد نظر، فریزها محو می‌شوند.

طیف بازتابی پرتو ایکس کمیت مهم دیگری که با استفاده از بازتاب‌سنج پرتو ایکس می‌توان اندازه‌گیری کرد، زبری سطح و زبری فصل مشترک‌ها است. زبری سطح باعث افزایش میزان پراکندگی پخشی و در نتیجه باعث کاهش شدت پرتو بازتاب آینه‌ای می‌شود. می‌توان ضخامت لایه را ناهمگن و به صورت توزیع گاوسی در نظرگرفت که بر اساس این توزیع گاوسی، متوسط ضخامت آن برابر با d است و مقدار انحراف معیاری برابر با  دارد که معیاری از زبری است؛ بنابراین ضریبی برابر با exp(-d/2σ2) به ضرایب فرنل بازتاب اضافه می‌شود. در نتیجه میزان شیب منحنی بازتاب پرتو ایکس معیاری از زبری لایه است.