薄膜材料XRD分析技术简介ppt课件

1、薄膜材料XRD衍射分析简介,杨宁 博士XRD应用工程师德国布鲁克AXS有限公司北京代表处北京海淀区中关村南大街11号光大国信大厦5201室，邮编:100081电话 68486947 服务热线:800-810-9066手机:真:mail: ning.yangbruker-,1. Februar 2021,2,薄膜材料的应用种类Applications 1,metal conductor paths (Cu, Al, AlSiCu) insulators (SiO2, HfO2) in semiconductors

2、diffusion barriers (Si3N4, Ti/TiN) semiconductors (SiGe, GaAs, InP) active zones in lasers and LEDs (InGaN, AlGaAs, GaN) hard coatings (TiN) solar cells a.k.a photovoltaics (CuInSe2,CdS, CdTe, organic) magnetic active layers (CoPtCr) piezoelectrics(PMN-PT, PZT, PLZT, PbTiO3) optical coatings （MgF2）

3、electro-optics (PLZT, PMN-PT) magnetostrictives (FeGa) fuel cells (YSZ, Gd-CeO2) superconductors (MgB2, YBa2Cu3O7,1. Februar 2021,3,electrolytes in batteries (LiPO3) oxide electrodes (SrRuO3) catalysts (MOFs, CeO2) coatings (bathroom fixtures, corrosion prevention) communication/band gap tuning (HEM

4、Ts.quantum wells) thermoelectrics (Pb0.5Sn0.5Te) energy storage (ultracapacitors using metal carbides) energy harvesting/ energy conversion,薄膜材料的应用种类Applications 1,1. Februar 2021,4,薄膜材料的定义? 应该用什么样的仪器测量,所谓的薄膜材料就是厚度介于不到一个纳米到几个微米之间的单层或者多层材料 薄膜材料可以是单晶，多晶甚至非晶态。 薄膜材料的生长方式可以是溅射，外延，气相沉积,Organic monolayer,N

5、anoparticles in matrix,Back-end (Semi.,Front-end SiGe,Oxyde Semi,Low-k oxides,Coatings,Magn. storage,LEDs,DISCOVER,ADVANCE,Hard to find a guideline,1. Februar 2021,5,什么样的仪器适合薄膜材料? 首先可以参考材料的结晶性,如果是单晶外延膜，我们只能考虑D8Discover， 因为测量要求前置单色器。 当然，几乎所有的薄膜材料都可以用D8 DISCOVER 来测量,如果是多晶薄膜，我们也可以考虑D8 ADVANCE,1. Februa

6、r 2021,6,Restricitons: Layer thickness 250 nm for XRR Sample dimensions for all applications,Bruker Confidential,薄膜材料的研究方法及相关项目,High-Resolution X-Ray Diffraction thickness lattice parameter lattice mismatch composition strain & relaxation lateral structure mosaicity (crystallinity) defects,X-Ray Ref

7、lectometry（XRR） layer thickness composition roughness density porosity,Reciprocal Space Mapping lattice parameter lattice mismatch composition orientation relaxation lateral structure,Stress and Texture orientation distribution orientation quantification residual stress epitaxial relationship,Grazin

8、g incidence Diffraction (GIXRD) depth dependent information phase identification lattice parameter microstructure (size/strain) residual stress,In-Plane GIXRD IP-lattice parameter IP-crystallite size IP-orientation epitaxial relation,1. Februar 2021,7,涂层材料,对于厚度几个微米或者接近微米的涂层材料，传统的BB衍射几何在大多数的情况下是可以满足要

9、求的。 BB几何可以实现最好的晶粒统计性和最简单的仪器设置。可以实现定性和定量相分析，结合TOPAS软件，我们还可以计算晶粒尺寸。很多情况，D2 Phaser 可以满足测量要求。 如果样品有很强的择优取向，那么定量相分析，晶粒尺寸和微观应力会受到影响,如果样品衬底是单晶体，在BB几何中，我们可能会看到很强的衬底的衍射峰，而且很多来自光管的杂散信号(KBeta, tube tails, Ni absorption edge, W lines,)也可能被探测到。造成部分图谱无法使用,1. Februar 2021,8,多晶薄膜材料和粉末的区别,受到薄膜材料厚度的限制，晶粒的统计性不会很好， 这会造

10、成衍射峰强度的偏差，从而影响例如定量分析之类的结果。所以大多数情况考虑掠入射衍射（GIXRD）。 薄膜材料产生择优取向的可能性比较大。 薄膜材料在生长过程中易产生残余应力。 薄膜材料易产生成分，物相和残余应力的梯度,1. Februar 2021,9,掠入射衍射（GIXRD） 仪器硬件设置,GIXRD 硬件要求 多层膜反射镜产生平行光 Goebel mirror 可以调节样品高度的样品台 长索拉狭缝，定义仪器的分辨率 0维探测器 (scintillation counter or LynxEye in 0D mode,D8 ADVANCE with TWIN/TWIN optics (sepa

11、rated optic modules also work,1. Februar 2021,10,Grazing incidence diffractionAg2Te thin film on glass,Bragg-Brentano geometry,Grazing incidence geometry,GIXRD emphasizes the signal of the Ag2Te nanocrystallites and the glass substrate signal is reduced,01/02/2021,Bruker Confidential,11,对称扫描和掠入射扫描的对

12、比,1. Februar 2021,12,12,GIXRD 光斑照射面积,d : beam width L : sample length | beam D : illuminated area,光斑照射面积,掠入射的原理是使用平行光（GM）和小的入射角，同时增加衍射颗粒的数目和x射线在薄膜中的光程。 入射角的选择取决于样品的长度，薄膜材料的密度和X射线的穿透深度，选定入射角后，在之后的数据扫描中保持不变,1. Februar 2021,13,13,GIXRD 数据采集,掠入射的扫描方式是探测器或2theta 扫描，光管和样品保持不动。 使用长索拉狭缝或者是平行光附件可以保证好的角度分辨率，同

13、时使全部衍射信号被探测器接收到。索拉狭缝有多种选择，根据强度或分辨率的要求选择合适的狭缝。通常是强度高，分辨率低,长索拉狭缝（平行附件）定义了仪器的分辨率 D8-A250：1, 0.2, 0.3, 0.4 D8-II： 0.12, 0.23, 0.35,1. Februar 2021,14,掠入射衍射几何 相的深度分布,Incident angle Theta=0.2 to few degrees,XYZ stage,1. Februar 2021,15,掠入射衍射几何 相的深度分布,0.2 度的入射角时，只有Mo层的衍射峰. 增大入射角，下面YH2 层的衍射峰也可以探测到,1. Februa

14、r 2021,16,普通 GIXRD 和 面内 GIXRD （IP-GIXRD,面内 GIXRD 非共面几何,1. Februar 2021,17,1. Februar 2021,18,XRR on Si/SiO2/Si反射率测量确定薄膜的厚度,LEPTOS results 100.3 nm SiO2 14.7 nm Si,1. Februar 2021,19,共面 GIXRD on Si/SiO2/Si,TOPAS results Cubic Si a=5.41285 A 9 nm 深度方向晶粒尺寸,1. Februar 2021,20,TOPAS results Cubic Si a=5.

15、41285 A 14 nm 面内晶粒尺寸,非共面 GIXRD on Si/SiO2/Si,1. Februar 2021,21,XRR on ZrO2/Si反射率测量确定ZrO2薄膜的厚度,LEPTOS results 3.2 nm ZrO2,1. Februar 2021,22,共面 GIXRD on ZrO2,TOPAS results Tetragonal ZrO2 a=3,5658 A c=5,1614 A 3.4 nm 深度方向晶粒尺寸,1. Februar 2021,23,非共面 GIXRD on ZrO2,TOPAS results Tetragonal ZrO2 a=3,599

16、4 A c=5,18424 A 30,4 nm 面内晶粒尺寸,1. Februar 2021,24,薄膜材料的残余应力分析 多衍射晶面方法（multiple (hkl) approach,传统的sin2 方法测量残余应力是选择一个满足布拉格对称衍射的高角度单一的衍射晶面，同时改变样品的取向(侧倾或同倾)以改变衍射矢量方向。 这在多晶粉末材料中有很好的应用，对于薄膜材料，这种方法很可能实效，因为高角衍射峰的入射角大，薄膜衍射强度太低。 对只有几十个纳米厚度的多晶薄膜，GIXRD是唯一可以满足衍射强度要求的方法。 采用掠入射的几何，入射角不变，只做探测器扫描，不同衍射晶面的衍射矢量随着衍射峰位的变

17、化而变化，其与样品表面法线的夹角也随之改变。这样就满足了应力测量的改变衍射矢量方向要求，而无需倾斜样品。 hkl = hkl -,1. Februar 2021,25,薄膜的残余应力分析25 nm TiN 薄膜掠入射扫描Osbornite (cubic TiN,1. Februar 2021,26,薄膜的残余应力分析入射和反射光的折射,入射和反射光在样品表面的折射造成测量的2角比实际衍射晶面的2 Brhkl角偏大 2 hkl = 2 2 Brhkl, where 2Brhkl = t+i,Measuring geometry in GIXRD experiment: the angle of

18、incidence, t the refraction angle, i the incidence angle of the diffracted beam,1. Februar 2021,27,薄膜的残余应力分析反射率测量确定厚度和全反射角,C= 0.311,From Leptos fit: 25 nm TiN layer,1. Februar 2021,28,薄膜的残余应力分析数据处理-确定峰位,Evaluation of the peak K1position,1. Februar 2021,29,Peak shift due to the refraction effect,n=1-i, where sin2c=2 and =(/4),薄膜的残余应力分析数据处理-峰位校