X射線(xiàn)表征課件

1、薄膜結(jié)構(gòu)X射線(xiàn)表征 麥振洪中國(guó)科學(xué)院物理研究所一. 薄膜結(jié)構(gòu)完美性表征的重要性二. 薄膜制備方法三. 表征薄膜結(jié)構(gòu)X射線(xiàn)技術(shù) 1.X射線(xiàn)衍射 2. 雙軸晶X射線(xiàn)衍射 3. X射線(xiàn)反射率,掠入射衍射 4. X射線(xiàn)漫散射四. 應(yīng)用實(shí)例參 考 資 料1. 梁敬魁.粉末衍射法測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)，科學(xué)出版社, 2003.2.馬禮敦.近代X射線(xiàn)多晶體衍射, 化工出版社，2004.3.盛篪、蔣最敏、陸肪、黃大鳴.硅鍺超晶格及低維量子結(jié)構(gòu), 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2004.4.麥振洪. 薄膜結(jié)構(gòu)X射線(xiàn)表征，科學(xué)出版社，2007.5.Mai zhenhonh et al. Phys.Rev.B 41 (1990) 99

2、30.6.麥振洪 “高分辨X射線(xiàn)雙晶衍射技術(shù)在半導(dǎo)體薄膜材料中的研究” 物理 21 (1992) 181.7.崔樹(shù)范 “掠入射X射線(xiàn)衍射在表面、界面和薄膜材料結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用” 物理 22 (1993) 87.8. 麥振洪 “X射線(xiàn)三晶衍射及其應(yīng)用” 物理 23 (1994) 46.9. 麥振洪 “低維材料的X射線(xiàn)衍射” 物理 25 (1996) 243, 303.10. 麥振洪 吳畏 “X射線(xiàn)駐波及其應(yīng)用” 物理 31 (1998) 93.11. 麥振洪 “同步輻射光50年” 物理 31 (2002) 106. 薄膜結(jié)構(gòu)X射線(xiàn)表征 第一篇 基本實(shí)驗(yàn)裝置第一章 實(shí)驗(yàn)裝置基本單元 1.1 X射線(xiàn)

3、源 1.1.1 X射線(xiàn)產(chǎn)生和X射線(xiàn)譜 1.1.2封閉式X射線(xiàn)管 1.1.3同步輻射光源 1.2 X射線(xiàn)準(zhǔn)直和單色化 1.2.1狹縫 1.2.2雙晶單色器 1.2.3多晶單色器 1.3X射線(xiàn)探測(cè)器 1.3.1計(jì)數(shù)器 1.3.2位敏探測(cè)器 1.3.3面探測(cè)器 4.4 X射線(xiàn)衍射強(qiáng)度 4.4.1 單電子散射 4.4.2 原子散射因子 4.4.3 結(jié)構(gòu)因子 4.5 薄晶體衍射強(qiáng)度第五章 金屬多層膜的X射線(xiàn)衍射運(yùn)動(dòng)學(xué)理論 5.1成分混合/合金化的多層膜 5.2 A/BN多層膜第六章 X射線(xiàn)衍射動(dòng)力學(xué)理論(一) - 完美晶體 6.1 引言 6.2 完美晶體中X射線(xiàn)波動(dòng)方程 6.3 雙光束近似 6.4 色散

4、面 6.5 勞厄幾何晶體內(nèi)波場(chǎng)振輻 6.6 布拉格幾何晶體內(nèi)波場(chǎng)振輻 6.6.1 無(wú)吸收晶體的反射率 6.6.2 有吸收晶體的反射率6.7 雙晶衍射搖擺曲線(xiàn)的理論計(jì)算第七章 X射線(xiàn)衍射動(dòng)力學(xué)理論(二)畸變晶體 7.1 前言 7.2 晶體中的調(diào)制波 7.3 高木方程 7.4 高木方程的Taupin形式 7.5 多層膜結(jié)構(gòu)的X射線(xiàn)雙軸晶搖擺曲線(xiàn)計(jì)算 7.5.1.概述 7.5.2.外延材料反射率的X射線(xiàn)衍射動(dòng)力學(xué)理論解 7.5.3 迭代公式中參數(shù)的計(jì)算 .外延層的點(diǎn)陣參數(shù)與四方畸變 . 結(jié)構(gòu)因子 幾何參數(shù) 7.6 應(yīng)變弛豫超晶格的X射線(xiàn)雙軸晶搖擺曲線(xiàn)計(jì)算 7.6.1 弛豫機(jī)制與應(yīng)變分布 7.6.2

5、取向差與峰形展寬 取向差 衍射峰形的展寬 10.5.1 表面關(guān)聯(lián)函數(shù) 10.5.2 自仿射(self-affine)關(guān)聯(lián) 10.5.3 多層膜界面之間的關(guān)聯(lián)第三篇 薄膜和多層膜微結(jié)構(gòu)表征 第十一章 單層膜和多層膜厚度 11.1 單層膜和多層膜共面X射線(xiàn)衍射 11.2埋層的探測(cè) 11. 2.1高分辨X射線(xiàn)衍射 11.2.2 X射線(xiàn)鏡面反射 第十二章 外延膜的點(diǎn)陣參數(shù)、應(yīng)力與組分 12.1 共面X射線(xiàn)雙軸晶衍射 12.2薄膜殘余應(yīng)力檢測(cè)的X射線(xiàn)Mapping 技術(shù) 12.3 掠入射衍射 第十三章 薄膜表面與界面 13.1 X射線(xiàn)鏡面反射 13.1.1 氧化物薄膜界面 13.1.2 磁性金屬多層膜界

6、面 13.1.3 BaTiO3/Pt 界面的“dead layer” 13.2 X射線(xiàn)漫散射 13.2.1 ZnTe/ZnSxTe1-x超晶格中的生長(zhǎng)臺(tái)階 13.2.2 長(zhǎng)周期BeTe/ZnSe超晶格界面臺(tái)階上的無(wú)規(guī)起伏 13.2.3 短周期BeTe/ZnSe超晶格界面的化學(xué)鍵 13.3 X射線(xiàn)異常衍射精細(xì)結(jié)構(gòu) 13.3.1埋層量子線(xiàn) 13.3.2 在金屬多層膜中的應(yīng)用 第十四章 橫向調(diào)制結(jié)構(gòu) 14.1 表面柵格結(jié)構(gòu) 14.2 橫向成份調(diào)制結(jié)構(gòu) 14.3 量子線(xiàn)結(jié)構(gòu) 14.4 量子點(diǎn)結(jié)構(gòu) 14.5 原子有序結(jié)構(gòu) 第十五章 外延膜中缺陷 15.1 倒易空間X射線(xiàn)散射強(qiáng)度分布( Mapping)

7、15.2 應(yīng)變弛豫 15.2.1 晶格失配應(yīng)變 15.2.2成份梯度應(yīng)變 15.3 失配位錯(cuò) 15.3.1 位錯(cuò)的X射線(xiàn)漫散射 15.3.2 低密度位錯(cuò) 15.3.3 高密度位錯(cuò) 15.4 X射線(xiàn)反射形貌術(shù) 15.4.1 BergBarrett反射形貌術(shù) 15.4.2雙軸晶形貌術(shù) 第十六章 軟物質(zhì)薄膜與界面 16.1液體薄膜與界面 16.1.1 實(shí)驗(yàn)方法 16.1.2 液體薄膜 16.2 固/液界面的磷脂多層膜 16.2.1 磷脂多層膜結(jié)構(gòu)的X射線(xiàn)散射研究 16.2.2 磷脂多層膜的溶漲 16.3 表面活性劑多層膜 16.3.1水對(duì)硬脂酸膜界面起伏的影響 16.3.2 LB膜的界面粗糙化與生長(zhǎng)

8、動(dòng)力學(xué) 隨著薄膜制備技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用特殊的生長(zhǎng)技術(shù)，如分子束外延(MBE)、金屬有機(jī)氣相淀積外延(MOVPE)，氫化物氣相外延(HVPE)等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)精度達(dá)到一個(gè)原子層，甚至半個(gè)原子層的逐層生長(zhǎng)和剪裁。使人們可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)、生長(zhǎng)和制備具有特殊能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜材料和器件，大大促進(jìn)了微電子學(xué)和光電子學(xué)的發(fā)展。結(jié)構(gòu)完美的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)、量子阱和超晶格以及量子點(diǎn)等材料的出現(xiàn)，為發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)以及單電子隧穿效應(yīng)等新的物理效應(yīng)提供了基礎(chǔ)材料。大量研究表明，半導(dǎo)體外延薄膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)和生長(zhǎng)參數(shù)會(huì)直接影響材料的完美性和性能。例如，晶格大失配的材料只有外延膜厚度小于臨界厚

9、度時(shí)，才有可能實(shí)現(xiàn)共格外延。如果外延膜厚度增加，將在界面上產(chǎn)生失配位錯(cuò)，以降低系統(tǒng)的應(yīng)變能。另外，界面上成分互擴(kuò)散和應(yīng)力弛豫導(dǎo)致的“島”都會(huì)使界面變差。外延薄膜材料各層的成分、厚度、應(yīng)力分布以及表面、界面狀態(tài)等局部變化都會(huì)影響器件的微電子和光電子性能。半導(dǎo)體外延膜、量子阱及量子點(diǎn)等材料微結(jié)構(gòu)的X射線(xiàn)表征可以在介觀或納米尺度給出各層成分、厚度、界面起伏的局部波動(dòng)。 鐵磁/非鐵磁金屬多層膜通常采用磁控濺射技術(shù)來(lái)制備。與分子束外延技術(shù)相比，磁控濺射技術(shù)的薄膜生長(zhǎng)是遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡區(qū)，而且生長(zhǎng)速率高，因此，生長(zhǎng)的薄膜的結(jié)構(gòu)完美性遠(yuǎn)不如分子束外延生長(zhǎng)的好。大量研究表明：鐵磁/非鐵磁金屬多層膜各層厚度、界面

10、粗糙度、界面成分?jǐn)U散、應(yīng)力狀態(tài)和磁疇結(jié)構(gòu)等因素直接影響多層膜材料的磁學(xué)性質(zhì)。因此，在原子尺度上對(duì)多層膜微結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征十分重要，因?yàn)樗梢詫?duì)優(yōu)化生長(zhǎng)條件、改善材料性能給予科學(xué)依據(jù)。 薄膜材料包括單層膜和多層膜材料，無(wú)損檢測(cè)對(duì)薄膜材料結(jié)構(gòu)研究是重要的。作為表征薄膜材料結(jié)構(gòu)的掃描探針技術(shù)，X射線(xiàn)衍射和散射等技術(shù)有其特別的優(yōu)點(diǎn)，它可以無(wú)損檢測(cè)單層膜或多層膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)、界面狀況以及縱向和橫向的共格程度。Characterization technique XRD TEM STM與物質(zhì)作用穿透深度樣品制備波長(zhǎng)Bragg角探測(cè)應(yīng)變電子強(qiáng)小難0.025小10-3 10-4X射線(xiàn)弱大易1.54大10-5 10-6

11、XRD is a method with Non-destructive Non-contacting High sensitive Predictors of device performance 對(duì)薄膜X射線(xiàn)衍射和散射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論模擬，可以得到薄膜內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息，為研究薄膜的生長(zhǎng)機(jī)制，優(yōu)化生長(zhǎng)條件，改善薄膜性能提供科學(xué)依據(jù)，是薄膜材料過(guò)程控制和基礎(chǔ)研究的一個(gè)重要內(nèi)容。 同步輻射是二十世紀(jì)七十年代出現(xiàn)的新型X射線(xiàn)源，它具有高亮度、寬頻譜、高偏振度和高時(shí)間分辨等優(yōu)點(diǎn)，成為X射線(xiàn)分析技術(shù)的重要光源。許多應(yīng)用常規(guī)X射線(xiàn)光源無(wú)法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，可以在同步輻射裝置的相關(guān)實(shí)驗(yàn)站得以實(shí)現(xiàn)。這是一個(gè)發(fā)

12、展很快、令人注目的領(lǐng)域，我們期望，同步輻射源的利用和發(fā)展，將使薄膜結(jié)構(gòu)表征進(jìn)入更高的水平。 實(shí)驗(yàn)站：14 BEPC國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 同步輻射實(shí)驗(yàn)室2.5SSRF 3.5 Gev 2009.04實(shí)驗(yàn)站: 7臺(tái)灣 新竹SSRC 1.5 Gev 1994 薄膜結(jié)構(gòu)表征的困難 1.超薄膜系統(tǒng)- 原子水平的探測(cè)技術(shù) 2.多層膜結(jié)構(gòu)- 新的分析理論 3. 不完美性、低取向性 - 新的探測(cè)技術(shù)和分 析理論 三.表征薄膜結(jié)構(gòu)X射線(xiàn)技術(shù) Discovery of X-ray 8 Nov. 1895W. K. Rontgen Physical Institute, University of Wurzburg 22 D

13、ec. hand of Frau Rontgen 28 Dec. First paper “Eine Neue Art von Strahlen” “一種新的射線(xiàn)-初步報(bào)告” 維茨堡物理學(xué)醫(yī)學(xué)會(huì)會(huì)刊 5 Jan. 1896 “X-ray discovered by Rontgen” 維也納新聞報(bào) 23 Jan Alber von Kolliker suggested Rontgen ray First Nobel prize for Physics100 yaers tens Nobel prize winners1. X-ray Diffraction 1912 Wax Von Laue X

14、-ray diffraction pattern of CuS04Laue Equation X-ray has wave behaviour Periodicity of crystal lattices“Perfecest experiments in physics”1915 Nobel prize for Physics 19121913 W.H.Bragg W.L.Bragg Determination of the crystal structures of NaCl and ZnSBragg Law Crystal structure analysisX-ray spectros

15、copy1915 Nobel prize for physics High angle diffraction (HXRD)Sensitive to crystalline layer perfectionProvides crystal structure grain size 高角度X射線(xiàn)衍射測(cè)量角度范圍大，對(duì)薄 膜的結(jié)晶性和膜結(jié)構(gòu)完美性敏感，反映 多層膜的結(jié)構(gòu)相關(guān)性、垂直于膜面的平均 晶格常數(shù)、晶粒大 小以及多層膜子層的 應(yīng)變調(diào)制情況等。 解譜應(yīng)用X射線(xiàn)衍射運(yùn)動(dòng)學(xué)理論2. 高分辨X射線(xiàn)衍射Incident BeamDetecterTiltSpecimenMeasureRocking Cu

16、rveRotatemonochrometer雙軸晶衍射 Double-crystal DiffractionX射線(xiàn)衍射儀的分辨率可通過(guò)在X射線(xiàn)的光路上安裝一定的光學(xué)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些元件的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)X射線(xiàn)的單色化和準(zhǔn)直化。單色器是對(duì)X射線(xiàn)進(jìn)行單色化的光學(xué)元件 準(zhǔn)直器是對(duì)X射線(xiàn)進(jìn)行準(zhǔn)直化 三軸晶衍射多軸晶衍射為提高X射線(xiàn)的能量分辨率和降低角度發(fā)散 單色器和分析晶體都采用模塊化設(shè)計(jì) 晶體1晶體2晶體1晶體2(a) 雙晶（） 排列(b) 雙晶（）排列杜蒙得(DuMond)圖對(duì)點(diǎn)陣參數(shù)、取向差敏感 10-6衍射儀的能量和角度分辨率可用杜蒙得DuMond作圖法來(lái)估算 雙軸晶配置可有效地降低背底強(qiáng)度，提高

17、信噪比 高分辨X射線(xiàn)衍射儀的配置 簡(jiǎn)化的高分辨X射線(xiàn)衍射儀的配置 共面衍射幾何 非共面衍射幾何 2樣品共面衍射 (1) /2掃描。即保持2圓以二倍于 圓的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。 (2) 掃描。即保持探測(cè)器在一定的2角度（一般對(duì)應(yīng)某 一布拉格角），樣品來(lái)回?cái)[動(dòng)。所得譜線(xiàn)即是常謂的 搖擺曲線(xiàn)(rocking curve) (3) 二維掃描。通過(guò)結(jié)合以上兩種掃描方式，可以得到衍 射強(qiáng)度在角度空間或倒易空間的二維分布圖 共面衍射掃描方式示意圖(a)徑向掃描(b) 橫向掃描Substrate - SiSiGeSi CapSiGe graded layerCross section of part of a typi

18、cal SiGe HBT device structureprobing beam of X-raysdiffracted X-raysthicknesscompositionperfection近完美晶體的X射線(xiàn)雙軸晶搖擺曲線(xiàn)理論模擬用完美晶體X射線(xiàn)衍射動(dòng)力學(xué)理論多層膜結(jié)構(gòu)的X射線(xiàn)雙軸晶搖擺曲線(xiàn)計(jì)算模擬用畸變晶體X射線(xiàn)衍射動(dòng)力學(xué)理論3.掠入射衍射非共面衍射的一種極端情形。X射線(xiàn)的入射角i和出射角 f與全反射角接近，一般僅為幾分之一度。所以，衍射面和衍射矢量Q接近平行于樣品表面，也就是說(shuō)，參與散射的晶面接近垂直于薄膜表面。掠入射衍射是分析薄膜表面結(jié)構(gòu)的極為有效的方法。通過(guò)微調(diào) i和 f，還可以

19、控制X射線(xiàn)在樣品中的穿透深度，對(duì)薄膜進(jìn)行深度分層分析，是研究薄膜表面結(jié)構(gòu)的有效手段 n = 1n1 = 1 - - i nn1 1Scattering 10-6Absorption 10-7Grazing Incidence X-ray Scattering Critical angleC ( 2 )1/2C for CuK radiationfor Silicon C = 0.222for Gold C= 0.505Bragg equationn = 2 ( sin2 - sinC )1/2 X射線(xiàn)在介質(zhì)材料中的折射率比1略小，當(dāng)X射線(xiàn)對(duì)于介質(zhì) 表面的掠入射角小于某個(gè)臨界角后，X射線(xiàn)不再進(jìn)入

20、介質(zhì)， 而是全部反射出來(lái)(吸收會(huì)損失掉部分X射線(xiàn)) ，表現(xiàn)為外全 反射現(xiàn)象。 臨界角： 掠入射幾何下，波長(zhǎng)為1.54 的X射線(xiàn)在硅單晶中的穿透深度。其中 i為掠入射角, f為掠出射角, c為全反射臨界角 Line focus X-ray tubeAperture slitReceiving slitAbsorberDetectorKnife Edge Collimator KECThin film sampleGraphite monoIncident beam divergence of 0.01 corresponds slit size of 35 mX射線(xiàn)反射率測(cè)量時(shí)X射線(xiàn)入射角等于出

21、射角，即 X射線(xiàn)反射率測(cè)量Film Thickness nm0.1 . 400nmFilm densityg/cm3 1%RMS roughnessnm0.01 . 5Layer sequenceDensity gradientn zCorrelationsi,jProperties of Matter which can be determined by ReflectometryGrazing Incidence Diffraction GIDcomposition, lattice parameters in sub-layers在進(jìn)行掠入射實(shí)驗(yàn)時(shí)，要求X射線(xiàn)同時(shí)在與入 射面平行和垂直的

22、方向有較好的準(zhǔn)直性。一 般要求在i方向的發(fā)散度很小，而在w方向則 要求略低。實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果采用位敏探測(cè)器，則可以在固定 的i角度同時(shí)記錄散射強(qiáng)度隨f的變化，等同 于晶體截?cái)鄺U掃描。掃描時(shí)，晶體繞平行于表面法向的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，因 而，可以記錄在不同Qz處QxQy面內(nèi)的散射強(qiáng) 度分布。 測(cè)量分辨率的分析不同的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，對(duì)X射線(xiàn)衍射儀的要求也有不相同。 對(duì)于結(jié)晶性很好的半導(dǎo)體外延膜，其X射線(xiàn)衍射峰的 本征半高寬可低至幾到幾十秒， 要求衍射議具有較高 的分辨率。 對(duì)于濺射法生長(zhǎng)的金屬或氧化物薄膜， 其單晶性較 差，X射線(xiàn)衍射峰的半高寬可高達(dá)1度左右，所以選擇 較低分辨率的衍射儀較為合適。 分辨率的提升通常是以

23、犧牲X射線(xiàn)強(qiáng)度為代價(jià)。也可以 說(shuō)，選擇X射線(xiàn)衍射儀配置的基本原則是實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足分析 要求的最低分辨率以達(dá)到最高的分析效率。 對(duì)于薄膜內(nèi)部具有平行于薄膜表面的結(jié)構(gòu)的樣品， 如量子線(xiàn)，量子點(diǎn)和電荷密度波等， 或?qū)τ诔”?膜（幾十納米以下）， 則通常的高角衍射儀難以承 擔(dān)其任務(wù)。這時(shí)應(yīng)以X射線(xiàn)掠入射衍射儀為最佳選 擇 通過(guò)控制掠入射實(shí)驗(yàn)的入射角和出射角的大小， 也可以控制X射線(xiàn)在樣品中的穿透深度，從而實(shí)現(xiàn) 對(duì)超薄薄膜的分析或薄膜的深度分層分析 即使是采用高分辨X射線(xiàn)衍射儀也不可能實(shí)現(xiàn)絕對(duì)單 色和完全無(wú)發(fā)散的X射線(xiàn)。這就使得在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量得 到的在某一位置的強(qiáng)度分布實(shí)際上是某一小區(qū)域內(nèi) 的平均結(jié)果。這一區(qū)

24、域的大小決定了分辨率的高低 Holy等人對(duì)共面衍射倒易空間的分辨率的分析發(fā)現(xiàn)Qx和Qz可表達(dá)為： 在對(duì)稱(chēng)衍射時(shí)， i f = ，假設(shè) i f = ，則有據(jù)此，可對(duì)衍射儀的分辨率作估算。在實(shí)際操作時(shí)，根據(jù)需要可以選擇不同的分辨率 在研究外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體薄膜時(shí)，如果外延膜與襯底之 間的晶格失配很小，則對(duì)分辨率的最低要求是能分離薄 膜衍射峰與襯底衍射峰。在較高分辨率時(shí)，還應(yīng)能分離 薄膜的厚度干涉條紋。 所研究的對(duì)象是完美性較好的均勻薄膜或多層膜時(shí)，則 僅要求有較高的Qz分辨率，而不太考慮Qx的分辨率。這 時(shí)可以去掉分析晶體，采用大發(fā)散的f角。這種情況 下，Qz方向的分辨率可表達(dá)為： Qz = 2Kc

25、osai ai 在掠入射衍射時(shí)，由于非零的入射角和出射角，衍射 矢量Q除了Qx和Qy分量外，還有一小的Qz分量。 在X射線(xiàn)衍射運(yùn)動(dòng)學(xué)近似下，掠入射衍射的分辨率可 以表達(dá)為 :面內(nèi)衍射矢量 通常在掠入射實(shí)驗(yàn)中， i與f的發(fā)散度遠(yuǎn)小于i 和f的發(fā)散 度，因而即平行與薄膜表面的分辨率主要由i和f決定，而沿Qz方向的分辨率主要由 i與 f決定。4. X射線(xiàn)漫散射 X射線(xiàn)入射樣品表面，可以將介質(zhì)看作是均勻連續(xù) 的，用折射率表示該介質(zhì)的材料參數(shù)。在兩種介質(zhì) 的界面折射率突變，電磁波在界面反射和折射。反射波矢量與界面的夾角等于入射波矢量與界面的 夾角，叫鏡面反射。如果界面粗糙，在非鏡面方向 就會(huì)有漫散射。

26、x(x)X射線(xiàn)光源X射線(xiàn)探測(cè)器樣品狹縫3單色器狹縫1狹縫2X射線(xiàn)反射和漫散射實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 單晶或雙晶單色器 保證入射X射線(xiàn)的能量分辨率， 角度分辨率。 狹縫1和2主要是用來(lái)降低實(shí)驗(yàn)的背底噪音 反射矢量入射光出射光q=k2 k1k2k1入射光出射光反射矢量q=k2 k1k1k2X射線(xiàn)反射實(shí)驗(yàn)波矢示意圖 X射線(xiàn)漫散射實(shí)驗(yàn)波矢示意圖 X射線(xiàn)漫散射可有兩種實(shí)驗(yàn)安排 (1)固定探測(cè)器的位置，即2保持不變，進(jìn)行掃描。 進(jìn)行 - 2掃描。 Longitudinal Scan，有時(shí)又稱(chēng)為offset 2scan 在X射線(xiàn)反射/散射實(shí)驗(yàn)中，由于入射角度很小，入射 X射線(xiàn)在平行表面方向上的投影尺寸很大 L 為入

27、射光光斑的大小。 在實(shí)驗(yàn)中要注意使用尺寸較大的樣品，以確保入射X射 線(xiàn)在樣品表面的投影不要超過(guò)樣品表面，否則要做面積 修正來(lái)計(jì)算反射/散射X射線(xiàn)的強(qiáng)度 X射線(xiàn)散射測(cè)量界面粗糙與關(guān)聯(lián) X射線(xiàn)漫散射曲線(xiàn)理論擬合應(yīng)用畸變波波恩近似 (DWBA Distorted-Wave Born Approximation)來(lái)計(jì)算 從漫散射曲線(xiàn)能夠得出各層之間的非相關(guān)粗糙度，橫向 及縱向統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。 多層膜的反射系數(shù)R和透射系數(shù)T由Fresnel 公式給 出，假設(shè)襯底為半無(wú)限大介質(zhì)，利用迭代關(guān)系計(jì) 算，R=|Ro|2就是多層膜的反射率。 從反射率曲線(xiàn)能夠得出可以得到薄膜結(jié)構(gòu)各層的 厚度和電子密度、表面和界面的均方

28、根粗糙度。 四. 應(yīng)用實(shí)例均勻單層結(jié)構(gòu) GaAs/Si均勻單層膜X射線(xiàn)雙軸晶衍射搖擺曲線(xiàn)(004)衍射 一個(gè)對(duì)應(yīng)襯底的峰和 一個(gè)對(duì)應(yīng)薄膜的峰 膜峰出現(xiàn)在襯底峰的 左邊，根據(jù)布拉格方 程，說(shuō)明ds df 兩峰距離可計(jì)算出外 延膜與襯底晶格常數(shù) 差 利用X射線(xiàn)衍射動(dòng)力學(xué) 衍射理論對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)進(jìn) 行模擬，可以得到外延 膜的真實(shí)厚度和成份 A.薄膜厚度、成份、晶格參數(shù)Increasing % Ge12% Ge, 20nm12% Ge, 40nm4% Ge, 40nmSi Substratepeak0.1% Ge 10” Si substrateSiGe layerZnSe/GaAs當(dāng)外延膜厚度超過(guò)一個(gè)臨

29、界值時(shí)，由于入射束和衍射束的干涉，搖擺曲線(xiàn)除了襯底峰和膜峰外還可觀察到干涉峰 ABA結(jié)構(gòu) 在兩層結(jié)構(gòu)、成份一樣的薄膜中間插入另一薄層 由于B層的存在，使得上、下A層反射的X射線(xiàn)產(chǎn) 生干涉，譜線(xiàn)比較復(fù)雜 ZnSe/ZnS1-xTex/ZnSe A1BA2結(jié)構(gòu)薄膜(004)X射線(xiàn)雙軸晶衍射搖擺曲線(xiàn) 襯底峰和膜峰之間以 及在膜峰的低角度處 有干涉峰，表明樣品 具有很銳界面的層狀 結(jié)構(gòu) X射線(xiàn)衍射動(dòng)力學(xué)理論 對(duì)搖擺曲線(xiàn)進(jìn)行模擬 得到樣品的真實(shí)結(jié)構(gòu)： 各層厚度、成份、應(yīng)力 量子阱結(jié)構(gòu)、多量子阱結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 量子阱結(jié)構(gòu)是在結(jié)構(gòu)完美的襯底上周期性地交替外延生 長(zhǎng)兩種不同材料，又稱(chēng)超晶格結(jié)構(gòu)。 多量子阱結(jié)構(gòu)類(lèi)似超

30、晶格結(jié)構(gòu)，但不具有周期性 其X射線(xiàn)衍射搖擺曲線(xiàn)表現(xiàn)為襯底峰、薄膜峰和若干個(gè) 衛(wèi)星峰，其衍射峰與點(diǎn)陣參數(shù)不具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，是 超晶格各參數(shù)的整體效應(yīng)。因此，對(duì)其分析必需用理論 模擬。 AlAs(28.3)/GaAs(28.3)200超晶格(002)倒易陣點(diǎn)附近的X射線(xiàn)衍射搖擺曲線(xiàn)和理論模擬曲線(xiàn) 在零級(jí)峰兩側(cè)存在 組衛(wèi)星峰 應(yīng)用X射線(xiàn)衍射動(dòng)力 學(xué)理論對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn) 進(jìn)行模擬，可以得 到各子層厚度、成 份等信息 波長(zhǎng)衍射面與表面夾角重復(fù)周期兩衛(wèi)星峰角度差Bragg角對(duì)于周期性多層膜或超晶格，即使膜層的單晶性和厚度均勻性不是太好，只要可以測(cè)量到衛(wèi)星峰，就可以確定超晶格的平均周期 多層膜或超晶格重復(fù)周期衍

31、射級(jí)分子束外延生長(zhǎng)的Al0.32Ga0.68As / GaAs (001) 薄膜的X射線(xiàn)高分辨(004)衍射譜 薄膜與襯底之間的晶格失配約為0.05 薄膜的名義厚度為2000 測(cè)量得到的干涉 峰間距為 = 4. 8510-4弧度 薄膜實(shí)際厚度 為1928.5 GaAs (004)的 布拉格角B = 34.56 Triple crystal diffraction5 layer Si-GeLayer thickness 0.5mmGe content 10, 20, 30, 40, 50% Double crystalTriple crystal 薄膜面內(nèi)結(jié)構(gòu) 薄膜材料的厚度一般為幾納米至幾微米

32、，常規(guī)的X射線(xiàn)衍射 技術(shù)的穿透深度約幾十微米，很難反映薄膜材料的結(jié)構(gòu)及 完美性。為了適應(yīng)表面和界面檢測(cè)的需要，發(fā)展了X射線(xiàn) 掠入射衍射（Grazing Incident Diffraction ,GID） X射線(xiàn)在介質(zhì)材料中的折射率比1略小，當(dāng)X射線(xiàn)對(duì)于介質(zhì) 表面的掠入射角小于某個(gè)臨界角后，X射線(xiàn)不再進(jìn)入介質(zhì)， 而是全部反射出來(lái)(吸收會(huì)損失掉部分X射線(xiàn)) ，表現(xiàn)為外全 反射現(xiàn)象。 臨界角：為材料的質(zhì)量密度；Z和A分別為材料的原子序數(shù)和原子質(zhì)量；NA為阿拂伽德羅常數(shù) LaCaMnO3/SrTiO3 在LCMO（040）衍射峰附近進(jìn)行/2掃描 不同厚度薄膜對(duì)應(yīng)的磁電阻和金屬絕緣性轉(zhuǎn)變溫度曲線(xiàn) 為不

33、同厚度薄膜的應(yīng)力 B. 量子線(xiàn)結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體量子線(xiàn)是一維柵格結(jié)構(gòu)，材料的線(xiàn)寬及其橫向排 列周期可以調(diào)整材料的電子能態(tài)密度，量子線(xiàn)內(nèi)晶格的 橫向應(yīng)變弛豫對(duì)材料的電子能帶帶隙有所調(diào)控 晶格的應(yīng)變弛豫狀態(tài)受周?chē)h(huán)境的影響，因此，測(cè)量位 于樣品內(nèi)部量子線(xiàn)的應(yīng)變弛豫不能采用破壞式的實(shí)驗(yàn)方 法，X射線(xiàn)衍射作為一種非破壞性實(shí)驗(yàn)手段，結(jié)合掠入 射技術(shù)已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體薄膜材料的應(yīng)變測(cè)量領(lǐng)域 利用X射線(xiàn)掠入射衍射實(shí)驗(yàn)，可依以下步驟來(lái)表征橫向周期 排列的量子線(xiàn)的結(jié)構(gòu)。 (1) 在晶體的面內(nèi)倒易陣點(diǎn)(hk0)附近進(jìn)行掠入射衍射實(shí)驗(yàn)； (2) 根據(jù)樣品的制備條件，建立樣品的結(jié)構(gòu)模型，并利用有 限元方法計(jì)算相應(yīng)的應(yīng)變場(chǎng)；

34、 (3) 由X射線(xiàn)掠入射衍射理論計(jì)算具有上一步驟中得到的結(jié)構(gòu) 模型及應(yīng)變場(chǎng)形式的樣品的X射線(xiàn)衍射理論曲線(xiàn)，與實(shí)驗(yàn) 曲線(xiàn)比較，以擬合出與實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)偏離最小的量子線(xiàn)形狀參 數(shù)。 (4) 將得到的量子線(xiàn)形狀參數(shù)做為初始條件重新構(gòu)建樣品結(jié) 構(gòu)模型，并利用有限元方法重新計(jì)算應(yīng)變場(chǎng)。 重復(fù)步驟(3)和(4)，直到理論計(jì)算的衍射曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)吻 合很好。至此，得到量子線(xiàn)的形狀以及應(yīng)變分布。具有橫向周期排列的內(nèi)嵌式多層量子線(xiàn)樣品結(jié)構(gòu)示意圖 用畸變波玻恩近似方法模擬內(nèi)嵌式量子線(xiàn)樣品掠入射衍射強(qiáng)度的計(jì)算公式 其中1 A. Ulyanenkov, N. Darowski, J. Grenzer, U. Pietsch

35、, K. H. Wang, A. Forchel, Phys. Rev. B 1999, (60) : 167012 M. 玻恩，E. 沃耳夫 著 光學(xué)原理上冊(cè),科學(xué)出版社，1978年，第82頁(yè)到第101頁(yè)。3Ullrich Pietsch, Vclav Hol, Tilo Baumbach, High-resolution x-ray scattering, Springer-Verlag New York, LLC 2004.4 G. T. Baumbach, D. Lbbert, U. Pietsch, N. Darowski, L. Leprince, A. Talneau, J. S

36、chneck, Physica B, 1998 (248) : 343.5 G. T. Baumbach, S. Tixier, U. Pietsch, V. Hol, Phys. Rev. B, 1995 (51) : 16848.GaAs襯底上刻蝕In0.03Ga0.97As單層量子線(xiàn)，填充部分為量子線(xiàn)的位置，量子線(xiàn)周?chē)橘|(zhì)為AlAs，表面覆蓋層為GaAs，量子線(xiàn)沿著 方向 A. Ulyanenkov, Phys. Rev. B 1999, (60) : 16701用有限元方法得到的In0.03Ga0.97As量子線(xiàn)及其附近的位移場(chǎng)分布 由位移場(chǎng)得到的量子線(xiàn)周?chē)膽?yīng)變分布 C. 量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)

37、 半導(dǎo)體量子點(diǎn)是零維結(jié)構(gòu) 單個(gè)量子點(diǎn)的形狀及尺寸分布有一定的范圍,量子點(diǎn)的 內(nèi)部也存在成分及應(yīng)變的分布 表征方法 基于X射線(xiàn)掠入射異常衍射實(shí)驗(yàn)技術(shù) 1 T. U. Schlli， Anomalous X-ray Diffraction from Semiconductor Nanostructures, PhD Thesis, Johannes Kepler Universitt Linz (Linz 2003) .2 T. U. Schlli, J. Stangl, Z. Zhong, R. T. Lechner, M. Sztucki, T. H. Metzger, G. Bauer, P

38、hys. Rev. Lett. , 90, (2003) 066105.對(duì)量子點(diǎn)物理模型做如下的假設(shè)：(1) 假定由X射線(xiàn)掠入射衍射實(shí)驗(yàn)得到的襯底材料倒易陣點(diǎn)附近 的衍射花樣是反映量子點(diǎn)內(nèi)部性質(zhì)，忽略量子點(diǎn)之間的干 涉效應(yīng)。并且，量子點(diǎn)是統(tǒng)計(jì)均一的，亦即單一量子點(diǎn)模 型。(2) 忽略量子點(diǎn)內(nèi)不同的等應(yīng)變區(qū)域之間的干涉效應(yīng)。(3) 假定量子點(diǎn)內(nèi)部的應(yīng)變弛豫隨量子點(diǎn)的高度單調(diào)增加。 按照這些假設(shè)，可以近似地認(rèn)為，在襯底倒易格點(diǎn)附近沿著倒格矢方向掃描（徑向掃描）得到的X射線(xiàn)衍射曲線(xiàn)上各點(diǎn)的位置及強(qiáng)度，所反映的是某一等應(yīng)變區(qū)域內(nèi)的平均晶格參數(shù)以及其對(duì)應(yīng)的布拉格衍射峰的強(qiáng)度；而沿著垂直于倒格矢方向的掃描

39、（橫向掃描）得到的X射線(xiàn)衍射曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)于這一等應(yīng)變區(qū)域的尺寸。 簡(jiǎn)單介紹應(yīng)用X射線(xiàn)異常衍射方法測(cè)量Ge/Si量子點(diǎn)內(nèi)Ge組分的分布的原理 X射線(xiàn)異常散射現(xiàn)象 原子核外電子在原子核庫(kù)侖場(chǎng)的作用下被束縛在一定的能 態(tài)，當(dāng)入射X射線(xiàn)能量接近原子核外電子的束縛能時(shí)，也 就是說(shuō)，入射X射線(xiàn)的能量對(duì)應(yīng)于原子的吸收邊，這時(shí)， 束縛電子對(duì)于X射線(xiàn)的散射能力會(huì)大大地偏離自由電 子模型的解，這種現(xiàn)象稱(chēng)為異常散射 X射線(xiàn)的相干彈性散射的總散射因子f表示為 為湯姆孫散射振幅，稱(chēng)為原子散射因子的正常部分，與能量無(wú)關(guān)； 為原子散射因子修正項(xiàng)的實(shí)部，是入射X射線(xiàn)能量E的函數(shù)，與散射矢量的依賴(lài)關(guān)系可以忽略； 為原子散射因子修正

40、項(xiàng)的虛部，也是入射X射線(xiàn)能量E的函數(shù) 根據(jù)X射線(xiàn)衍射運(yùn)動(dòng)學(xué)理論, 布拉格衍射峰強(qiáng)度: 對(duì)于與單晶Si具有相同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的二元鍺硅合金，其 結(jié)構(gòu)因子可以表示為 布拉格衍射峰的強(qiáng)度 通過(guò)調(diào)整入射X射線(xiàn)的能量到Ge原子的K吸收邊E2以及吸收邊前幾十個(gè)電子伏位置E1處，分別測(cè)量GeSi量子點(diǎn)對(duì)這兩個(gè)能量入射的X射線(xiàn)衍射峰強(qiáng)度，然后根據(jù)峰的強(qiáng)度公式及前面的假設(shè)，可以直接求得衍射峰Q對(duì)應(yīng)的晶格a處（ ）Ge原子的組分 GeSi量子點(diǎn)在E1=11043eV(+線(xiàn))及E2=11103eV(線(xiàn))兩個(gè)入射X射線(xiàn)能量的徑向掃描曲線(xiàn) T. U. Schlli, Phys. Rev. Lett. ,2003, (90)

41、: 066105. 測(cè)量量子點(diǎn)的X射線(xiàn)衍射搖擺曲線(xiàn)，通過(guò)對(duì)搖擺曲線(xiàn)的理 論擬合和分析，就可以得到等應(yīng)變區(qū)的大小，也就是面 內(nèi)點(diǎn)陣參數(shù)a與量子點(diǎn)橫向尺寸R的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 結(jié)合AFM的測(cè)量結(jié)果，即量子點(diǎn)橫向尺寸R與其高度h的 關(guān)系，以及Vegard定理，就可以得到量子點(diǎn)內(nèi)Ge組分x隨 量子點(diǎn)高度h的分布，以及量子點(diǎn)內(nèi)面內(nèi)應(yīng)變隨量子點(diǎn)高 度h的分布 (a)徑向掃描曲線(xiàn) (b)對(duì)應(yīng)(a)中各點(diǎn)的搖擺曲線(xiàn) （a）量子點(diǎn)的AFM數(shù)據(jù) （b）量子點(diǎn)Ge組分、面內(nèi)應(yīng)變與量子點(diǎn)高度的關(guān)系 Z. M. Jiang, el.at. J. Applied Physics Letters 76 (2000) 3397 硅

42、(001)襯底上采用分子束 外 延技 術(shù)生長(zhǎng)自取向鍺量子點(diǎn) 在硅(220)峰的小角度一側(cè)有一峰SI , 從其峰位可知，峰SI對(duì)應(yīng)于平行于 界面的點(diǎn)陣面受拉伸，其值為1.2% , SI來(lái)源于鍺量子點(diǎn) 當(dāng)掠入射角小于0.10時(shí)，在硅(220) 峰的大角度一側(cè)也有一峰SII ,峰SII 對(duì)應(yīng)點(diǎn)陣面受壓縮 ,其值為-0.8% , 起源于近表面7nm深度結(jié)構(gòu)變化 由維加定律可得量子點(diǎn)為Si1- xGex 合金，其中x=0.55。說(shuō)明在量子點(diǎn) 生長(zhǎng)過(guò)程中，相當(dāng)數(shù)量的硅原子擴(kuò) 散到鍺量子點(diǎn)里，形成硅鍺合金 掠入射衍射技術(shù)D.外延膜中的缺陷在材料制備和器件應(yīng)用中，都希望獲得高度完美的異質(zhì)外延薄膜，但實(shí)際上是很

43、困難的。一般情況下，異質(zhì)外延薄膜與襯底材料有不同的晶格參數(shù)，所以，只有在薄膜較薄的時(shí)候，才可能與襯底材料共格生長(zhǎng)的。即使這樣，薄膜也會(huì)有一定濃度的點(diǎn)缺陷，如空位等，但線(xiàn)缺陷和面缺陷基本上不存在。但是，在薄膜達(dá)到一定厚度時(shí)，其所儲(chǔ)存的應(yīng)變能超過(guò)臨界值，這時(shí)就會(huì)發(fā)生應(yīng)變弛豫。在應(yīng)變不太大的情形下，一般薄膜首先會(huì)通過(guò)表面形貌的變化釋放掉一部分的應(yīng)變能。接著，會(huì)產(chǎn)生失配位錯(cuò)，位錯(cuò)線(xiàn)可以在薄膜中延伸 X射線(xiàn)反射形貌術(shù) X射線(xiàn)形貌技術(shù)是探測(cè)和研究近完美晶體和薄 膜缺陷非常有用的方法，它是應(yīng)用X射線(xiàn)在晶 體中動(dòng)力學(xué)衍射理論和運(yùn)動(dòng)學(xué)衍射理論，根據(jù) 晶體中完美與不完美區(qū)域衍射襯度變化及消象 規(guī)律，來(lái)檢查晶體材料

44、及器材表面和內(nèi)部微觀 缺陷的方法 X射線(xiàn)形貌技術(shù)優(yōu)點(diǎn) 具有圖像直觀，非破壞檢測(cè) 通過(guò)對(duì)缺陷衍射強(qiáng)度分析，可判斷缺陷性質(zhì) 樣品制備方便 觀察部位重復(fù)性好，可與其他實(shí)驗(yàn)穿插進(jìn)行 X射線(xiàn)形貌技術(shù) 實(shí)驗(yàn)幾何 可分透射法和反射法 實(shí)驗(yàn)方法 BergBarrett反射形貌術(shù) Reflection Topography Lang 透射形貌術(shù) Transmission Topography 投影形貌術(shù) Projection Topography 截面形貌術(shù) Section Topography 限區(qū)形貌術(shù) Limited Topography 雙晶形貌術(shù) Double Crystal Topography 異

45、常透射形貌術(shù) Anomalous Transmission Topography 同步輻射形貌術(shù) Synchrotron Radiation Topography 對(duì)于薄膜和多層膜材料主要應(yīng)用反射法 BergBarrett反射形貌術(shù) 1931年Berg用單色X射線(xiàn)拍攝了巖鹽解理面的表面反射 衍射像，但這一方法沒(méi)引起重視。1943年Barrett進(jìn)行改 進(jìn) ，才受到較廣泛的應(yīng)用 BergBarrett法是實(shí)驗(yàn)室最簡(jiǎn)單的反射形貌技術(shù) BergBarrett法是應(yīng)用發(fā)散的標(biāo)識(shí)X射線(xiàn)， 在樣品特定的晶面上產(chǎn)生反射而獲得樣品表面 形貌圖的方法 入射X射線(xiàn)束與衍射X射線(xiàn)束同位于衍射面的同側(cè)，屬布 拉格幾何

46、。 所得形貌圖的垂直方向沒(méi)有畸變，而水平方向是一個(gè)縮 小像，其像寬為：P為水平方向晶體表面被照射的線(xiàn)度， ，為入射束與樣品表面的夾角，Wo為入射束寬，為衍射束與晶體表面的夾角 在樣品表面下t處的衍射強(qiáng)度為 入射X射線(xiàn)強(qiáng)度為Io , 為樣品的X射線(xiàn)線(xiàn)吸收系數(shù) 對(duì) 情況，最大穿透深度為 由于反射形貌術(shù)的衍射幾何，值很小，值趨于900 反射形貌術(shù)適用于研究晶體表面層缺陷，其位錯(cuò)密 度可達(dá)106cm-2。其形貌圖衍襯可應(yīng)用X射線(xiàn)衍射運(yùn) 動(dòng)學(xué)理論來(lái)解釋 (a) 襯底峰 (b) 膜峰 在襯底上有位錯(cuò)存在，但外延膜相當(dāng)完美。樣品的生長(zhǎng)條件很好地抑制位錯(cuò)從襯底向外延膜延伸。ZnSe/ZnS0.665Te0.335/ZnSe量子結(jié)構(gòu)(224)衍射反射形貌圖 雙軸晶形貌術(shù) 對(duì)于單層膜和多層膜樣品，各層膜之間及膜與襯底之間點(diǎn) 陣參數(shù)的差別很小，要求高空間分辨、高應(yīng)力敏感的探測(cè) 技術(shù)，雙軸晶形貌術(shù)能滿(mǎn)足要求。 二十世紀(jì)五十年代，Bond和Bonse研究天然水晶表面和鍺 單晶單個(gè)位錯(cuò)露頭應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，獨(dú)立發(fā)展了雙軸晶形貌技術(shù) 雙軸晶形貌技術(shù)是應(yīng)用高度完美的參考晶體(又稱(chēng)單色 器)，使入射的X射線(xiàn)單色化而獲得樣品形貌圖 由參考晶體與樣品的相對(duì)排列，分為(+n,-n)和(+n,+n) (+n,-n)(+n,+n) 雙軸晶形貌術(shù)可根據(jù)樣品的情況和要求，拍攝反射形 貌圖