✧X射线形貌术(XRT)无损分析

X射线形貌术(XRT)设备:晶体/晶圆内部缺陷的“无损显微镜”

核心定义:

X射线形貌术是一种利用高相干性X射线对近完美晶体(如半导体硅/碳化硅晶圆、单晶材料、光学晶体等)进行无损、高分辨率成像的技术。它不像XRD那样主要分析晶体结构,而是可视化晶体内部的缺陷,如位错、层错、晶界、应变场、畴结构等,被誉为晶体缺陷的“金标准”成像技术。


工作原理

其物理基础是动力学衍射理论相干散射

  1. 高相干X射线入射:使用高度单色化、准直化的X射线(通常来自同步辐射光源或高亮度实验室X射线源)入射到近乎完美的晶体上。

  2. 衍射条件:当满足布拉格衍射条件时,晶体中满足条件的晶面会发生强烈的衍射。

  3. 缺陷成像:晶体内部的缺陷(如位错)会破坏晶格的完美周期性,导致其周围的晶格发生畸变(应变场)。这些畸变区域会以不同于完美晶体的方式衍射X射线(衍射强度或相位发生变化)。

  4. 信号记录:使用高分辨率的二维探测器(如X射线成像板、CCD/CMOS相机耦合闪烁体)记录衍射光束的强度分布,形成一张“形貌相”。

  5. 图像解读:形貌相上的衬度(明暗、条纹、线迹)直接对应晶体内部缺陷的类型、分布和应变状态。


主要设备类型与技术方法

根据X射线源、光路配置和样品扫描方式,XRT设备主要分为以下几种:

1. 实验室XRT设备

  • 核心部件

    • X射线源:高功率、微焦点旋转阳极靶X射线发生器(如Mo, Cu, Ag靶),提供高亮度的特征X射线(Kα1)。

    • 单色化与准直系统:多层膜镜、狭缝系统,或使用高质量的单晶单色器(如Si双晶单色器)来获得高单色性、高准直性的入射光束。

    • 样品台:高精度、多自由度(X, Y, Z, 旋转,倾斜)的样品架,用于精确定向和扫描。

    • 探测器:高空间分辨率(像素尺寸可至1µm以下)的二维X射线探测器。

  • 常见技术