專利名稱：對(duì)組合樣品的結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行測(cè)量分析的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及同時(shí)利用X射線衍射、X射線熒光技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行測(cè)量分析的方法及裝置。
背景技術(shù)：
目前，在對(duì)材料的晶體結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行分析時(shí)，通常采用X射線衍射技術(shù)。最常規(guī)的是角度色散X射線衍射(簡(jiǎn)稱XRD)，采用單波長(zhǎng)X射線(單色光，衍射前單色化或衍射后單色化)照射材料樣品，使樣品面與探測(cè)器之間做θ-2θ連動(dòng)掃描，得到滿足衍射公式2dsinθ＝λ0的衍射圖譜(d為晶面間距、是樣品材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)，θ為衍射角，λ0為X射線的波長(zhǎng))，即衍射強(qiáng)度與衍射角θ的關(guān)系曲線，再根據(jù)衍射圖譜上的衍射峰所處的角度計(jì)算對(duì)應(yīng)的晶面間距，分析材料的晶體結(jié)構(gòu)。
另一種技術(shù)是能量色散X射線衍射(簡(jiǎn)稱EDXRD)，采用白光X射線照射樣品，探測(cè)器固定在某個(gè)特定的衍射角2θ0上。在這個(gè)固定的角度上，不同的晶面間距d對(duì)不同的波長(zhǎng)λ(或光子能量E＝12399/λ)發(fā)生衍射而被探測(cè)器接收，探測(cè)器具有能量分辨能力，將記錄到的X射線按其光子能量分開(kāi)，得到滿足衍射公式2dsinθ0＝12399/E的衍射圖譜，即衍射強(qiáng)度與光子能量的關(guān)系曲線，根據(jù)圖譜上的衍射峰所對(duì)應(yīng)的光子能量同樣可計(jì)算晶面間距，分析被測(cè)材料的晶體結(jié)構(gòu)。
不過(guò)，上述技術(shù)都是針對(duì)單一材料樣品而設(shè)計(jì)的。因樣品的面積較大，無(wú)須考慮X射線的光斑及光強(qiáng)的大小。
隨著材料研究方法的發(fā)展，目前已出現(xiàn)了用組合方法合成的材料樣品庫(kù)，即組合樣品(又稱材料芯片)。它是一個(gè)龐大而密集的微小材料樣品陣列。該陣列上不僅每個(gè)樣品的尺寸很小(可為面積不足1平方毫米、厚度約1微米的薄膜)，而且樣品的數(shù)量很多(可達(dá)1000或10000個(gè))，樣品和樣品之間距離很近(可小于0.1mm)，類型也可多種(單晶、多晶、外延膜等)。因此，對(duì)材料芯片上的各個(gè)樣品進(jìn)行X射線結(jié)構(gòu)和成分分析時(shí)，需要采用光斑很小、強(qiáng)度很高的X射線束，以提高靈敏度，縮短每個(gè)樣品所需要的分析時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高通量的組合X射線分析。目前，針對(duì)組合樣品已報(bào)道的分析技術(shù)有同步輻射組合X射線分析。同步輻射在X射線波段具有很強(qiáng)的輻射通量，尤其是第三代同步輻射亮度極高，即使?fàn)奚粋€(gè)量級(jí)的光強(qiáng)采用掠入射的橢面鏡聚焦，再犧牲一到兩個(gè)量級(jí)，用小孔光闌限制光斑大小，也還有足夠的光強(qiáng)達(dá)到高通量分析的需求。唯一的不足在于同步輻射是一項(xiàng)大科學(xué)工程，難以被一般實(shí)驗(yàn)室采用。
或者，仍舊使用角度色散法的θ-2θ連動(dòng)掃描方式。例如①Bruker公司的D8DISCOVER WITH GADDS，是在一臺(tái)常規(guī)衍射儀(D8 DISCOVER)上加裝樣品掃描臺(tái)、并用面陣探測(cè)器取代常規(guī)的狹縫-探測(cè)器配置。由于面陣探測(cè)器能夠覆蓋一定的角度，故可在一定的范圍內(nèi)取代樣品的轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到與θ-2θ連動(dòng)掃描等價(jià)的效果。其面陣探測(cè)器是時(shí)間分辨的多絲室，具有一定的能量分辨能力，但其面陣探測(cè)器的總計(jì)數(shù)率只在每秒2萬(wàn)左右，事實(shí)上不可能達(dá)到高通量分析的要求(見(jiàn)Bob B.H etc，XRD rapid screeningsystem for combinatorial chemistry，Denver X-ray conference 2000)。②Intematix公司的MicroX-200。采用波帶片聚焦入射光，傳統(tǒng)的θ-2θ聯(lián)動(dòng)掃描方式測(cè)量衍射譜。儀器上裝備了固體能量探測(cè)器用于成分分析。由于采用θ-2θ聯(lián)動(dòng)掃描，完整測(cè)量每個(gè)樣品大約需要半小時(shí)，對(duì)集成了1000多個(gè)樣品的材料芯片進(jìn)行分析的話，約需500小時(shí)，事實(shí)上也是不可能的.③M.Ohtania等人報(bào)道的并行X射線衍射儀。利用約翰式彎晶將點(diǎn)光源發(fā)出的X射線在組合樣品上聚焦成0.1mm×10mm的條狀光斑，這樣就可以同時(shí)測(cè)量光斑照到的一列樣品的衍射譜。也使用二維面陣探測(cè)器(CCD)采集數(shù)據(jù)，會(huì)聚的入射光有2度的發(fā)散度，所以一次可以測(cè)量2θB為4度范圍內(nèi)的衍射譜。因其入射光發(fā)散度很大，所以只能用于單晶或外延膜樣品的結(jié)構(gòu)測(cè)量，無(wú)法測(cè)量多晶樣品(見(jiàn)M.Ohtania，etc.Concurrent x-ray diffractometer for high throughput structural diagnosis of epitaxial thinfilms，Appl.Phys.Lett.79，P3594-3596，2001)。
上述技術(shù)雖然可以被一般實(shí)驗(yàn)室采用，但是各有優(yōu)缺點(diǎn)方案①的優(yōu)點(diǎn)是取消了慢速的機(jī)械連動(dòng)掃描、缺點(diǎn)是X射線沒(méi)有聚焦；方案②的優(yōu)點(diǎn)是聚焦了X射線，但掃描速度較慢；方案③則只能適用于單晶或外延樣品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于給出一種操作簡(jiǎn)單，測(cè)量速度較快，能夠?qū)Ω鞣N組合樣品的結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行高通量的測(cè)量分析的方法及裝置。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下方法為將X射線源1發(fā)出的發(fā)散白光X射線通過(guò)X射線透鏡3聚焦成準(zhǔn)平行的白光X射線微會(huì)聚束，焦點(diǎn)處于樣品臺(tái)7上，平移樣品臺(tái)使被測(cè)樣品位于該焦點(diǎn)，然后用能量探測(cè)器9接收從被測(cè)樣品上衍射的X射線和被測(cè)樣品發(fā)射的熒光X射線，再傳輸?shù)接?jì)算機(jī)12中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到衍射譜和熒光光譜，從而得到組合樣品的結(jié)構(gòu)和成分信息。
裝置為由X射線源1、X射線透鏡3、樣品臺(tái)7及其控制電路、能量探測(cè)器9及其測(cè)量電路、計(jì)算機(jī)12、儀器平臺(tái)13等組成，計(jì)算機(jī)通過(guò)連線分別與樣品臺(tái)及其控制電路、能量探測(cè)器及其測(cè)量電路相連，X射線源、X射線透鏡、樣品臺(tái)及其控制電路、能量探測(cè)器及其測(cè)量電路等均置于儀器平臺(tái)上，X射線源與X射線透鏡位于同一光軸上、形成入射光路，能量探測(cè)器位于衍射光路上，其中所述X射線源為發(fā)散白光X射線光源，X射線透鏡為毛細(xì)管束微會(huì)聚透鏡，能量探測(cè)器為固體探測(cè)器，樣品臺(tái)處于X射線毛細(xì)管束微會(huì)聚透鏡的后焦點(diǎn)處，能量探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)X射線毛細(xì)管束微會(huì)聚透鏡的后焦點(diǎn)，樣品臺(tái)設(shè)置平動(dòng)位移機(jī)構(gòu)，樣品架置于樣品臺(tái)上，樣品架的表面設(shè)置與被測(cè)樣品處于同一平面的X射線熒光屏，儀器平臺(tái)上還設(shè)置位于樣品臺(tái)對(duì)面的攝像頭15及其監(jiān)視器16，攝像頭對(duì)焦于樣品臺(tái)上的被測(cè)樣品平面，監(jiān)視器通過(guò)連線與攝像頭相連；計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)或固化了相應(yīng)的控制樣品臺(tái)位移及對(duì)所測(cè)樣品進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理的軟件。
上述裝置中，還可以在X射線透鏡與樣品臺(tái)之間的入射光路上設(shè)置針孔光闌5，樣品臺(tái)與能量探測(cè)器之間的衍射光路上設(shè)置X射線屏蔽罩14。
也就是說(shuō)，本發(fā)明的要點(diǎn)就是將能量色散X射線衍射與X射線聚焦結(jié)合起來(lái)，并應(yīng)用到組合樣品的結(jié)構(gòu)和成分分析中去。
X射線聚焦是長(zhǎng)期以來(lái)較難實(shí)現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題。目前，X射線毛細(xì)管束微會(huì)聚透鏡是聚焦白光X射線最有效的工具之一，利用它可以得到斑點(diǎn)小、亮度高的平行或準(zhǔn)平行X射線束的光斑，適合于照射小尺寸的樣品。
能量色散X射線衍射方法本身對(duì)儀器光路調(diào)節(jié)部分的要求相對(duì)較低，且測(cè)量過(guò)程中不需轉(zhuǎn)動(dòng)樣品和探測(cè)器，可以避免由于θ-2θ轉(zhuǎn)動(dòng)需要精密調(diào)節(jié)而造成的定位困難、從而具有節(jié)省時(shí)間的潛力。
但由于能量色散X射線衍射方法要求入射光是平行或準(zhǔn)平行的白光X射線，而普通X射線發(fā)生器的連續(xù)譜白光X射線為發(fā)散狀態(tài)且輻射較弱，因而不能直接使用。通過(guò)X射線毛細(xì)管束微會(huì)聚透鏡的引入，可以使發(fā)散X射線平行化，而且，由于將射向不同方向的X射線集中起來(lái)，同時(shí)還能起到縮小光斑、增加單位面積光強(qiáng)的作用，使此方法節(jié)省時(shí)間的潛力變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
因此，將能量色散X射線衍射與X射線毛細(xì)管束聚焦兩者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，就能利用斑點(diǎn)小、亮度高的白光X射線準(zhǔn)平行微會(huì)聚束照射角度固定的樣品，這樣，只要通過(guò)平移樣品臺(tái)就可對(duì)組合樣品上的各個(gè)小樣品點(diǎn)進(jìn)行快速的逐個(gè)分析。
但是，要將上述兩者相結(jié)合以對(duì)組合樣品進(jìn)行測(cè)量，就必須實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，要解決的關(guān)鍵問(wèn)題包括兩個(gè)光路的對(duì)準(zhǔn)，入射光照射位置的監(jiān)測(cè)，樣品點(diǎn)轉(zhuǎn)換及其數(shù)據(jù)采集和處理的自動(dòng)控制等，否則本發(fā)明就不可能順利完成。
本發(fā)明所述的測(cè)量分析方法的具體步驟如下從X射線源1中發(fā)射出的發(fā)散白光X射線2，經(jīng)X射線透鏡3匯聚后，轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)平行的白光X射線4微會(huì)聚束，形成斑點(diǎn)小、亮度高的入射光；通過(guò)調(diào)整樣品臺(tái)的位置使入射光的焦點(diǎn)處于樣品表面所在的平面內(nèi)，再通過(guò)平移樣品臺(tái)可以使焦點(diǎn)照射在組合樣品6的相應(yīng)被測(cè)樣品點(diǎn)上；然后，從被測(cè)樣品點(diǎn)上衍射的X射線和被測(cè)樣品發(fā)射的熒光X射線被處于衍射位置上的能量探測(cè)器9及其測(cè)量電路接收，并通過(guò)其連線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)12中，由計(jì)算機(jī)12采集數(shù)據(jù)、并經(jīng)過(guò)相應(yīng)軟件進(jìn)行圖譜分析，從而得到被測(cè)樣品的結(jié)構(gòu)和成分(元素)信息。測(cè)量過(guò)程中，組合樣品上各被測(cè)樣品點(diǎn)之間的切換也由計(jì)算機(jī)12中的相應(yīng)軟件進(jìn)行自動(dòng)控制、通過(guò)樣品臺(tái)的控制電路及其位移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)樣品平行移動(dòng)而實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明所述的測(cè)量分析裝置的具體結(jié)構(gòu)如下X射線源1、X射線透鏡3、樣品臺(tái)7、能量探測(cè)器9等均置于儀器平臺(tái)13上，并且最好將這些部件均置于一個(gè)合適的金屬殼體內(nèi)，殼體的蓋板應(yīng)便于打開(kāi)、以便放置樣品及調(diào)整各部件的位置，測(cè)量時(shí)則將蓋板蓋上使之成為一個(gè)準(zhǔn)封閉的系統(tǒng)，以保證測(cè)量不受干擾、并且避免X射線的泄漏。X射線源與X射線透鏡位于同一光軸上、形成入射光路，所述X射線源為發(fā)散白光X射線光源，X射線透鏡為毛細(xì)管束微會(huì)聚透鏡。能量探測(cè)器位于衍射光路上，所述能量探測(cè)器為固體探測(cè)器，其測(cè)量電路包括電源、信號(hào)放大器和多道分析器等。X射線透鏡3和能量探測(cè)器9分別通過(guò)精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(例如三維萬(wàn)向精密調(diào)節(jié)架)擱置或固定在儀器平臺(tái)上、以便精確定位。樣品臺(tái)7(例如常用的三維精密平移臺(tái))則固定在儀器平臺(tái)上、通過(guò)步進(jìn)電機(jī)及其控制電路驅(qū)動(dòng)其三維平動(dòng)位移機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確定位(或者，樣品臺(tái)也可采用具有三維平移功能的多維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu))。計(jì)算機(jī)12采用常規(guī)的計(jì)算機(jī)(例如PC機(jī))，可置于儀器平臺(tái)及其殼體外的合適位置處(只要便于操作者使用)，通過(guò)連線分別與樣品臺(tái)的控制電路、能量探測(cè)器的測(cè)量電路連接，計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)或固化了相應(yīng)的控制樣品臺(tái)位移及對(duì)所測(cè)樣品進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理的軟件。
樣品表面應(yīng)處于X射線透鏡的后焦點(diǎn)處，可以通過(guò)在樣品臺(tái)上的樣品架17表面設(shè)置與被測(cè)樣品處于同一平面的X射線熒光屏18，來(lái)顯示X射線的光斑大小(光斑最小處即為后焦點(diǎn))。入射X射線在組合樣品上的照射位置由設(shè)置在儀器平臺(tái)上并位于樣品臺(tái)對(duì)面的、包含攝像頭15及監(jiān)視器16的樣品定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提示。攝像頭對(duì)焦于樣品臺(tái)上的被測(cè)樣品表面，監(jiān)視器通過(guò)連線與攝像頭相連，要求攝像頭具有較大的放大率和較短的最近拍攝距離(例如放大率為1，近攝距離為10cm)。當(dāng)從監(jiān)視器中觀察到樣品架的熒光屏上的X射線光斑時(shí)，在監(jiān)視器上作上位置標(biāo)記19，由于攝像頭的位置是固定的，因此入射點(diǎn)在監(jiān)視器上的顯示位置也是固定的。在隨后的測(cè)量中，這一點(diǎn)所指示的位置就是被測(cè)樣品點(diǎn)的位置(因?yàn)樵跍y(cè)量過(guò)程中平移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向與樣品面平行，這樣的移動(dòng)不會(huì)造成樣品面與入射光交點(diǎn)空間位置的改變。盡管處在這個(gè)交點(diǎn)上的樣品點(diǎn)已經(jīng)發(fā)生了變化)。也可以采用帶有視頻卡的計(jì)算機(jī)替代監(jiān)視器，將攝像頭15通過(guò)連線與計(jì)算機(jī)相連。
如果組合樣品的樣品點(diǎn)尺寸很小，小于入射光所形成的光斑尺寸，為了避免入射光同時(shí)照射多個(gè)樣品點(diǎn)，可以根據(jù)不同樣品點(diǎn)尺寸在樣品臺(tái)前的入射光路上加裝大小合適的針孔光闌5、使入射光只照射一個(gè)樣品點(diǎn)。由于采用了毛細(xì)管束聚焦技術(shù)，形成的入射光集中在光斑中心，即使針孔光闌遮蔽了一部分外圍的X射線，也不會(huì)嚴(yán)重影響高通量分析的需求。另外，為了降低散射光的影響，探測(cè)器前也可以安裝金屬屏蔽罩遮擋各種雜散X射線。
綜上所述，本發(fā)明的入射光斑點(diǎn)小、能量高，能夠照射極小尺寸的樣品點(diǎn)、對(duì)樣品的類型也無(wú)限制，而且測(cè)量過(guò)程中樣品不需要轉(zhuǎn)動(dòng)；樣品點(diǎn)間的切換過(guò)程及數(shù)據(jù)采集還可以通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制；測(cè)得的樣品衍射譜和熒光光譜可以反映被測(cè)樣品的結(jié)構(gòu)和成分(元素)信息。因而，本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，測(cè)量速度較快；能夠?qū)Ω鞣N組合樣品的結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行高通量的X射線測(cè)量分析。


附圖1，測(cè)量分析裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2，樣品定位監(jiān)測(cè)示意圖。
附圖3，計(jì)算機(jī)中的軟件流程圖。
附圖4，實(shí)施例測(cè)量圖譜(探測(cè)器在一個(gè)位置測(cè)量的Si基片上的Ag膜圖譜)。
附圖5，實(shí)施例測(cè)量圖譜(探測(cè)器在兩個(gè)不同位置測(cè)量的Si基片上的Ag膜圖譜的比較)。
具體實(shí)施例方式X射線源1所使用的X射線發(fā)生器為北大青鳥(niǎo)公司的X射線衍射儀BDX3200型，X光管為丹東射線儀器集團(tuán)公司的Cu靶X射線管，型號(hào)XJ10-60N。
X射線透鏡3所使用的是X射線毛細(xì)管束微會(huì)聚透鏡，委托北師大設(shè)計(jì)制作，能將發(fā)散白光X射線聚焦成準(zhǔn)平行的白光X射線微會(huì)聚束，其前焦距為67mm，后焦距為263mm，光強(qiáng)增益為10。
樣品臺(tái)7及其控制電路采用北京卓立漢光公司的TSA50-C型精密三維平移臺(tái)、SC3步進(jìn)電機(jī)控制器。
能量探測(cè)器9及其測(cè)量電路采用美國(guó)Amptek公司的XR-100CR固體探測(cè)器、PX2T/CR電源兼信號(hào)放大器、MCA8000A多道分析器。
固定X射線透鏡3和能量探測(cè)器9的精密調(diào)節(jié)架由上海理工大學(xué)附屬工廠生產(chǎn)，型號(hào)ZJ-079B。
樣品定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)攝像頭15的技術(shù)參數(shù)為放大率為1、拍攝距離為10cm；監(jiān)視器16采用普通10寸黑白監(jiān)視器。
金屬屏蔽罩14為直徑12mm的銅管，針孔光闌5的針孔直徑范圍為0.03～0.5mm。
計(jì)算機(jī)12采用宏基7100-M型PC機(jī)，所使用的軟件為自行編寫，具體流程見(jiàn)附圖3。其中，“設(shè)置/選擇自動(dòng)測(cè)試方案”步驟中的自動(dòng)測(cè)試方案是指系統(tǒng)依照怎樣一種選點(diǎn)方式來(lái)測(cè)試材料芯片上的各樣品點(diǎn)，可以依次遍歷、也可以僅測(cè)試幾個(gè)特定位置的樣品點(diǎn)，測(cè)試的起始樣品點(diǎn)和移動(dòng)順序也可不同(軟件中提供了幾種方案給用戶選擇，用戶也可不選擇這些方案而自行設(shè)置)。
裝置的安裝要點(diǎn)如下首先確定X射線源發(fā)出X光的角度范圍，然后放置毛細(xì)管束微會(huì)聚透鏡使其中軸線與X射線源發(fā)射范圍的中心線重合，接著，前后移動(dòng)微會(huì)聚透鏡、并轉(zhuǎn)動(dòng)俯仰角度，使X射線源中心(如X光管的焦斑)處在透鏡的前焦點(diǎn)f1上。下一步，用熒光屏在透鏡出口一側(cè)尋找透鏡的后焦點(diǎn)(即投影光斑最小處)調(diào)整樣品臺(tái)，固定入射光與樣品面的角度(θ0)，驅(qū)動(dòng)樣品臺(tái)作前后移動(dòng)，使透鏡的后焦點(diǎn)落在組合樣品表面所在的平面內(nèi)。調(diào)整探測(cè)器到一個(gè)合適的位置，注意使探測(cè)器正對(duì)透鏡的后焦點(diǎn)，探測(cè)器中心到透鏡后焦點(diǎn)的連線與入射光之間的夾角固定，即為π-2θ0。在衍射光路上裝上金屬屏蔽罩14。探測(cè)器系統(tǒng)和樣品臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)電纜10、11與計(jì)算機(jī)聯(lián)接。針對(duì)樣品點(diǎn)尺寸對(duì)入射光斑大小的要求，在透鏡的后焦點(diǎn)前安裝恰當(dāng)?shù)尼樋坠怅@5；光闌置于樣品臺(tái)與毛細(xì)管束微會(huì)聚透鏡之間，通過(guò)觀察樣品架上熒光屏上的光斑亮度和形狀來(lái)確定光闌的安裝是否合適。
整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和使用過(guò)程如下①調(diào)節(jié)X射線透鏡3的位置和角度，使得X射線源的發(fā)光點(diǎn)位于X射線透鏡3的前焦點(diǎn)上。具體操作步驟是，首先將X射線透鏡3固定在精密調(diào)節(jié)架上，調(diào)節(jié)架固定在儀器平臺(tái)上，在X射線透鏡3的后焦點(diǎn)位置附近放置一窗口全開(kāi)的普通X射線探測(cè)器(如NaI閃爍體計(jì)數(shù)器)，探測(cè)器前加適當(dāng)?shù)乃p片，通過(guò)調(diào)節(jié)精密調(diào)節(jié)架的三個(gè)位置和兩個(gè)角度，使探測(cè)器的讀數(shù)最大，此時(shí)將調(diào)節(jié)架的位置和角度鎖定，構(gòu)成入射光路；②移去上述探測(cè)器和衰減片，將樣品臺(tái)固定在儀器平臺(tái)上，使樣品面與入射光路成一定的角度，驅(qū)動(dòng)樣品臺(tái)，使樣品架17上的熒光屏18處在移去的探測(cè)器的位置上，此時(shí)通過(guò)攝像頭15和監(jiān)視器16可以觀察到熒光屏上聚焦的X射線光斑，通過(guò)驅(qū)動(dòng)樣品臺(tái)前后移動(dòng)熒光屏，找到光斑最小的位置，即是X射線透鏡的后焦點(diǎn)，也是樣品測(cè)量的定位點(diǎn)(可在監(jiān)視器屏幕上作上相應(yīng)標(biāo)記19)；③在樣品架中放置一塊單晶硅片(或其它單晶，如LiF、石墨等也可，其某一晶面與表面平行，如(100)取向的單晶硅片)，使其表面與樣品架上的熒光屏處于同一平面，平移樣品臺(tái)使單晶硅片處于X射線透鏡的后焦點(diǎn)上；將能量探測(cè)器固定在精密調(diào)節(jié)架上，調(diào)節(jié)架固定在儀器平臺(tái)上，使探測(cè)器的位置大約在衍射光路的位置上，通過(guò)調(diào)節(jié)探測(cè)器的位置和角度，使探測(cè)器的計(jì)數(shù)達(dá)到最大，此即是衍射光路的位置，鎖定調(diào)節(jié)架的位置和角度，構(gòu)成衍射光路，此時(shí)，探測(cè)器中心到透鏡后焦點(diǎn)的連線與入射光之間的夾角即為π-2θ0；④采集衍射圖譜，根據(jù)圖譜中硅單晶峰對(duì)應(yīng)的X射線的波長(zhǎng)λ0和單晶硅的晶面間距d0，以及衍射公式2d0sinθ0＝λ0，標(biāo)定衍射角度θ0；不過(guò)，對(duì)于多晶樣品，由于其衍射光束出射的角度范圍很寬，因而并不要求入射光方向、樣品表面、出射光方向嚴(yán)格滿足鏡面反射關(guān)系，其衍射角度θ0可以通過(guò)多晶樣品標(biāo)定；⑤移去樣品架上的單晶硅片，換上待分析的材料芯片，驅(qū)動(dòng)平移臺(tái)，并通過(guò)攝像頭和監(jiān)視器觀察，使材料芯片的某一個(gè)位置(根據(jù)設(shè)置或選擇的自動(dòng)測(cè)試方案確定)定位在測(cè)量點(diǎn)上；⑥通過(guò)計(jì)算機(jī)控制能量探測(cè)器，采集一定時(shí)間的數(shù)據(jù)。在這段時(shí)間內(nèi)，進(jìn)入到探測(cè)器中的X射線光子在探測(cè)器中形成正比于光子能量的電脈沖，經(jīng)放大后，按脈沖的高度分開(kāi)，存儲(chǔ)在多道分析器中；采集完成后，計(jì)算機(jī)讀取多道分析器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)得到衍射譜和熒光譜，完成一個(gè)樣品的數(shù)據(jù)采集；⑦計(jì)算機(jī)控制平移臺(tái)，按照設(shè)置或選擇的測(cè)試方案將下一個(gè)樣品點(diǎn)移動(dòng)到樣品定位點(diǎn)，重復(fù)上述步驟⑥，并記錄樣品的位置信息，直到材料芯片上選定樣品點(diǎn)的衍射譜和熒光譜逐個(gè)被采集完畢。
采用上述裝置測(cè)試了一個(gè)材料芯片8×8的樣品陣列分布在一英寸見(jiàn)方的Si(100)單晶基片上，其中一些樣品點(diǎn)是約1微米厚、2.5mm×2.5mm的Ag多晶膜。為了限制入射光束的直徑，在光路上安裝了直徑0.5毫米的針孔光闌。測(cè)試過(guò)程顯示，這套設(shè)備的自動(dòng)控制軟件運(yùn)行正常，即可以實(shí)現(xiàn)樣品臺(tái)移動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化。
圖4就是從其中一個(gè)Ag樣品點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)圖譜，對(duì)此圖譜進(jìn)行分析可知①Ag多晶膜的主要衍射峰(111)、(200)、(220)、(311)、(222)以及Si單晶基片的衍射峰(400)都出現(xiàn)在圖譜中，這證實(shí)此平臺(tái)能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)的定性分析。
②在譜中還能看見(jiàn)Ag的L系熒光峰(Ag的L系熒光譜線由于能量相近而疊加在一起)，說(shuō)明此平臺(tái)能夠進(jìn)行成分分析。
當(dāng)然，采集到這樣一個(gè)譜，如何進(jìn)行定性分析也是一個(gè)需要考慮的問(wèn)題。下面就此說(shuō)明。
每種元素的特征譜線(熒光峰)的能量是確定的，不隨探測(cè)器位置的變化而改變，而根據(jù)布拉格衍射公式可知，晶格衍射峰的位置是跟探測(cè)器的位置(2θ0)密切相關(guān)的。這樣，測(cè)試者可以用兩個(gè)探測(cè)器在不同的位置(即2θ0不同)同時(shí)采集圖譜，通過(guò)對(duì)比兩圖譜來(lái)區(qū)分熒光峰和衍射峰(峰位不變的是熒光峰，變化的是衍射峰)；或者使用一個(gè)探測(cè)器在不同的位置各測(cè)量一次，然后對(duì)比兩圖譜。
圖5就是探測(cè)器在兩個(gè)不同的位置測(cè)得的Ag薄膜--Si(100)基片圖譜的對(duì)比。實(shí)線和虛線被分別用來(lái)標(biāo)識(shí)這兩個(gè)圖譜。采集虛線圖譜時(shí)的探測(cè)器位置2θ0比采集實(shí)線圖譜時(shí)的大，采集實(shí)線圖譜時(shí)，探測(cè)器位置2θ0＝40°；采集虛線圖譜時(shí)，探測(cè)器位置2θ0＝50°。
對(duì)比兩個(gè)圖譜中峰的位置，可以看出譜中a、b、c三個(gè)峰的位置沒(méi)有變化，說(shuō)明是熒光峰，根據(jù)峰值對(duì)應(yīng)的X光能量查表，可知它們分別是，aAg的L系熒光峰，bCu的Kα峰，cCu的Kβ峰。虛線圖譜中A1、B1、C1三個(gè)峰的位置明顯變動(dòng)，說(shuō)明是衍射峰，相應(yīng)于實(shí)線圖譜中的A2、B2、C2峰，根據(jù)峰值對(duì)應(yīng)的X光能量Eι和測(cè)量時(shí)探測(cè)器所處的位置2θ0，按照布拉格衍射公式可以算出衍射峰對(duì)應(yīng)的晶面間距di，查表可知它們分別是Ag的(111)、(200)衍射峰和Si基片的(400)衍射峰。
以上實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了此系統(tǒng)可以對(duì)組合樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)、成分分析，而且實(shí)現(xiàn)了整個(gè)樣品陣列測(cè)試控制、數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化。
在此實(shí)施例中，每個(gè)圖譜的采集時(shí)間約為10分鐘。這是因?yàn)槭褂玫氖荂u靶X光管，其實(shí)際使用功率為720W(36KV、20mA)，且銅的發(fā)射譜中連續(xù)譜成分較弱。如果使用轉(zhuǎn)靶細(xì)焦點(diǎn)重元素靶材X光管(轉(zhuǎn)靶X光管的功率可以達(dá)到10KW以上；重元素靶——比如W的發(fā)射譜中連續(xù)譜成分比Cu的強(qiáng))，雙探測(cè)器系統(tǒng)，每個(gè)樣品點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間可以縮短到一分鐘以內(nèi)，達(dá)到快速測(cè)量的效果。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)組合樣品的結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行測(cè)量分析的方法，其特征為將X射線源(1)發(fā)出的發(fā)散白光X射線通過(guò)X射線透鏡(3)聚焦成準(zhǔn)平行的白光X射線微會(huì)聚束，焦點(diǎn)處于樣品臺(tái)(7)上，平移樣品臺(tái)使被測(cè)樣品位于該焦點(diǎn)，然后用能量探測(cè)器(9)接收從被測(cè)樣品上衍射的X射線和被測(cè)樣品發(fā)射的熒光X射線，再傳輸?shù)接?jì)算機(jī)(12)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到衍射譜和熒光光譜，從而得到組合樣品的結(jié)構(gòu)和成分信息。
2.一種對(duì)組合樣品的結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行測(cè)量分析的裝置，其特征為包括X射線源(1)、X射線透鏡(3)、樣品臺(tái)(7)及其控制電路、能量探測(cè)器(9)及其測(cè)量電路、計(jì)算機(jī)(12)、儀器平臺(tái)(13)；計(jì)算機(jī)通過(guò)連線分別與樣品臺(tái)及其控制電路、能量探測(cè)器及其測(cè)量電路相連，X射線源、X射線透鏡、樣品臺(tái)及其控制電路、能量探測(cè)器及其測(cè)量電路均置于儀器平臺(tái)上，X射線源與X射線透鏡位于同一光軸上、形成入射光路，能量探測(cè)器位于衍射光路上；所述X射線源為發(fā)散白光X射線光源，X射線透鏡為毛細(xì)管束微會(huì)聚透鏡，能量探測(cè)器為固體探測(cè)器，樣品臺(tái)處于X射線毛細(xì)管束微會(huì)聚透鏡的后焦點(diǎn)處，能量探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)X射線毛細(xì)管束微會(huì)聚透鏡的后焦點(diǎn)，樣品臺(tái)設(shè)置平動(dòng)位移機(jī)構(gòu)，樣品架置于樣品臺(tái)上，樣品架的表面設(shè)置與被測(cè)樣品處于同一平面的X射線熒光屏；儀器平臺(tái)上設(shè)置位于樣品臺(tái)對(duì)面的攝像頭(15)及其監(jiān)視器(16)，攝像頭對(duì)焦于樣品臺(tái)上的被測(cè)樣品平面，監(jiān)視器通過(guò)連線與攝像頭相連；計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)或固化了相應(yīng)的控制樣品臺(tái)位移及對(duì)所測(cè)樣品進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理的軟件。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征為在X射線透鏡與樣品臺(tái)之間的入射光路上設(shè)置針孔光闌(5)；樣品臺(tái)與能量探測(cè)器之間的衍射光路上設(shè)置X射線屏蔽罩(14)。
全文摘要
本發(fā)明是一種對(duì)組合樣品的結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行測(cè)量分析的方法及裝置，它涉及利用X射線衍射、X射線熒光技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行測(cè)量分析的方法及裝置。X射線源1、X射線透鏡3、樣品臺(tái)7及其控制電路、能量探測(cè)器9及其測(cè)量電路等均置于儀器平臺(tái)13上，X射線源與X射線透鏡形成入射光路，能量探測(cè)器位于衍射光路上。將X射線源發(fā)出的發(fā)散白光X射線通過(guò)X射線透鏡聚焦成準(zhǔn)平行的微會(huì)聚束照射到樣品臺(tái)上，平移樣品臺(tái)使被測(cè)樣品6位于該焦點(diǎn)，然后用能量探測(cè)器接收從被測(cè)樣品上衍射的X射線和發(fā)射的熒光X射線，再傳輸?shù)接?jì)算機(jī)12中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到衍射譜和熒光光譜，從而分析出結(jié)構(gòu)和成分。本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，測(cè)量速度較快，能夠適用于各種組合樣品。
文檔編號(hào)G01N23/20GK1504744SQ02148439
公開(kāi)日2004年6月16日 申請(qǐng)日期2002年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月2日
發(fā)明者高琛, 羅震林, 高 琛 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)