X射线衍射貌相法简介

貌相法利用X射线在晶体中传播及衍射，根据晶体中完整及非完整部分衍射的衬度变化及消光规律，来检查近完整晶体材料和器件表面和内部微观结构缺陷的方法。

它可显示位错，层错，沉淀，亚结构，畴界以及晶面弯曲等，是当前常用的缺陷观察，分析方法。

貌相法的分类：

截面貌相法    投影貌相法    反射貌相法    异常投射貌相法    双晶及多重貌相法

 

投影貌相法的原理

一个完整晶体仅严格地按布拉格定律衍射，其θ角的偏差在几秒（如3’’）以内（摆动曲线半宽度）。而 一般试验条件下，入射X射线的发散度比这角度大，如为了分离Kα1和Kβ1常准直到4’左右。所以完整晶体部分的衍射束只利用了发散入射线束的很小一部分能量。

若晶体中有缺陷，且缺陷部分相对正常点阵的畸变是缓慢连续变化到数分的话，这种运动学衍射区恰衍射发散的入射线束角分布两翼区中其余大部分能量。所以其积分强度比完整晶体的动力学衍射效应所形成的均匀背景要高得多，形成了对应于缺陷的强度增强的直接象。

n       实验装置

透射投影貌相法实验装置示意图

点焦点：作为X射线源，本实验用其Ka1特征辐射。

光阑1、2：限制入射线的水平发散度，使得所用辐射中仅有Kα1单一波长满足
晶体衍射条件。

光阑3：阻止透过晶体的原入射线束，仅允许所选取的主衍射线束通过。

晶体：安装在带有测角头的可旋转的样品台上。

计数管：记录透射线的强度，以调节试样晶体到所需的衍射位置上。

底片：记录晶片表面及内部整体缺陷沿衍射线方向的投影。

 

n       对晶体厚度的要求：

直接象是缺陷的应变场直接衍射入射X射线束而造成的。这种衍射穿出晶体时受到路程上晶体材料的光电吸收，此直接象按exp(-μt)衰减，其中μ为晶体的线吸收系数，t为X射线穿透行程，t > 1时直接象被吸收得很厉害，几乎消失。所以透射貌相图中的直接象主要在薄晶体情形出现。

对一片晶体，处于衍射情形，t < 1就认为是薄晶体，这时晶体厚度

T = t sin α

式中 α 为入射线与晶体表面的夹角。

n       底片上貌相图的分析:

在垂直方向上象的放大率为1，即为原晶体的大小，水平方向象的放大率为cosФ，Ф为晶片表面与底片的夹角，水平方向总是缩小的象。在薄晶体情况下，此法得到的主要是直接象。

貌相图中的缺陷象是缺陷周围点阵畸变的记录。相干散射的X射线受缺陷周围应变场的影响，使它的强度相对于晶体完整区域产生增强或减弱，造成衬度，从而显现出缺陷的存在。在晶体缺陷（如位错、层错或其他面缺陷、点缺陷团和杂质分凝等）周围的点阵中，总是存在某种畸变场（一般是各向异性的），它与X射线波场的交互作用，使得它们在貌相图中成象。所以，象的衬度取决于缺陷周围畸变的种类和大小。

貌相图的分析大致包括下列内容：

衍射象的正确识别，即确定衍射象所反映的缺陷的种类；

缺陷特征量的测定，如应变矢量，位错的走向，孪生面指数等等；

缺陷在试样晶体中的空间分布和它们之间的相互关系；

缺陷的产生和消失，缺陷间的交互作用，缺陷和晶体生长工艺，加工工艺以及在晶片上制作器件的性能间的关系等等。

 

习惯上，通常把缺陷分成以下几种：

点缺陷（零维缺陷）包括间隙原子，空位。

线缺陷（一维缺陷）位错。

面缺陷（二维缺陷）包括堆垛层错、晶界等。

宏观的或亚微观的体缺陷（三维缺陷）包括组分分凝等。

 

直拉硅单晶纵片的投影图

图中反衬度高处是条纹状分布的点缺陷

单晶的001晶片的投影图

图中反衬度高的是条纹状的线缺陷即位错

包含孪晶界面的硅晶体的投影图

图象表示是由孪晶界面产生的面缺陷

硅晶体在凝固时出现组分分凝的投影图

图中出现的生长条纹即体缺陷

 

衍射貌象法的应用

当今社会对微电子数量和质量要求越来越高，而它们在制作过程中会引入一些缺陷，这些缺陷对它们的性能有很大的影响。因此研究和控制这些缺陷，建立最佳工艺是一个非常重要的课题。

为了观察这些缺陷，可以使用很多实验方法，但X射线衍射貌象法对于近完整晶体特别适宜。因为它是完全非破坏性的，它能一次拍摄大面积样品中的全部缺陷，它能非常明确的确定位错的类型和组态，所以有极其广泛的应用。下面仅介绍两个重要的应用特例。

n        在晶片切磨抛光中的应用

晶片在切割，研磨和抛光中会有损伤，用X射线的方法能定量测定研磨损伤层的厚度，检查抛光片的质量。最简便的方法是拍摄经切割研磨后的晶片的貌象图，从貌象的衬度可定性的检查后一道工艺是否把前一道工艺引起的损伤除去。

为了避免新切割表面的处理，可以通过解理得到所需的式样，并拍摄其貌象图，观察预测量的加工面到晶体内部的衬度变化。近而确定最好的工艺。

n        杂质的沉淀和偏析

在半导体晶体中，掺杂元素可能产生偏析和沉淀，特别是重掺的晶体在化合物半导体中还可能存在组分偏析。用X射线貌象法可以观察这种现象。

例如：硅单晶中锑的沉淀和偏析。如果貌象图观察到衬度很黑的区域，则说明有杂质的沉淀。如果周围还有位错和条纹分布，则说明有杂质的偏析。类似的掺杂元素也可用此法分析。貌相图见下页。

低阻硅中掺杂元素锑的偏析沉淀的X射线貌相图

 

总结

n        对衍射貌象法历史的回顾

任何事物都不是完美的，晶体也是如此。在早期的研究中人们一度认为晶体都是完整理想的，直到直接观测完整晶体中缺陷的X射线貌相法发展起来，看着各类黑白分明，斑纹错杂的衍射花样，人们开始相信上帝也是粗心的，晶体是有缺陷的。

渐渐的人们开始从一些特殊晶体的衍射花样中归纳出位错，层错等缺陷组态，而建立起一套解释衍射花样的衍射动力学理论。再用这些理论去解释更多的晶体衍射图。通过Lang和Newkirk等的改进，X射线衍射法成为观测近完整晶体单个缺陷的重要方法。

n       该法的优点和缺点

与其他的探测晶体缺陷的方法相比，它的优点是不破坏样品，一次能拍摄全部貌相的图像，同时显示视场范围内晶体表面及体内的全部缺陷。它的缺点是分辨率较差，放大倍数有限，拍摄时间较长等。而且由于不同类型位错的杂乱分布，人们很难从衍射图中辨识出位错特有的衍射效应，所以对多晶的缺陷观测，目前还没发展出完善的理论，因此衍射貌相法大多都用于观测近完整晶体中的单个缺陷。

n       对貌相图分析的小结

根据衍射貌相图，我们可以利用消光衬度或取向衬度对缺陷的敏感性作为缺陷成象的手段。在通常得到的图像中，位错线一般显示为黑线（位错的直接象），在特殊情况下可以显示为双线的象；而层错、孪晶界等面缺陷，则出现平行的干涉条纹。具体的图像可以参照前面的各类缺陷图。

 

我们的小结和建议

通过查找关于X射线在晶体观测中的应用，我们的焦点落在了目前已经相当完善，非常成熟的X射线衍射貌相法上。理由很简单，我们想了解一些关于晶体缺陷探测（探伤方面）的知识。而在晶体缺陷探测方面，目前较为成熟的是晶体单一缺陷的观测，与同类观测方法相比，衍射貌相法的优点非常明显（见前）。在观察单缺陷方面它已经做的非常完善，对图像的分析有完整的理论，但在多类型缺陷观察方面仍存在问题。

我们的建议：

人工分析这些图象既不精确，效率也很低。如果实验条件不高，图像“噪音”过大时，人的分辨率也不高。随着计算机的普及，分析图越来越多的依靠计算机，我们认为为得到较好较准确的分析结果。可建立一个图象库共储备，通过对比待测晶体与图库中具有相似特征线斑的图像，来不断修正分析的结果，从而得到较为全面的检测结果。比如可应用数学中的人工神经网络来进行学习性修正分析。

 

参考书目

1、《X射线衍衬貌象学》 2、《X射线衍射学进展》 3、《X射线学》 4、《物质元素的X射线分析》

许顺生 冯端 著 许顺生 著 乌蒙斯基 著 方佩刚 著