CN105403581B - 薄膜厚度分布及其均匀性的射线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜厚度分布及其均匀性的射线测量方法。该方法采用α粒子束与自动逐次扫描测量相结合的方法，通过计算机控制系统控制待测薄膜在二维平面内X方向和Y方向的扫描测量移动，获得α粒子束依次穿过待测薄膜上每一小块薄膜面元处的能量损失值；进一步由能量损失值计算得到各个薄膜面元的质量厚度值，再通过自编计算机软件得到整块待测薄膜质量厚度分布及其均匀性的图形表征。本发明提出的新方法能有效解决目前现有方法不能分析薄膜质量厚度分布及其均匀性的不足；为分析从数十纳米到数十微米厚度薄膜的质量厚度分布及均匀性提供了新的方法和技术；将在薄膜研制单位和薄膜使用单位得到广泛应用。

Description

薄膜厚度分布及其均匀性的射线测量方法

技术领域

本发明涉及一种薄膜厚度分布及其均匀性的测量技术，具体涉及一种基于重带电粒子束与自动逐次扫描测量相结合的方式的薄膜质量厚度分布及其均匀性的射线测量新方法。

背景技术

近几十年来，薄膜制备科学与技术获得了蓬勃的发展。由真空蒸镀、磁控溅射、分子束外延等各种成膜方法所制备的薄膜已经应用到了包括电子信息、能源、航空航天等几乎所有的科学与技术领域，甚至包括激光惯性约束聚变(ICF)这样的高科技领域。薄膜材料的广泛应用归因于其与同种材料的大块物质相比具有的不同的物理、化学特性，而这些特性不仅与薄膜的厚度有关，还和薄膜的厚度分布和均匀性有关。一个明显的例子是当需要把薄膜做得足够薄的时候，就要求薄膜厚度分布的均匀性足够好，否则就很难做到足够薄；在薄膜的使用上，也需要薄膜厚度均匀性足够好，才能更有效地发挥薄膜的独特性能。

尽管目前的制膜技术已相当成熟，但由各种制膜方法制备出来的薄膜都存在不同程度的膜厚均匀性问题。例如在真空蒸镀和磁控溅射制膜中，存在从气相到固相的急冷凝聚过程，会引入各种类型的结构缺陷，而这些结构缺陷产生和分布的随机性，必然影响到薄膜厚度分布的均匀性。薄膜的各种应用都要求薄膜厚度的均匀性足够好，以满足对薄膜特定性质的需要，随着薄膜科学应用领域的扩大和深入，这种要求会越来越高。因此，无论是从提高制备薄膜厚度分布更均匀的技术方法出发，还是为应用挑选均匀性更好的薄膜出发，都需要有一种有效的薄膜厚度分布及均匀性测量技术。

遗憾的是，目前还缺乏这样一种薄膜质量厚度分布及均匀性的测量技术。目前，普遍用于观测薄膜表面形貌的台阶仪或原子力显微镜，由于采用的是触针接触式测量原理，由这些仪器只能得到薄膜的表面形貌，而不能得到反映薄膜密度和缺陷的质量厚度分布及均匀性；另外，应用光学法的椭圆偏振仪也被用于观测薄膜的表面形貌，虽然光线可以穿入薄膜内部，但只能进入透明材料，对大多数非透明材料薄膜，这种方法无能为力，即使对于透明材料薄膜，也只能给出薄膜的光学厚度，而不能给出其质量厚度。总之，现有方法和技术不能被用来测量薄膜的质量厚度分布及均匀性。

鉴于薄膜质量厚度分布及均匀性测量的重要性和目前又缺乏这样的测量方法，本课题组申请并获准了国家自然科学基金来研究这一测量技术，其研究技术路线就是采用重带电粒子束对待测薄膜进行自动逐次扫描测量相结合的方式得到薄膜的质量厚度分布及其均匀性。

发明内容

本发明的目的旨在突破目前薄膜质量厚度分布均匀性还缺乏测量方法和测量手段的技术问题，通过提出一种测量精度高的射线测量方法来实现这一突破。该方法可分析从数十纳米到数十微米厚度量级薄膜的质量厚度分布及其均匀性；可用于薄膜制备研究单位和薄膜使用单位用来测量薄膜质量厚度分布及其均匀性。

为实现上述发明目的，本发明采用由以下技术措施构成的技术方案来实现。

本发明提出的薄膜质量厚度分布及其均匀性的射线测量方法的研究设计思路是：采用重带电粒子束与自动逐次扫描相结合的测量方式，通过控制待测薄膜在二维水平平面内X方向和Y方向上的移动，使带电粒子束依次穿过薄膜上的每一小块薄膜面元，获得带电粒子束穿过每一小块薄膜面元过程中的能量损失值，并将其存于计算机分析系统中；通过计算，由各个面元处的能量损失值得到各面元的质量厚度值，进一步通过自编的计算机软件处理得到整块待测薄膜质量厚度分布及其均匀性的图形表征。其具体做法是：首先，建立一套采用射线测量薄膜质量厚度分布及其均匀性的实验装置，用准直器将放射源发射出的重带电粒子在真空室内准直为重带电粒子束，通过位移平台控制系统控制固定有待测薄膜的二维电控位移平台在二维水平平面内的X方向和Y方向上以设定的步长、时间间隔和扫描测量点数移动，以获得重带电粒子束穿过每一小块薄膜面元过程的能量损失值，并将这些能量损失值自动保存到计算机分析系统中；其次，根据能量损失值和重带电粒子束在待测薄膜材料中的阻止本领与待测薄膜面元质量厚度值三者之间的关系，经计算得到待测薄膜的每一小块薄膜面元的质量厚度值；最后，通过自编的“薄膜厚度分布及其均匀性表征”的计算机软件分析处理得到整块待测薄膜的质量厚度分布及其均匀性以及这一分布均匀性的图形表征。

本发明提出的一种薄膜质量厚度分布及其均匀性的射线测量方法，按照本发明，该方法采用重带电粒子束与自动逐次扫描测量相结合的方式，通过控制待测薄膜在二维水平平面的移动，获得带电粒子束依次穿过薄膜上每一小块面元过程的能量损失值，将其存于计算机分析系统中；通过计算，由各面元的能量损失值得到各面元的质量厚度值，进一步通过分析处理得到整块待测薄膜的质量厚度分布及其均匀性，以及整块待测薄膜的质量厚度分布均匀性的图形表征；包括以下步骤：

(1)将由放射源发射出的重带电粒子在真空室内通过准直器准直为重带电粒子束；

(2)将待测薄膜固定在二维电控位移平台上，并与步骤(1)准直后的重带电粒子束的出射方向垂直；

(3)通过位移平台控制系统控制步骤(2)中固定有待测薄膜的二维电控位移平台在二维水平平面内以设定的步长、时间间隔和扫描测量点数移动；

(4)通过步骤(3)中二维电控位移平台在二维水平平面的移动，使得经过准直器准直后的重带电粒子束依次穿过待测薄膜上每一小块薄膜面元，实现自动逐次扫描测量，并得到重带电粒子束在穿过每一小块薄膜面元过程中的能量损失值ΔE；

(5)将步骤(4)获得的能量损失值保存于计算机分析系统中，根据能量损失值ΔE和重带电粒子束在待测薄膜材料中的阻止本领dE/dx_m与待测薄膜面元质量厚度值t_m三者之间的关系：

t_m＝ΔE/(dE/dx_m) (1)

由公式(1)计算得到待测薄膜的每一小块薄膜面元的质量厚度值；

(6)由步骤(5)所得的每一小块薄膜面元的质量厚度值，通过自编的计算机软件分析处理得到整块待测薄膜的质量厚度分布及其均匀性；以及整块待测薄膜质量厚度分布均匀性的图形表征。

上述技术方案中，所述重带电粒子束优先选用放射源α粒子束，也可选用加速器重带电粒子束。

上述技术方案中，所述固定有待测薄膜的二维电控位移平台是在二维水平平面内的X方向和Y方向上以设定的步长、时间间隔和扫描测量点数，在位移平台控制系统的控制下自动移动，直到完成所设定的测量面元数。

上述技术方案中，所述自编的计算机软件分析处理过程，以及整块待测薄膜质量厚度分布均匀性的图形表征是通过发明人自编的“薄膜厚度分布及其均匀性表征”的计算机软件来实现的。

本发明提供的用于实现薄膜质量厚度分布及其均匀性的射线测量方法的测量装置，包括由探测器、前置放大器、线性放大器、偏压电源、多道分析器和计算机分析系统构成的重带电粒子谱仪系统，由二维电控位移平台和位移平台控制系统构成的二维扫描及控制系统；由放射源和准直器构成的重带电粒子发生系统；由真空室、真空泵和真空计构成的真空系统；所述放射源、准直器、探测器、前置放大器、待测薄膜和用于固定待测薄膜的二维电控位移平台均置于真空室内；二维电控位移平台与位于真空室外的位移平台控制系统连接；真空泵和真空计分别与真空室连接；探测器依次与前置放大器、线性放大器、多道分析器和计算机分析系统连接；其中，偏压电源、线性放大器和多道分析器安装于NIM机箱内，NIM机箱为偏压电源、线性放大器和多道分析器提供工作电压；偏压电源与前置放大器相连接，为前置放大器和探测器提供工作电压；探测器输出的信号经过前置放大器和线性放大器放大后，由多道分析器进行模数转换后进入计算机分析系统进行数据处理分析。

本发明提供的薄膜质量厚度分布及其均匀性的测量装置中，测量时为了减小空气对重带电粒子能量的影响，将所述放射源、准直器、探测器、前置放大器、待测薄膜和用于固定待测薄膜的二维电控位移平台均置于真空室内；通过真空泵对真空室抽真空，并由真空计来实时监测真空室内的压强情况。由放射源发射出的重带电粒子经过准直器准直为重带电粒子束，将待测薄膜固定在二维电控位移平台上，并使重带电粒子束垂直射入到待测薄膜；由位移平台控制系统来控制二维电控位移平台在二维水平平面内的X方向和Y方向上以设定的步长、时间间隔移动和扫描测量点数，从而带动待测薄膜的移动，使得经过准直后的重带电粒子束依次穿过待测薄膜上不同区域的小块薄膜面元，实现对待测薄膜的每一小块薄膜面元的自动逐次扫描测量；由重带电粒子谱仪系统获得重带电粒子束在穿过每一小块薄膜面元过程的能量损失值，将其存于计算机分析系统中；最后通过计算由各面元的能量损失值得到各面元的质量厚度值，进一步通过自编计算机软件得到整块待测薄膜的质量厚度值及其分布均匀性，以及整块待测薄膜的质量厚度分布均匀性的图形表征。

本发明提出的薄膜质量厚度分布及其均匀性的射线测量方法所具有的优点及有益的技术效果：

第一，本发明所述的测量方法与传统的触针测量方法和光学测量方法相比较，本发明能测量薄膜质量厚度分布及均匀性，而现有的触针测量法和光学测量法不能实现这一测量。第二，与传统的触针测量法相比较，本发明所述方法是一种无损伤测量，能克服触针法测量过程中会对薄膜造成一定损伤的缺点；能够给出反映对薄膜材料有重要影响的材料密度、缺陷等结构信息的质量厚度值及其分布均匀性信息，这是现有触针法不能实现的。第三，本发明所述方法与常用的光学测量法相比较，本发明对所测薄膜的材料无特殊要求，克服了常用的光学测量法只能针对透明材料进行测量的缺点，且适用于薄膜材料的范围更广，不仅能够对透明薄膜材料质量厚度分布及其均匀性进行无损测量，还能够对不透明的或较厚的薄膜材料的质量厚度分布及其均匀性进行无损测量。第四，本发明所述方法可分析从数十纳米到数十微米量级已知成分薄膜的质量厚度分布及其均匀性，可用于薄膜制备研究和薄膜使用单位或用户用来测量薄膜质量厚度分布及其均匀性，其测量结果稳定可靠，仪器可以长时间稳定工作。这必将推进薄膜质量厚度分布及其均匀性测量技术的发展。

附图说明

图1为实现本发明所述薄膜质量厚度分布及其均匀性的射线测量方法的测量装置的结构框图示意图；

图2为本发明逐次扫描测量时，得到的α粒子束穿过每一小块待测薄膜面元后能谱的峰位中心道址数据，这些数据以X行×Y列的形式保存在文本文件格式的txt文件中；

图3为本发明采用现有的SRIM软件计算得到的α粒子在待测铜薄膜材料中的阻止本领随α粒子能量的变化关系；

图4为本发明由自编的“薄膜厚度分布及其均匀性表征”计算机软件得到的表征待测薄膜质量厚度分布的三维曲面图，不同的灰度代表不同的薄膜质量厚度值，三维曲面图表面的凹凸不平代表了薄膜质量厚度分布的不均匀性；

图5为本发明由自编的“薄膜厚度分布及其均匀性表征”计算机软件得到的表征待测薄膜质量厚度分布的三维柱状图，不同的灰度代表不同的薄膜质量厚度值，三维柱状图表面的凹凸不平代表了薄膜质量厚度分布的不均匀性；

图6为本发明由自编的“薄膜厚度分布及其均匀性表征”计算机软件得到的表征待测薄膜质量厚度分布的二维等质量厚度分布图，不同的颜色灰代表不同的薄膜质量厚度值，X和Y分别代表逐次扫描测量时的行和列，图中坐标轴上的数字表示逐次扫描测量时的行列数；

图7为本发明每个薄膜面元的质量厚度值与整块待测薄膜质量厚度平均值的偏差，所述偏差是通过将每一小块薄膜面元的质量厚度值与所有薄膜面元质量厚度值的平均值相比较得到的。

图中，1-探测器；2-前置放大器；3-偏压电源；4-线性放大器；5-多道分析器；6-计算机分析系统；7-机箱；8-重带电粒子谱仪系统；9-待测薄膜；10-二维电控位移平台；11-位移平台控制系统；12-二维扫描及控制系统；13-准直器；14-放射源；15-重带电粒子发生系统；16-真空室；17-真空计；18-真空泵；19-真空系统。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的具体实施例，并通过具体实施例对本发明作进一步的具体详细说明。需要指出的是，下面的实施例只是为了更好地阐述本发明的工作原理、测量方法及其实际应用，以便于其它技术领域的技术人员能够方便的理解使用本发明。尽管本发明已通过文字指明了其首选实施方案，但通过阅读这些技术文字说明可以领会其中的可优化性和可修改性，并在不偏离本发明的技术方案上进行改进，但这样的改进应仍属于本发明权利要求的保护范围。

实现本发明所述薄膜质量厚度分布及其均匀性的射线测量方法的测量装置，其结构如图1所示，包括重带电粒子谱仪系统8、二维扫描及控制系统12、重带电粒子发生系统15以及真空系统19四大部分组成；其中，所述的重带电粒子谱仪系统8由探测器1、前置放大器2、偏压电源3、线性放大器4、多道分析器5、计算机分析系统6和NIM机箱7组成；所述二维扫描及控制系统12由二维电控位移平台10和位移平台控制系统11组成；所述重带电粒子发生系统15由放射源14和准直器13组成；所述真空系统19由真空室16、真空计17和真空泵18组成。待测薄膜9固定于二位电控位移平台10上。为减小空气对重带电粒子能量测量时其准确度的影响，所述放射源14、准直器13、探测器1、前置放大器2、待测薄膜9以及用于固定待测薄膜9的二位电控位移平台10均安装于真空室16内；所述二维电控位移平台10与位于真空室16外的位移平台控制系统11连接；真空泵18和真空计17分别与真空室16连接；探测器1依次与前置放大器2、线性放大器4、多道分析器5和计算机分析系统6连接；其中，偏压电源3、线性放大器4和多道分析器5安装于NIM机箱7内，NIM机箱7为偏压电源3、线性放大器4和多道分析器5提供工作电压；偏压电源3与前置放大器2相连接，为前置放大器2和探测器1提供工作电压；探测器1输出的信号经过前置放大器2和线性放大器4放大后，由多道分析器5进行模数转换后进入计算机分析系统6进行数据处理分析。

本发明的测量装置用于测量薄膜厚度分布及其均匀性的具体测量方法为：使用准直器13将由放射源14发射出的重带电粒子准直为细束，采用细束重带电粒子束对待测薄膜9进行自动逐次扫描测量，得到重带电粒子束穿过每一小块薄膜面元前后过程的能量损失值；其次，由现有的SRIM软件计算得到不同能量的重带电粒子束在待测薄膜材料中的阻止本领数据，根据能量损失值、阻止本领数据与薄膜面元质量厚度值三者之间的关系，即前面所述的公式(1)，进一步得到逐次扫描测量时每一小块薄膜面元的质量厚度值；最后，对每一小块薄膜面元的质量厚度值进行统计分析，得到整块待测薄膜9的质量厚度值及其厚度分布的均匀性，以及整块待测薄膜厚度分布均匀性的二维和三维图形表征。

实施例

本实施例所述薄膜质量厚度分布及其均匀性的测量方法所用的测量装置的搭建过程：将放射源14和二维电控位移平台10通过支架分别安装在真空室16的底部，在放射源14的上方放置准直器13，使放射源14发射出的重带电粒子沿着准直器13的准直孔竖直向上射出重带电粒子束；在二维电控位移平台10上安装好待测薄膜9，从准直器13出射的重带电粒子束垂直入射并穿过待测薄膜9；在待测薄膜9出射重带电粒子束的方向安装探测器1，将探测器1上的信号输出线与前置放大器2相连接；在真空室16的外部，将偏压电源3、线性放大器4和多道分析器5安装在NIM机箱7内，NIM机箱7为偏压电源3、线性放大器4和多道分析器5提供工作电压；将偏压电源3的输出端用导线与前置放大器4连接，偏压电源3为探测器1和前置放大器2提供工作电压；将前置放大器2的输出端与线性放大器4的输入端连接，线性放大器4的输出端与多道分析器5相连接；多道分析器5的输出信号通过RS232或USB传输至计算机分析系统6；将二维电控位移平台10与位于真空室16外的位移平台控制系统11连接；将真空泵18与真空室16连接，并在真空室16上安装好真空计17；为减小空气对重带电粒子能量测量时其准确度的影响，所述放射源14、准直器13、探测器1、前置放大器2、待测薄膜9以及用于固定待测薄膜9的二位电控位移平台10均安装于真空室16内。所述探测器1输出的信号经过前置放大器2和线性放大器4放大后，由多道分析器5进行模数转换后进入计算机分析系统6进行数据分析处理。

本实施例中所用仪器设备及材料等：

所用的放射源14选用²⁴¹Am放射源，其半衰期较长且粒子发射强度稳定，能发射出能量为5.486MeV的α粒子；

所用的准直器13的孔径大小为0.5mm，准直器的孔径大小决定了入射到待测薄膜9上的重带电粒子束的束斑大小；

所用的探测器1选用金硅面垒型半导体探测器；

所用的前置放大器2选用中核(北京)核仪器厂生产的FH1047A型电荷灵敏型前置放大器；

所用多道分析器5选用由发明人自主研发的具有2048道的多道分析器；

所用计算机分析系统6由计算机和配备有发明人自编的多道软件组成；

所用的待测薄膜9选用铜薄膜；

所用的偏压电源3选用中核(北京)核仪器厂生产的FH1298A型300V直流电源，保证长时间工作并提供幅度稳定的工作电压；

所用的线性放大器4选用中核(北京)核仪器厂生产的BH1218型线性脉冲放大器，可以长时间的提供稳定的信号放大倍数；

所用的二维电控位移平台10及位移平台控制系统11选用北京赛凡光电仪器有限公司的二位精密电控位移平台，其定位精度高、可长时间稳定工作；

所用的真空泵18选用极限压强约为6×10^-2Pa的旋片式真空泵；

所用的真空计17选用指针式真空计，用于实时监测真空室16内的压强情况。

具体测量的操作步骤如下：

第一步：对待测薄膜进行逐次扫描测量的实现

按照图1所示的框图测量装置，并按照上述的搭建过程组装连接好各仪器，测量开始前，打开真空泵18，对真空室16进行抽真空，并通过真空计17实时监测真空室16内的压强情况，直至真空计17显示的压强值接近真空泵18的极限压强时，方可开始测量。

由重带电粒子发生系统15中的放射源14发射出的重带电粒子α粒子经过准直器13准直为直径为0.5mm的细束α粒子束；

将待测薄膜9固定在二维电控位移平台10上，使待测薄膜9与准直后的α粒子束的出射方向垂直；然后打开位移平台控制系统11，设置好固定有待测薄膜9的二维电控位移平台10的移动方式；

通过置于真空室16外的位移平台控制系统11，控制所述固定有待测薄膜9的二维电控位移平台10，使其在二维水平平面内的X方向和Y方向以设定的步长和时间间隔移动，在本实施例中步长和时间间隔分别设置为0.5mm和200s；

通过所述二维电控位移平台在二维水平平面内的X方向和Y方向的移动，使得α粒子束依次穿过待测薄膜9上不同区域的每一小块薄膜面元，以对待测薄膜9进行逐次扫描测量。

第二步：重带电粒子谱仪系统的设置与测量数据的自动获取与保存

在通过第一步对待测薄膜进行逐次扫描测量的同时，打开重带电粒子谱仪系统8，通过调节偏压电源3为探测器1提供130V的工作电压；通过调节线性放大器4，使得计算机分析系统6能够完整地获得穿过待测薄膜9后的α粒子束的能谱的完整信息；通过调节多道分析器5，选择测量时间为200s，使得能谱的峰位中心道址的计数大于1000，以减小测量的统计误差。

对待测薄膜9进行30行×30列的逐次扫描测量，共计测量待测薄膜9上的900个小块薄膜面元，穿过待测薄膜9的α粒子束在进入探测器1后，将其全部能量沉积在探测器1中，与此同时，在探测器1中产生的信号经过前置放大器2、线性放大器4和多道分析器5处理后进入计算机分析系统6，由计算机分析系统6得到α粒子束穿过待测薄膜9的每一小块薄膜面元后的能谱，并由计算机分析系统6自动将能谱的峰位中心道址CH_i以文本文档的格式保存在计算机分析系统中；在计算机分析系统6保存完一个峰位中心道址数据后，位移平台控制系统11控制二维电控位移平台10在二维水平平面内的X方向和Y方向继续移动，继续对下一个待测薄膜面元进行逐次扫描测量。如图2所示为本实施例以铜薄膜为待测薄膜9，对其进行30行×30列的逐次扫描测量，得到的α粒子束穿过每一小块薄膜面元后的能谱的峰位中心道址数据CH_i，计算机分析系统6将这些数据以30行×30列的形式自动保存在文本文档格式的txt文件中。

第三步：α粒子束穿过每一小块薄膜面元过程中能量损失的获得

假设穿过第i块薄膜面元后的α粒子束的能量E_i与第二步得到的能谱峰位中心道址CH_i之间满足公式(2)，

E_i＝a+b·CH_i (2)

公式(2)中的a和b为重带电粒子谱仪系统8的能量刻度系数，在本实施例中a＝932.3，b＝2.495。根据公式(2)，可将第二步得到的30行×30列的能谱峰位中心道址数据转换为α粒子束穿过待测薄膜面元后的能量，并进一步根据放射源14发射出的α粒子束的初始能量5.486MeV，由以下公式(3)得到α粒子束在穿过待测薄膜9的第i块薄膜面元过程中的能量损失值ΔE_i。

ΔE_i＝5.486-(a+b·CH_i)MeV (3)

公式(3)中，CH_i为α粒子束穿过第i块薄膜面元后的能谱的峰位中心道址。上述转换过程由发明人自编的数据分析处理软件“薄膜厚度分布及其均匀性表征”自动完成，该软件的数据处理分析过程将在本实施例末尾介绍。

第四步：α粒子束穿过的每一小块薄膜面元的质量厚度值

由第三步得到的α粒子束在穿过第i块薄膜面元过程中的能量损失值ΔE_i，进一步根据α粒子束的能量损失值ΔE_i和在待测薄膜材料中的阻止本领dE/dx_m与待测薄膜第i块薄膜面元质量厚度值t_mi三者之间的关系，由公式(4)计算得到待测薄膜的每一小块薄膜面元的质量厚度值：

公式(4)中的dE/dx_m为α粒子束在待测薄膜9中的阻止本领，阻止本领的物理意义是能量为E的α粒子束在穿过单位质量厚度的薄膜材料时所损失的能量；α粒子束在铜薄膜材料中的阻止本领数据可由现有的SRIM软件计算得到，如图3展示了α粒子束在铜薄膜材料中的阻止本领随α粒子束能量的变化关系。

由于α粒子束在穿过待测薄膜9的过程中，其能量是逐渐减小变化的，因此为了得到任意能量的α粒子束在铜薄膜材料中的阻止本领数据，便于后续的程序计算，本实施例通过现有的SRIM软件计算得到能量为1.5～10MeV区间的α粒子束在铜薄膜材料中的阻止本领随α粒子束能量的变化关系，并使用公式(5)对阻止本领和α粒子束能量之间的关系进行函数拟合：

(dE/dx_m)_E＝A₀+A₁e^(-E/t) (5)

公式(5)中的E为α粒子的能量，其中E＝1.5～10MeV，公式(5)中A₀、A₁、t的拟合值分别为0.2158、0.6431和4.4494，所述E、A0、A1和t 4个参数对公式(5)的拟合优度为0.9999。

由于α粒子束在穿过待测薄膜9的过程中，其能量是逐渐减小变化的，因此阻止本领也是变化的，如果直接采用公式(4)计算待测薄膜的每一小块薄模面元的质量厚度值会造成较大的误差。因此，在本实施例中采用分层计算方法来计算待测薄膜的每一小块薄膜面元的质量厚度值。其具体计算方法为：假设待测薄膜每一小块面元由n层组成，α粒子束在每个薄层中损失相同的能量δE，且δE＝ΔE/n，则以公式(4)为依据可由以下公式(6)得到第1薄层和第j薄层(1<j≤n)薄膜的质量厚度值；

公式(6)中的δx_m1代表第一层薄膜的质量厚度，δx_mj代表第j层薄膜的质量厚度，E₀代表α粒子束的初始能量，E_j-1为α粒子束穿过第j-1个薄膜层后的能量，可由以下公式(7)计算得到；

E_j-1＝E₀-(j-1)δE (7)

最后，将每一个薄层薄膜的质量厚度值加起来，由下面公式(8)即可得到逐次扫描测量时第i块薄膜面元的质量厚度值t_mi。

第五步：整块待测薄膜质量厚度分布及其均匀性表征

对第四步得到的逐次扫描测量时每一小块薄膜面元的质量厚度值t_mi进行统计分析，可由下面公式(9)得到逐次扫描测量时的每一小块薄膜面元质量厚度值的平均值

再由下面公式(10)得到每一小块薄膜面元质量厚度的平均值的不确定度

公式(9)和公式(10)中的X和Y分别代表逐次扫描测量时的行数和列数,XY代表逐次扫描测量时的面元总数。

为了进一步表征整块待测薄膜质量厚度分布的均匀性，本实施例通过自编的计算机软件实现了整块待测薄膜质量厚度分布及其均匀性，以及整块待测薄膜质量厚度分布均匀性的二维和三维图形表征。本实施例采用Microsoft Visual C++6.0由本课题组自编写了一个基于MFC的数据自动处理表征软件，软件名称为“薄膜厚度分布及其均匀性表征”；该软件实现了数据读入及自动转换、数据统计分析处理以及薄膜质量厚度分布均匀性的二维和三维图形表征等功能。

如图4所示为表征待测薄膜质量厚度分布均匀性的三维曲面图，其不同的灰度代表不同的薄膜质量厚度值，三维曲面图表面的凹凸不平代表了薄膜质量厚度分布的不均匀性；如图5所示为表征待测薄膜质量厚度分布均匀性的三维柱状图，其不同的灰度代表不同的薄膜质量厚度值，三维柱状图表面的凹凸不平代表了薄膜质量厚度分布的不均匀性；如图6所示为表征待测薄膜质量厚度分布均匀性的二维等质量厚度分布图，其不同的灰度代表不同的薄膜质量厚度值，图中X和Y分别代表逐次扫描测量时的行和列，其坐标轴上的数字表示逐次扫描测量时的行数和列数；所述图4、图5和图6所展示的图形表征，其不同的灰度代表着不同的薄膜质量厚度值。如图7所示为逐次扫描测量得到的每一小块薄膜面元的质量厚度值与整块薄膜质量厚度值的平均值之间的偏差，其偏差是通过将每一小块薄膜面元的质量厚度值与所有薄膜面元质量厚度值的平均值相比较得到的。

所述“薄膜厚度分布及其均匀性表征”软件内部具体的数据处理分析过程为：

(1)在程序界面上预先输入重带电粒子谱仪系统8的能量刻度系数a＝932.3和b＝2.495，α粒子束的初始能量5.486MeV以及分层计算的层数n＝10000。

(2)选择薄膜质量厚度分布均匀性的图形表征类型，可以选择三维曲面图、或三维柱状图、或二维等质量厚度分布图中的任意一个进行薄膜质量厚度分布均匀性表征；

(3)将第二步获得的存有能谱峰位中心道址数据的文本文档读入所述的“薄膜厚度分布及其均匀性表征”软件中，并在紧接着弹出的对话框中选择待测薄膜的材料类型；

(4)所述“薄膜厚度分布及其均匀性表征”软件首先根据能量刻度系数将峰位中心道址数据转换为α粒子束穿过待测薄膜后的α粒子束的能量，并由预先输入的α粒子束的初始能量得到α粒子束在穿过待测薄膜的每一小块薄膜面元过程中的能量损失值ΔE；

(5)根据所述“薄膜厚度分布及其均匀性表征”软件内部所设置的各种薄膜材料的阻止本领dE/dx_m数据和预先输入的分层计算层数n，由能量损失值，根据分层计算方法得到逐次扫描测量时每一小块薄膜面元的质量厚度值t_m；

(6)所述“薄膜厚度分布及其均匀性表征”软件内部条采用OpenGL图形程序接口，根据选择的作图类型，如可选择如图4所示的三维曲面图，或如图5所示的三维柱状图，或如图6所示的二维等质量厚度分布图；在所述软件的绘图区绘制出表征待测薄膜质量厚度分布均匀性的二维或三维图形。

(7)所述“薄膜厚度分布及其均匀性表征”软件的附加功能：可以对数据进行统计分析。

本实施例是通过使用重带电粒子束与逐次扫描测量相结合的方法，并通过计算机编程实现对待测薄膜质量厚度值分布及其均匀性的测量的控制与数据的统计分析，从而得到待测薄膜的质量厚度值及其不确定度，并同时给出了待测薄膜厚度分布的二维和三维图形表征，本发明能够进一步为薄膜材料的生产加工和使用提供可靠的依据。

上面以文字和附图说明的方式阐释了本发明所述的薄膜质量厚度分布及其均匀性的射线测量方法，以及提供的测量装置和使用方法，并非详尽无遗或限制于上述所述具体实施方式和实施例，显而易见可根据上面所述内容进行适当的修改和优化，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种薄膜厚度分布及其均匀性的射线测量方法，其特征在于该方法采用重带电粒子束与自动逐次扫描测量相结合的方式，通过控制待测薄膜在二维水平平面的移动，获得带电粒子束依次穿过薄膜上每一小块薄膜面元过程中的能量损失值；通过计算由各面元的能量损失值得到各面元的质量厚度值，进一步分析处理得到整块待测薄膜的质量厚度分布及其均匀性以及厚度分布均匀性的图形表征；包括以下步骤：

(1)将由放射源发射出的重带电粒子在真空室内通过准直器准直为重带电粒子束；

(2)将待测薄膜固定在二维电控位移平台上，并与步骤(1)准直后的重带电粒子束的出射方向垂直；

(3)通过位移平台控制系统控制步骤(2)中固定有待测薄膜的二维电控位移平台在二维水平平面内移动；

(4)通过步骤(3)中二维电控位移平台在二维水平平面内的移动，使得经过准直器准直后的重带电粒子束依次穿过待测薄膜上每一小块薄膜面元，实现自动逐次扫描测量，并得到重带电粒子束在穿过每一小块薄膜面元过程中的能量损失值ΔE；

(5)根据步骤(4)得到的能量损失值ΔE和重带电粒子束在待测薄膜材料中的阻止本领dE/dx_m与待测薄膜面元质量厚度值t_m三者之间的关系t_m＝ΔE/(dE/dx_m)…(1)，由公式(1)计算得到待测薄膜的每一小块薄膜面元的质量厚度值；

(6)由步骤(5)所得的每一小块薄膜面元的质量厚度值，通过计算机软件分析处理得到整块待测薄膜的质量厚度分布及其均匀性，以及整块待测薄膜质量厚度分布均匀性的图形表征。

2.根据权利要求1所述薄膜厚度分布及其均匀性的射线测量方法，其特征在于所述重带电粒子束选用放射源α粒子束。

3.根据权利要求1或2所述薄膜厚度分布及其均匀性的射线测量方法，其特征在于所述固定有待测薄膜的二维电控位移平台是在二维水平平面内的X方向和Y方向上以设定的步长、时间间隔和扫描测量点数，通过在位移平台控制系统的控制下自动移动，直到完成所设定的测量面元数。