應用 | X射線衍射在半導體行業中的應用

XRD的工作原理與歷史背景

XRD基于X射線與晶體材料相互作用的衍射現象。當X射線照射到晶體上時，會根據晶格平面間距發生衍射，形成的衍射模式。這種現象由Bragg定律描述：

2dsinθ=nλ

其中，d是原子平面間距，θ是入射角，n是整數，λ是X射線的波長。這一定律是理解和解釋衍射模式的基礎。

XRD的歷史始于1912年Max von Laue的發現，隨后William Henry Bragg和William Lawrence Bragg父子提出了Bragg定律，并因其在X射線晶體學中的貢獻于1915年獲得諾貝爾物理學獎。在實際操作中，樣品置于X射線衍射儀中，X射線束照射樣品，衍射的X射線被檢測器捕獲，其強度隨散射角變化形成衍射圖。這種圖譜包含對應于不同晶面平面的峰值，揭示材料的晶體結構。

XRD的典型應用包括識別未知材料、確定晶體結構、測量晶粒大小和形狀、分析晶粒的優先取向（紋理）以及量化樣品中不同相的含量。在半導體行業，XRD特別用于表征電子器件中使用的材料，確保晶體結構的精確控制。

XRD測量通常需要以下組件：

半導體中晶體結構的重要性：

半導體材料是現代電子設備的基礎，其導電性能在導體和絕緣體之間，依賴于晶體結構。晶體結構決定以下關鍵屬性：

常見的半導體材料包括硅（Si）、鍺（Ge）和化合物如砷化鎵（GaAs），它們具有特定的晶體結構：

任何偏離晶體結構的缺陷或雜質都會顯著改變這些性質。例如：

因此，表征晶體結構對于確保半導體器件的質量和性能至關重要。

XRD在半導體行業中的應用

在半導體行業，XRD在器件制造的不同階段用于表征材料。

1. 表征塊體材料：

晶格參數：通過衍射峰位置確定原子間距，了解材料的物理性質，如熱膨脹系數或彈性常數。

識別晶體缺陷：衍射峰的寬度和形狀提供缺陷存在和密度的信息，較寬的峰表示晶粒較小或缺陷密度較高。

測量取向：晶體的取向對許多器件至關重要，不同晶向可能具有不同的電學或光學性質。例如，硅的（100）取向常用于CMOS器件，因其對晶體管性能有利。

2. 表征薄膜：

確定厚度：薄膜的衍射圖顯示稱為Kiessig條紋的干涉條紋，條紋間距與膜厚成反比。這對控制柵極介質的厚度尤為重要，小的厚度變化會影響器件性能。

測量應變：在外延層中，通過比較平面內和平面外晶格參數確定應變。壓縮或拉伸應變可通過應變硅技術工程化，以提高晶體管載流子遷移率。

組成分析：對于合金薄膜如SiGe或AlGaAs，晶格參數是合金組成函數。通過測量晶格參數，可確定組成，這對調整帶隙和其他性質至關重要。

3. 其他應用：

監測工藝步驟：如退火可能導致晶體結構變化，如重結晶或相變。實時XRD可監測這些變化，優化工藝。

質量控制：在制造中，XRD用于確保每個晶圓滿足所需的晶體質量標準，檢查晶格參數、取向和缺陷密度的一致性。這有助于保持高產量和可靠性。

此外，高級技術如掠入射X射線衍射（GIXRD）和X射線反射率（XRR）用于表面和界面表征，這對研究納米材料和薄膜結構至關重要。

 

 

 

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