МДиА 2 сем. Рентгеновская дифракционная микроскопия 1 введение
 Скачать 1.9 Mb.
|
75 ГЛАВА 3 РЕНТГЕНОВСКАЯ ДИФРАКЦИОННАЯ МИКРОСКОПИЯ 3.1 ВВЕДЕНИЕ Среди неразрушающих методов исследования реальной структуры кристаллов особое место занимает рентгеновская дифракционная топография. Возможность исследования больших по толщине (10мм) и по площади ( 3 2 10 мм ) непрозрачных для оптического диапазона длин волн монокристаллов и изделий из них, высокая чувствительность к несовершенствам кристаллической решетки, позволяющая изучать границы блоков, микротрещины, дислокации, доменные границы, сегрегации примесей, обусловили широкое применение методов рентгеновской микроскопии в различных областях науки и техники [1-3]. В числе возможностей рентгеновской топографии - определение типа и пространственного расположения дислокаций в объёме кристалла по трансмиссионным топограммам, получаемым с двух взаимно перпендикулярных проекций. Наряду с дислокациями можно наблюдать дефекты упаковки, двойниковые границы, слои роста, обусловленные неоднородным распределением примесей в процессе выращивания кристалла, скопления точечных дефектов. Анализ погасаний контраста при отражении от плоскостей разных типов дает возможность устанавливать характер искажений кристаллической решетки. Методами рентгеновской топографии можно изучать не только монокристаллы, но и изделия из них, например, монокристаллы с нанесённой на них топологией микросхемы на различных стадиях технологического процесса. В последнее время топографические методы стали широко применяться для исследования доменной структуры ферромагнетиков и сегнетоэлектриков. Вместе с тем рентгеновской топографии, как и другим рентгенографическим методам, присущ определенный недостаток, а именно, большое время, необходимое для получения топограмм: в зависимости от метода исследования, параметров аппаратуры и характеристик образца оно может составлять от единиц до сотен часов. Ясно, что использование столь длительных методов исследования в условиях лабораторий и особенно промышленного производства ограничено. Повысить экспрессность методов можно двумя путями - повышением мощности источников рентгеновского излучения или использованием высокочувствительных устройств регистрации изображения и его непосредственной визуализации. Другим существенным ограничением методов рентгеновской топографии является невысокое пространственное разрешение, составляющее величину порядка 1 ÷ 5мкм 3.2. МЕТОДЫ РЕНТГЕНОВСКОЙ ТОПОГРАФИИ 76 3.2.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕТОДОВ Совокупность методов получения изображений дефектов в кристаллах при помощи дифракции рентгеновских лучей получила название рентгеновской топографии (РТ) или рентгеновской дифракционной микроскопии (РДМ). Во всех известных методах (РДМ) рентгеновский пучок, излучаемый источником S , направляют на кристалл C так, чтобы для всего кристалла или его части выполнялось условие Вульфа-Брегга. Возникающие при этом дифрагированные пучки (иногда и прошедший пучок) регистрируются на фотопластинку P (так называемая рентгеновская топограмма) [1-3]. Основы ренгеновской дифракционной топографии впервые были сформулированы Бергом примерно 1931 году. На рис.3.1 показана суть идеи Берга. Рассмотрим два случая. Если применяется точечный источник белого излучения рис.3.1а, каждая точка дифракционного пятна соответствует только одной точке на поверхности монокристалла. В случае если кристалл состоит из участков имеющих различную отражательную способность (связанную с ориентацией этих участков или с измененным коэффициентом отражения) на детекторе выявится контаст этих участков. Аналогичным образом образуется контраст и в случае линейного источника монохроматического излучения (см. рис.3.1б). Позднее идея Берга была развита и дополнена в работах Барретта, Ньюкирка, Шульца и др. Появилось множество рентгенооптичеких геометрий реализованных в разнообразных методах ретгеновской топографии (рентгеновской дифракционной микроскопии). Ниже кратко описаны некоторые методы получившие наибольшее распространение в практике физического материаловедения. Наиболее существенное развитие идея Берга получила в рабртах Барретта. Он применил этот метод для исследования поверхности моно и поликристаллов в монохроматическом рентгеновском излучени. Монокристаллы устанавливаются в отражающее положение. Метод позволяет получать общее представление о степени совершенства кристаллов, могут быть определены размеры и форма зерен, углы разориентаций, предварительные сведения о дислокационной структуре. 77 Рис.3.2. Схемы съемки рентгеновских топограмм; S - источник рентгеновского излучения, C - исследуемый кристалл, P - фотопластинка. а) - по методу Берга- Баррета [3,4]. Съемка проводится в монохроматическом излучении. Рентгеновский пучок падает на кристалл под скользящим (1-5 градусов) углом, 0.5 2мм cp l ≈ ÷ . Используется для наблюдения дефектов в тонких приповерхностных слоях кристаллов. б) - по методу Шульца [2]. Используется точечный источник, съемка в белом излучении, в работе Шульца l l sc cp ≈ ≈ 150 мм. Применяется для исследования блочных кристаллов. Повороты блоков приводят к смещению их изображений на фотопластинке, что позволяет вычислить углы поворота. в) - по методу Фудживара [2]. Микрофокусный источник, белое излучение, съемки проводятся одновременно в дифрагированных пучках, отраженных от разных семейств атомных плоскостей. Схема Фудживара аналогична схеме съемки лауэграмм, но используется расходящийся пучок большой площади, и изучается распределение интенсивности (изображение) в каждом дифрагированном пучке. Применяется для наблюдения блоков в монокристаллах. Аналогичная схема применяется для съемки высокосовершенных монокристаллов на синхротронном излучении в хорошо коллимированном белом пучке (см.рис.3.3). В этом случае область применимости - как и в методе Ланга. г) - по методу Бормана [1-3]. Метод основан на эффекте Бормана (см. аномальное прохождение), который заключается в уменьшении на два порядка коэффициента поглощения для волны, попавшей в точное брегговское положение в высокосовершенном монокристалле. Все остальное излучение поглощается. Для пучков, прошедших вблизи дефектов, поглощение частично восстанавливается, что приводит к появлению изображений этих дефектов на фотопластинке в виде светлых областей. 78 д) - по методу Ланга [5]. Используется микрофокусный источник; падающий на кристалл пучок коллимируется щелью так, чтобы условие Брегга выполнялось для характеристического излучения K α 1 и не выполнялось для K α 2 . Для получения изображения дефектов, расположенных по всей площади монокристалла, его и фотопластинку синхронно сканируют со скоростью нескольких мм/мин. Применяется для наблюдения дефектов в высокосовершенных монокристаллах, в основном полупроводников. Примеры топограмм см. на рис.3-6. е) - по методу плосковолновой топографии. Схема является развитием метода двухкристальной топографии, предложенного в [6-8]. Источник и коллимирующая щель - как в методе Ланга. Отражение пучка от кристаллов C 1 и C 2 используется для получения высоко коллимированной волны (с расходимостью 0,1-0,01 угловой секунды) с широким фронтом, которая используется для освещения исследуемого кристалла C. Для повышения стабильности рентгенооптической схемы кристаллы C 1 и C 2 вырезают из одного монокристалла, сохраняя между ними тонкую перемычку. Эту перемычку слегка изгибают (на несколько угловых секунд) для компенсации преломления рентгеновской волны на кристалле С 1 . Кристалл С удерживает в течение съемки (десятки часов) на склоне брегговского пика отражения (на склоне кривой качания) при помощи системы стабилизации, следящей за уровнем интенсивности дифрагированного пучка. Применяется для наблюдения дефектов с особо слабыми полями искажений, не выявляющимися при помощи метода Ланга - так называемых микродефектов (кластеров, дислокационных микропетель размером 1мкм и т.д.). 3.2.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ТИПОВ КОНТРАСТА Процесс дифракции рентгеновской волны в искаженном дефектами кристалле рассматривается в различных приближениях кинематической и динамической теорий рассеяния рентгеновских лучей. В обоих случаях влияние искажений решетки на дифракцию описывается параметром локального отклонения отражающих плоскостей решетки от точного брегговского положения ctg d d θ δ δθ ⋅ + , где θ - угол Брегга, первое слагаемое учитывает локальное изменение δd межплоскостного рассеяния d для отражающих атомных плоскостей, а второе - локальный угол поворота решетки δ q. Интенсивность дифрагированного и прошедшего пучков на поверхности выхода из кристалла определяются значениями этого параметра в объеме кристалла, где происходит дифракция рентгеновских волн. Таким образом, распределение 79 интенсивности этих пучков отображает отклонения строения кристаллической решетки от идеального и является в определенном смысле изображением полей искажений решетки, создаваемых дефектами, на топограмме. Различают три типа механизмов формирования контраста на рентгеновских топограммах: адсорбционный, ориентационный и экстинкционный. Адсорбционный контраст возникает благодаря различиям в коэффициентах поглощения различных участков образца. Ориентационный контраст определяется степенью соответствия локальной ориентировки образца условиям, при которых в заданном спектральном интервале часть падающего на образец излучения может отразиться в соответствии с законом Брегга. Изменение отраженной интенсивности от одной точки образца к другой характеризует величину разориентировок кристаллической решетки. Повышение чувствительности при ориентационном контрасте может быть достигнуто путем улучшения коллимации пучка характеристического рентгеновского излучения, или в результате его монохроматизации. Контраст, обусловленный локальными изменениями степени совершенства кристалла, обычно называют экстинкционным контрастом. Коэффициент отражения используемой кристаллографической плоскости, а следовательно и интенсивность дифракции, может находиться в интервале между двумя предельными случаями, соответствующими "идеально совершенному" и "идеально несовершенному" кристаллам [9,10]. В рентгеновской топографии важными параметрами эксперимента являются диапазон длин волн рентгеновского излучения δλ , степень коллимации падающего пучка δα и отношение расстояния L от источника излучения до образца к расстоянию l от образца до поверхности фоторегистрирующего слоя. Сказанное можно продемонстрировать на следующем примере [10]. Предположим, что образец, показанный на рис.3.3, состоит из трех частей: достаточно совершенной матрицы C и двух островков A и B, причем отражающая способность островка A больше отражающей способности матрицы R A >R C , островок B имеет одинаковую отражающую способность с матрицей R B =R C . Предположим также, что единичные вектора, перпендикулярные к выбранной системе отражающих плоскостей, будут n n n A B C , , и островок A имеет одинаковую ориентацию с матрицей ( ) n n A c ∧ = 0 , а островок B разориентирован на угол α по отношению к матрице ( ) n n B C ∧ = α Рис.3.3.Схематическое изображение поверхности образца -а); и характерные топограммы: -б),-в) в полихроматическом свете; - г),-д) в монохроматическом свете. Рассмотрим топограммы, получаемые от такого гипотетического образца. Топограммы могут сниматься на просвет, если образец имеет небольшую толщину и достаточно прозрачен (в этом случае они носят название трансмиссионных), или на отражение. Допустим, что используется полихроматическое излучение, то есть δλ >0 и фотографическая пленка располагается в непосредственной близости от 80 образца. В этом случае можно полагать, что условия Брегговского отражения будут выполняться для всего образца, а островок А будет выделяться большим контрастом за счет большей отражающей способности, островок B при этом виден не будет. Однако, если изменять расстояние между образцом и фотопластинкой, контраст от области B станет заметен из-за того, что угол дифракции для этой области отличается от угла дифракции для матрицы C, и, следовательно, изображение участка B будет смещаться на топограмме при изменении расстояния l. Таким образом, в рассмотренном примере островок A представляет экстинкционный контраст, а островок B соответственно - ориентационный. Теперь предположим, что используется характеристическое излучение, т.е. δλ≈ 0. Приведем матрицу C в отражающее положение для падающей длины волны. Наряду с матрицей в отражающем положении окажется и область A, однако область B в отличии от примера, рассмотренного выше, уже не будет удовлетворять условию Брегга. Следовательно, участок образца A будет иметь как и прежде повышенный контраст, в то время как участок B - пониженный, так как отражение от него отсутствует. Соответствующими поворотами можно вывести его в отражающее положение, но отражение от матрицы C и островка A при этом исчезнет, поэтому контраст будет иметь только островок B. Очевидно, что характер контраста в приведенном примере не зависит от расстояния l. На рентгеновских топограммах в зависимости от применяемого метода съемки видны границы блоков, единичные дислокации, включения, дефекты упаковки, магнитные домены (за счет магнитострикции), неоднородности распределения примеси, границы окисных пленок на поверхностях кристаллов и изделий из них, а также упругие поля, вызванные внешними воздействиями - такими, например, как термоградиент или ультразвук и т.п. Анализ дифракционного контраста (распределения интенсивности) изображений дефектов проводится на основе динамической теории рассеяния рентгеновских лучей (см. например обзоры [9,11]) и позволяет определять некоторые их качественные характеристики (знак избыточного объема включений, направление вектора Бюргерса дислокаций), а в отдельных случаях - и количественные характеристики (величину градиента деформации, величину вектора Бюргерса дислокаций и пр.). Для исследования кристаллов с малой плотностью дефектов в последние годы наиболее часто используется метод Ланга и его модификации. В случае дислокайций, например, известно, что они создают сильно анизатропные искажения кристаллической решетки. Наибольшие искажения обычно сосредоточены в направлении вектора Бюргерса. Поэтому максимальный контраст на дифракционных топограммах наблюдается при отражении от наиболее искаженных плоскостей (имеются в виду искажения перпендикулярные отражающим плоскостям) т.е. когда вектор Бюргерса перпендикулярен оражающей плоскости. В этом случае будет выполняться условие когда скалярное произведения ветора Бюргерса на вектор дифракции равен 1, т.е. ( ) 1 = gb . При отражении от плоскостей в которых вектор Бюргерса лежит контраст будет минимален, т.е. ( ) 0 = gb . Это и есть главное и чрезвычайно простое правило позволяющее по погасаню (исчезновению) контраста дефектов в каких-то отражениях определять тип искажений. Правило 81 это носит общий характер и применимо практически ко всем топографическим методам. Как правило, в РДМ используется только такой случай дифракции, когда для каждого пучка условие Брегга выполняется только для одной системы отражающих плоскостей и возникает только один дифрагированный пучок (двухволновая дифракция). Плоскость, в которой лежат падающий и дифрагированный пучки, называют плоскостью рассеяния. В соответствии с формулой Брегга расходимость дифрагированного пучка δθ d в плоскости рассеяния связана с его спектральной шириной δλ d соотношением: δθ θ δλ λ d d d tg = ⋅ (3.1) В случае, когда расходимость падающего на кристалл пучка велика, т.е. δθ θ δλ λ i i tg > ⋅ (3.2) (здесь δλ i - спектральная ширина падающего на кристалл пучка), расходимость дифрагированного пучка δθ d лимитируется спектральной шириной падающего на кристалл излучения в соответствии с соотношением (3.1). Обычно этот случай реализуется при съемке в монохроматическом (например характеристическом) излучении. Расходимость падающей волны определяется как / i x L δθ δ = , где δ x - размер источника в плоскости рассеяния, L - расстояние от источника до кристалла. Например, при съемке в "белом" излучении и при использовании микрофокусного источника часто выполняется противоположное соотношение δθ θ δλ λ i i tg < ⋅ . В этом случае расходимость дифрагированного пучка δθ d равна расходимости падающей волны δθ i , а его спектральная ширина δλ d дается соотношением (3.1). Пространственное разрешение на топограмме в плоскости рассеяния определяется одновременным действием двух факторов: геометрическим и дифракционным уширениями. Геометрическое уширение равно d x l δ δθ = ⋅ , где l - расстояние от кристалла до фотопластинки, δθ d определяется либо монохроматичностью, либо расходимостью падающего пучка в случаях (2) и (3) соответственно. Дифракционное уширение описывается динамической теорией рассеяния рентгеновских лучей и может быть оценено как Λ ⋅ ctg θ, где Λ = ⋅ ⋅ λ θ χ |