基于X射线纳米全场显微的衍射形貌学方法研究

X-ray topography (XRT), which based on synchrotron radiation, is an X-ray diffraction imaging technology. It allows for revealing the microscopic defect structure of the crystal and the strain distribution non-destructively. However, the overall spatial resolution of XRT technique is at µm/sub-µm level for over 80 years. On the other hand, present tendency towards the reduction of the dimension of semiconductor devices (e.g. 25nm generation) demands for nm-resolution of XRT to monitor its processing, analysis the strain status and ensure high quality. This proposal aims to meet such trends of the needs by improving overall resolution of XRT technique and overcome its current limits to be applicable in characterizing defects and strain fields in crystalline materials for nm-technology. More detailed, the method is using XRT in conjunction with transmission X-ray microscopy (TXM) in full field mode, which employing Fresnel zone plate (FZP) and charge-coupling-device (CCD) imaging system to enlarge the XRT image at the exit surface of an examined crystal sample. Such method and proposed system can be used to monitor the production process on industrial level and to improve capability of fundamental and applied research in the field of materials science.

基于同步辐射的X射线形貌学（XRT）是一种X射线衍射成像技术，可以无损揭示晶体的缺陷结构和应变分布，是上海光源重点发展的实验方法，拥有大量的实际需求。但目前该方法的整体空间分辨率处于微米/亚微米水平，限制了它在日趋微型化（例如45nm和22nm一代）的半导体技术等领域中的实际应用。因此具有纳米分辨率的XRT一直是该领域关注的焦点和追求的目标。本项目旨在发展一种具有纳米分辨本领的无损X射线形貌表征方法，拟采用传统微米XRT方法，并结合基于物镜菲涅尔波带片（FZP）和高分辨探测器（CCD）的纳米全场透射X射线显微术（TXM），放大待测晶体样品出射表面位置处的形貌图像，实现纳米分辨XRT，克服其应用于纳米晶体材料缺陷和应变场特征提取中存在的限制。本项目发展的纳米分辨XRT方法可以以几十纳米分辨率原位观察晶体缺陷和应变的显微结构，将会有助于监测工业生产和提升材料科学领域的基础研究和应用研究能力。

X射线形貌学（XRT）可以无损揭示晶体的缺陷结构和应变分布。本项目依托目前国内唯一的第三代同步辐射光源—上海光源，基于具有纳米分辨本领的全场透射X射线显微成像装置（又称全场纳米成像，TXM），发展建立了一种新的XRT方法，突破了微米空间分辨率限制。.本项目在上海光源BL13W成像线站已有的硬X射线全场纳米成像试验装置的基础上，进一步优化完善设计TXM实验方案，合理匹配相空间，提升系统分辨能力：选用边长1.8mm、最外环线宽为70nm的波束整形聚焦器和直径100微米、最外环线宽为70nm的成像波带片，在10keV实现了50微米的样品视场和120nm的空间分辨率；针对上海光源实际的空间限制，设计了TXM光路与XRT的偏转匹配方案，完成了实验装置的改造，优化计算光束的偏转角度范围为19 ~ 25°，并基于此范围完成实验所需缺陷晶体的筛选，主要包括单晶Si，单晶Ge，GaAs晶体，InP晶体和多晶硅薄膜；选用厚度500微米的商业单晶Si作为样品，基于Si（111）晶面反射模式，开展了初步的XRT实验，观察到少数的不均匀掺杂缺陷（尺度约为2-5微米），晶面上具有规则的竖条纹，空间分辨率可以达到~200nm。.本项目的初步研究表明，纳米分辨的XRT可以克服XRT应用于纳米晶体材料缺陷和应变场特征提取中存在的分辨率限制，可以以百纳米分辨率原位观察晶体缺陷和应变的显微结构，将会有助于半导体工业中晶体缺陷的检测表征，提升材料科学领域的基础研究能力。