CN109655475B - 一种能谱仪探测深度的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能谱仪探测深度的标定方法，包括以下步骤：1)在熔石英基板上镀制厚度为d₀的金属膜层，标记为I类样品；2)在金属膜层上分别镀制不同厚度的SiO₂膜层，标记为II类样品；3)利用能谱仪分别测量I类样品和II类样品的金属元素M占比，利用I类样品的测量结果对II类样品的金属元素M占比进行修正；4)绘制SiO₂膜层厚度和修正后的金属元素占比曲线，通过拟合方式获得金属元素M占比为0时的SiO₂膜层厚度，并以此厚度作为能谱仪的探测深度，完成标定。与现有技术相比，本发明具有判定简单准确等优点。

Description

一种能谱仪探测深度的标定方法

技术领域

本发明涉及能谱仪探测深度标定领域，尤其是涉及一种能谱仪探测深度的标定方法。

背景技术

激光吹气系统能够将特定杂质输送至托卡马克等离子体中，通过杂质在等离子体中产生的瞬态扰动和光谱信息变化，可以研究杂质在等离子体中的输运行为。杂质注入的数量一般保持在较低水平，不会对等离子体约束造成明显影响。杂质是由激光作用在靶面金属薄膜而产生。激光诱导靶面和基板损伤后，热力损伤过程中的杂质粒子喷射是能量释放的一种形式，粒子在空间的分布信息直接决定了激光吹气系统向真空腔中注入杂质的效果，进一步影响着装置中等离子的诊断和分析。采用粒子接收板的形式，来近距离收集喷出粒子，通过测量接收板上粒子的尺寸和分布区域，获得粒子注入状态。对于以原子态或更小尺寸粒子的测量和统计，需要采用元素分析手段，测量出一定区域内特定原子的占比，结合不同位置的占比变化、探测深度、面和体密度等参数，以及原始靶材破坏区域等信息，定性或半定量估算向真空腔内注入的原子总数。

能谱仪(EDS)，是一种定性测量表层元素分布的有效手段，具有测量速度快、区域自由选定、测量电子束可以聚焦调节、能够搭配扫描电子显微镜使用的检测手段。但由于测量电子束具有一定的穿透深度，实际测量的原子数占比是表层待测元素原子数和基板一定深度内体材料原子数总和的比值。由于涉及电子束穿透基板内部的深度、以及带有元素特征谱线电子从基板内部穿出体材料并被探测器接收的能力，两种因素共同决定了能谱仪只能进行相对测量，无法定量测量元素的空间分布。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能谱仪探测深度的标定方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种能谱仪探测深度的标定方法，包括以下步骤：

1)在熔石英基板上镀制厚度为d₀的金属膜层，标记为I类样品；

2)在金属膜层上分别镀制不同厚度的SiO₂膜层，标记为II类样品；

3)利用能谱仪分别测量I类样品和II类样品的金属元素M占比，利用I类样品的测量结果对II类样品的金属元素M占比进行修正；

4)绘制SiO₂膜层厚度和修正后的金属元素占比曲线，通过拟合方式获得金属元素M占比为0时的SiO₂膜层厚度，并以此厚度作为能谱仪的探测深度，完成标定。

所述的步骤1)具体包括以下步骤：

11)选取直径为30毫米的熔石英基板，其表面粗糙度小于0.5nm；

12)采用电子束蒸发方法镀制金属膜层，镀膜机本底真空为1×10^-3Pa-6×10^-3Pa，熔石英基板加热至200度后开始镀膜；

13)使金属膜层厚度d₀大于100nm，并标记为I类样品。

所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)在镀有金属膜层的熔石英基板上，采用电子束蒸发方法镀制不同厚度的SiO₂膜层；

22)SiO₂膜层的厚度分别为d₁、d₂、d₃…d_n，且各SiO₂膜层的厚度差Δd为固定值；

23)将镀制不同厚度的SiO₂膜层后的样品标记为II类样品，其具有相同厚度的金属膜层以及厚度不同的SiO₂膜层。

所述的步骤3)具体包括以下步骤：

31)采用能谱仪，在选取固定测量区域A、扫描时间t和电子束流能量P参数下，分别测量I类样品和II类样品中金属元素M的占比；

32)根据I类样品的金属元素M占比对II类样品的测量结果进行修正，则有：

II类样品中，SiO₂膜层厚度为d_n的金属元素M占比的修正值为a_ns％＝a_n％/a₀％，其中，I类样品的金属元素M占比为a₀％，II类样品中SiO₂膜层厚度为d_n的金属元素M占比为a_n％。

所述的步骤4)具体包括以下步骤：

41)绘制SiO₂膜层厚度和修正后的金属元素占比曲线，SiO₂膜层厚度范围从0至d_n，膜层厚度为0时对应I类样品；

42)I类样品的金属元素占比经修正后为100％；

43)通过拟合方式获得金属元素M占比为0时的SiO₂膜层厚度d_t，则将d_t作为能谱仪在步骤31)的测量条件下的探测深度h。

所述的探测深度为在能谱仪在元素分析中，电子束穿入被测样品内部的探测深度。

本发明还包括以下步骤：

5)对探测深度h进行修正，获取等效探测深度h’，并根据等效探测深度h’计算获取粒子密度，等效探测深度h’的计算式为：

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过制备金属膜层嵌入在不同深度的标准样品，对能谱仪测量中电子束的探测深度进行校准，掌握不同深度下金属元素被探测及特征谱线电子逸出的能力，获得能谱仪测量的等效探测深度，计算出探测区域总原子数，由此将能谱仪的相对的定性测量结果转变为定量测量。

附图说明

图1为喷射粒子收集和喷射角度示意图。

图2为能谱仪测量区域示意图。

图3为修正后的Cr元素与SiO₂膜层厚度的原子数占比曲线。

图4为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

本发明通过能谱仪测试得到的接收板上金属元素占比，对金属膜受损伤喷发后到达接收板的元素量占总喷发量的比例进行定量计算。

一、计算模型

图1为激光辐照金属薄膜后杂质粒子喷发示意图，利用接收板可以收集金属膜层在激光作用下喷发的粒子。此类计算仅针对因高温蒸发作用而喷发的、无法用光学显微镜分辨的原子尺度粒子形态。

通过能谱仪测试得到的接收板上金属元素占比，对金属膜受损伤喷发后到达接收板的元素量占总喷发量的比例进行定量计算。主要分为两个部分：

(1)对基板上喷发金属元素总粒子数的计算；

(2)对接收板上金属元素粒子数的计算。

(1)设金属膜喷发元素粒子数为N₁，N₁可表示为：

其中，A为金属膜表面激光光斑面积，d金属膜厚度，ρ为金属密度，M为金属的摩尔质量，NA为阿伏伽德罗常数，NA＝6.02×10²³。

(2)能谱仪测量接收板上金属元素粒子示意图如图2所示。近似认为接收板上粒子分布区域为圆形，从圆心开始，沿某一半径方向，选取固定间距r，每隔距离r进行一次测试，测试区域面积均为S，直到结果不再出现该金属元素为止。由此得到若干个金属元素在测试区域内的占比P₀％、P₁％、P₂％……P_n。

近似认为在金属元素分布的圆形区域内，以中心为圆心，相同半径的环形区域内的粒子数分布密度是相同的。为了简化模型，进一步近似，所选择的测试点之间的宽度为Δr的环形区域内的粒子数密度是相同的，且为内环与外环处密度的算术平均值。同时，由于该金属元素只占少量，在计算测试区域总粒子数时，密度和摩尔质量均以SiO₂的密度和摩尔质量为标准。

设接收板上接收到的金属粒子数为N₂，N₂可表示为：

其中，A_n为第n个环形区域的面积，A₀为以中心为圆心，半径为r的圆，即A₀＝πr²、A₁＝3πr²、A₂＝5πr²……A_n＝(2n+1)πr²。ρ_n为第n个环形区域的粒子数密度。ρ_n可表示为：

其中N′为探测区域内总粒子数，h为EDS探测深度，NA＝6.02×10²³。

最后，计算得到接收板接收到的金属元素粒子数占比η可表示为：

对以上实验进行计算时，引入了大量近似，其中在计算能谱仪测试区域内金属元素粒子数密度时，近似认为面积S，深度h的体积内的所有粒子即为测试的粒子总数。但是显然能谱仪测试过程中，所能探测到的粒子数是随着探测深度骤减的，因此在该测试结果中，探测到的区域内粒子总数应是远小于近似值的。因此，利用标准样品对其探测深度进行修正。

二、探测深度校准

2.1样品制备：

选取直径为30毫米的熔石英基板，表面粗糙度为0.35nm，利用电子束蒸发方法镀制金属Cr膜层，镀膜机本底真空1×10^-3Pa-6×10^-3Pa，熔石英基板加热至200度后开始镀膜，Cr膜层厚度d₀为160nm，标记为I类样品。

在镀有Cr膜层的熔石英基板上，继续利用电子束蒸发方法镀制不同厚度的SiO₂膜层；SiO₂膜层的厚度分别为d₁、d₂、d₃至d₇，共有7个不同的厚度，分别为0.25、0.5、0.75、1.0、1.25、1.5和1.75μm；此类样品标记为II类样品。

利用能谱仪，选取固定测量区域125μm×100μm、扫描时间25s、电子束流能量10kev参数下，分别测量I类样品和II类样品中Cr元素的原子数占比。

I类样品的Cr元素占比为77.830％；

II类样品中SiO₂膜层厚度为0.25μm的Cr元素占比为17.383％；

SiO₂膜层厚度为0.5μm的Cr元素占比为5.513％；

SiO₂膜层厚度为0.75μm的Cr元素占比为1.890％；

SiO₂膜层厚度为1.0μm的Cr元素占比为1.824％；

SiO₂膜层厚度为1.25μm的Cr元素占比为1.278％；

SiO₂膜层厚度为1.5μm的Cr元素占比为1.275％；

SiO₂膜层厚度为1.75μm的Cr元素占比为0％。

利用没有SiO₂膜层厚度时I类样品的Cr元素占比，对其它厚度的测量结果进行修正，修正值为a_ns％＝a_n％_/a₀％，修正结果如表1所示。

表1修正后的Cr元素占比

绘制SiO₂膜层厚度和修正后的Cr元素占比曲线，如图3所示，SiO₂膜层厚度范围从0至1.75μm，膜层厚度为0时即为I类样品。

2.2等效探测深度修正方法

根据以上实验结果，能谱仪探测深度约为1.625μm，对公式(3)中的探测到的总粒子数

部分进行修正：

其中q_n％即为上实验所得不同厚度下可探测到的粒子比例，S为探测区域面积，NA＝6.02×10²³。

则公式(3)变为

其中

可理解为等效探测深度，计算可得h′＝0.22μm。

经标准样品标定，能谱仪的探测深度约为1.625μm，但不同深度下的Cr元素粒子对Cr原子数占比的贡献不同，随着深度的增加，逸出的有效原子数迅速减少；为此通过对占比曲线积分，引入等效探测深度，其含义为能谱仪探测的等效深度，在计算总粒子数时，此深度内的全部粒子数都可以计算在内。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种能谱仪探测深度的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在熔石英基板上镀制厚度为d₀的金属膜层，标记为I类样品；

2)在金属膜层上分别镀制不同厚度的SiO₂膜层，标记为II类样品，具体包括以下步骤：

21)在镀有金属膜层的熔石英基板上，采用电子束蒸发方法镀制不同厚度的SiO₂膜层；

22)SiO₂膜层的厚度分别为d₁、d₂、d₃…d_n，且各SiO₂膜层的厚度差Δd为固定值；

23)将镀制不同厚度的SiO₂膜层后的样品标记为II类样品，其具有相同厚度的金属膜层以及厚度不同的SiO₂膜层；

3)利用能谱仪分别测量I类样品和II类样品的金属元素M占比，利用I类样品的测量结果对II类样品的金属元素M占比进行修正；

4)绘制SiO₂膜层厚度和修正后的金属元素占比曲线，通过拟合方式获得金属元素M占比为0时的SiO₂膜层厚度，并以此厚度作为能谱仪的探测深度，完成标定。

2.根据权利要求1所述的一种能谱仪探测深度的标定方法，其特征在于，所述的步骤1)具体包括以下步骤：

11)选取直径为30毫米的熔石英基板，其表面粗糙度小于0.5nm；

12)采用电子束蒸发方法镀制金属膜层，镀膜机本底真空为1×10^-3Pa-6×10^-3Pa，熔石英基板加热至200度后开始镀膜；

13)使金属膜层厚度d₀大于100nm，并标记为I类样品。

3.根据权利要求2所述的一种能谱仪探测深度的标定方法，其特征在于，所述的步骤3)具体包括以下步骤：

31)采用能谱仪，在选取固定测量区域A、扫描时间t和电子束流能量P参数下，分别测量I类样品和II类样品中金属元素M的占比；

32)根据I类样品的金属元素M占比对II类样品的测量结果进行修正，则有：

II类样品中，SiO₂膜层厚度为d_n的金属元素M占比的修正值为a_ns％＝a_n％/a₀％，其中，I类样品的金属元素M占比为a₀％，II类样品中SiO₂膜层厚度为d_n的金属元素M占比为a_n％。

4.根据权利要求3所述的一种能谱仪探测深度的标定方法，其特征在于，所述的步骤4)具体包括以下步骤：

41)绘制SiO₂膜层厚度和修正后的金属元素占比曲线，SiO₂膜层厚度范围从0至d_n，膜层厚度为0时对应I类样品；

42)I类样品的金属元素占比经修正后为100％；

43)通过拟合方式获得金属元素M占比为0时的SiO₂膜层厚度d_t，则将d_t作为能谱仪在步骤31)的测量条件下的探测深度h。

5.根据权利要求4所述的一种能谱仪探测深度的标定方法，其特征在于，所述的探测深度为在能谱仪在元素分析中，电子束穿入被测样品内部的探测深度。

6.根据权利要求4所述的一种能谱仪探测深度的标定方法，其特征在于，还包括以下步骤：

5)对探测深度h进行修正，获取等效探测深度h’，并根据等效探测深度h’计算获取粒子密度，等效探测深度h’的计算式为：

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