发布日期：2018/1/25
发布单位：iST宜特
量测晶体结构堆栈情形一定要破坏样品?
是否有不破坏样品的方式，轻松分析呢?
为什么要量测晶体结构堆栈情形与薄膜特性? 通常在晶圆制程/LED制程研发阶段时，必须确认样品的晶体结构是否有堆栈整齐、观测层与层之间的厚度、密度等数据，透过这些数据确定晶体有没有乖乖地堆栈排列好。若没有排列好，将影响到结构的强度、电性与透光度，进而影响产品质量。
而检测晶体结构与薄膜特性，一般大家常使用的是TEM(穿透式电子显微镜)，然而TEM主要是运用在微观(奈米/微米)等级以下的结构检测，样品规格需要小于0.1mm(公厘)，因此必须破坏样品，切出欲观察的那一层才能进行分析。
若要针对大于0.1mm(公厘)的巨观范围确认晶体结构堆栈情形与薄膜特性，同时又不想破坏样品的前提下，就需要使用一项新工具-XRD(X光绕射分析)进行分析。
本月小学堂，将和您分享XRD，这个可以在不破坏样品前提下，解析晶体结构堆栈情形，甚至还可以确认层与层之间接面的粗糙度、多层膜间的厚度、密度的利器(注一:其他检测粗糙度利器)。
主要用于材料晶体排列结构的分析，透过X光与晶体产生的绕射图谱并配合数据库比对，可以解析材料的织构(texture)、晶体排列的方式、奈米晶粒大小等，作为评估材料特性的一种非破坏式分析。
(一) 想知道XRD能不能帮助到您吗?速看以下:
进一步了解XRD能够做什么
宜特近期引进的XRD(X光绕射分析)，同时也搭载XRR(薄膜X光反射)功能。所谓XRD是用绕射原理得到绕射图谱，并从图谱数据库比对，即可推论晶体排列结构；而XRR(薄膜X光反射)则是XRD的反射图谱，藉此可以进一步得到 薄膜厚度(达0.1nm厚度的精准度)；样品表面、层与层的接口粗糙度；薄膜的电子密度；甚至可以进行多层膜分析(总厚度限制在500nm以下)，为非破坏分析薄膜材料特性的绝佳工具。
图谱数据库? 图谱长什么样子?如何比对?
XRD分析仪，它的原理是使用X光绕射，所以只能得知光谱数据，无法像TEM有样品成像影像，不过可从得知的XRD数据图，进入晶体图谱数据库进行比对，即可确认晶体堆栈状况。相信您一定很好奇，图谱长怎么样子?宜特如何协助您进行比对?
图中红色的绕射图谱显示出3个绕射峰(Peak)，表示为多晶结构，经由软件与数据库比对为α-Fe BCC晶体结构。
多晶α-Fe BCC结晶体的绕射图谱
最小分析样品的尺寸限制?
XRD主要是巨观的分析晶体结构，无法像TEM观看到奈米等级的，不过宜特可以提供最小达0.3mm，且强度更高(6kW)X光光源，并搭配雷射对焦技术，精准分析更小的图像样品，以获取更强的讯号强度以提升更高的解析能力。此外，样品分析尺寸也可达12吋晶圆大小。
产出的反射光谱长怎么样? 如何对照图谱确认晶体结构?
图中黑色为X光反射图谱，而绿色为模拟相似结构的图谱，经由软件拟合(fitting)可以得到薄膜粗糙度，厚度以及密度的信息。
(二) 各项样品的案例分享
案例一: 双层奈米薄膜Al2O3之XRR分析
- 分析样品: Al2O3/Si
- 说明: 以下是硅基材上成长氧化铝薄膜的X光反射图谱拟合的结果，从以下表格中可以看到实际上有两层不同密度的氧化铝薄膜，上下层的厚度分别为0.94nm与6.69nm；另外氧化铝表面与硅基材接口的粗糙度分别约0.49nm与0.23nm。
案例二: LED 磊晶高解析(HR)XRD分析
- 分析样品: InxGa1-xN/GaN超晶格
- 说明: 以下是LED芯片磊晶结构的高解析X光绕射分析图，从图中拟合的结果，可以看到超晶格InxGa1-xN/GaN的厚度与组成比例分别为2.4nm/14.35nm与x=16.27%。
注一: 其他检测粗糙度利器 AFM
对材料分析略知一二的您，一定知道AFM(原子力显微镜)也可以观测样品表面粗糙度，不过AFM只能看粗糙度，若要观看样品各层间的厚度、密度，以及层与层间的接口粗糙度就不是AFM的强项了。
注二: 材料分析各项的分析功能如下供参考
巨观 微观
表面粗糙度 XRD AFM
接口粗糙度 XRD /
多层膜厚度 XRD TEM
多层膜密度 XRD /
结构 / TEM
成分比例 XRD TEM-EDS
晶格缺陷/结晶性 XRD TEM
本文与各位长久以来支持宜特的您，分享检测验证经验，若您有样品结构需要判断检测，或是对相关知识想要更进一步了解细节，不要犹豫，欢迎洽询中国免费咨询电话: 400-928-9287│ Email: marketing_chn@istgroup.com