Рентгеновская топография

совокупность рентгеновских дифракционных методов изучения различных дефектов строения в почти совершенных кристаллах. К таким дефектам относятся: блоки и границы структурных элементов, дефекты упаковки, Дислокации, скопления атомов примесей, деформации (См. Деформация). Осуществляя дифракцию рентгеновских лучей (См. Дифракция рентгеновских лучей) на кристаллах различными методами «на просвет» и «на отражение» в специальных рентгеновских камерах (См. Рентгеновская камера), получают рентгенограмму (См. Рентгенограмма)— дифракционное изображение кристалла, называемое в структурном анализе топограммой. Физическую основу методов Р. т. составляет дифракционный контраст в изображении различных областей кристалла в пределах одного дифракционного пятна. Этот контраст формируется вследствие различий интенсивностей или направлений лучей от разных точек кристалла в соответствии с совершенством или ориентацией кристаллической решётки кристалла в этих точках. Эффект, вызываемый изменением хода лучей, позволяет оценивать размеры и дезориентации элементов субструктуры (фрагментов, блоков) в кристаллах, а различие в интенсивностях пучков используется для выявления дефектов упаковки, дислокаций, сегрегаций примесей и напряжений. Р. т. отличают от др. рентгеновских методов исследования кристаллов высокая Разрешающая способность и чувствительность, а также возможность исследования объёмного расположения дефектов в сравнительно крупных по размеру почти совершенных кристаллах (до десятков см).

Линейное разрешение многих методов Р. т. составляет от 20 до 1 мкм, угловое разрешение —от 1' до 0,01“. Чувствительность определяется контрастом в интенсивностях дифрагированных лучей от «удачно» и «неудачно» ориентированных областей и от «совершенных» и «искажённых» областей кристалла.

Методы Р. т. различаются по области используемых углов дифракции, по характеру выявляемых дефектов (макроскопические дефекты, дефекты кристаллической решётки), степени несовершенства и дефектности кристаллов, чувствительности и разрешающей способности. На рис. 1—5 приведены принципиальные схемы некоторых методов Р. т. и топограммы кристаллов, полученные этими методами. Преобразование рентгеновских изображений в видимые с последующей их передачей на телевизионный экран позволяет осуществлять контроль дефектности кристаллов в процессе различных воздействий на них при технологической обработке или при исследовании их свойств.

Лит.: Иверонова В. И., Ревкевич Г. П., Теория рассеяния рентгеновских лучей, М., 1972: Умайский Я. С., Рентгенография металлов, М., 1967; Лютцау В. Г., Фишман Ю. М., Метод дифракционной топографии на основе сканирования в широком пучке рентгеновских лучей, «Кристаллография», 1969, т. 14, в. 5, с. 835: Ровинский Б. М., Лютцау В. Г., Ханонкин А. А., Рентгенографические методы исследования структурных несовершенств и дефектов решетки в кристаллических материалах, «Аппаратура и методы рентгеновского анализа», 1971, в. 9, с. 3—35; Kozaki S., Hashizume H., Kohra K., High-resolution video display of X-ray topographs with the divergent Laue method, «Japanese Journal of Applied Physics», 1972, v. 11, № 10, p. 1514.

В. Г. Лютцау.

Рис. 2, б. Топограммы по Фудживара «на просвет» кристалла сапфира, полученные при расстоянии D = 100 мм и В — соответственно 50, 70, 100, 150 мм, что позволяет получать различное разрешение деталей блочной структуры кристалла. На топограмме 5 видны границы блоков (поперечные тёмная и светлая линии) и следы скольжения (тонкие зигзагообразные тёмные линии). Две параллельные вертикальные тёмные линии — следы дифракционных характеристических линий К_α и К_β меняющих положение на границах блоков.

Рис. 3, б. Топограмма блочного кристалла алюминия по Бергу — Барретту. Разворот блоков в кристалле фиксируется в виде светлых участков (1) и границ между тёмными участками (2).

Рис. 1, б. Топограмма по Шульцу алюминииевого монокристалла. Тёмные и светлые полосы на топограмме соответствуют границам блоков в кристалле. Их ширина и цвет определяются величиной и направлением взаимного разворота блоков в кристалле.

Рис. 4, б. Топограмма монокристалла кремния, полученная по методу широкого параллельного пучка.Толщина кристалла 0,3 мм. Видны отдельные ростовые дислокации (тёмные линии). Увеличено.

Рис. 5, б. Топограмма монокристаллов кремния, полученная по методу Ланга. Толщина кристалла 0,5 мм. Видны отдельные дислокации (d). Увеличено.

Рис. 1, а. Схема топографирования кристалла «на отражение» по методу Шульца. Расходящийся из «точечного» (диаметром 25 мкм) фокуса пучок ретгеновских лучей с непрерывным спектром падает на кристалл под углами от ϑ до ϑ', удовлетворяющими условию Лауэ для лин волн от λ до λ'. Отраженный пучок дает его дифракционное изображение на фотопленке.

Рис. 2, а. Схема топографирования кристаллов «на просвет» по методу Фудживара. Расходящийся из «точечного» источника пучок рентгеновских лучей с непрерывным спектром при прохождении через «тонкий» (толщиной t ≥ 1/μ, где μ — коэффициент поглощения рентгеновских лучей) кристалл создаёт его изображение. Увеличение B/D.

Рис. 3, а. Схема топографирования кристаллов «на отражение» по методу Берга и Барретта. Параллельный пучок монохроматического рентгеновского излучения от линейного источника падает на поверхность кристалла под брегговским углом, и дифракционное изображение фиксируется на фотоплёнке, расположенной вблизи кристалла параллельно его поверхности.

Рис. 4, а. Схема топографирования в широком параллельном пучке монохроматического рентгеновского излучения. От линейного фокуса щелями I и II формируется параллельный пучок лучей, падающий на кристалл под брэгговским углом 2ϑ, и из дифрагированного пучка щелью III выделяется параллельный пучок, фиксируемый на фотопластинке. Для исследования больших кристаллов во время съёмки кристалл и фотопластинку можно синхронно перемещать.

Рис. 5, а. Схема топографирования кристаллов в узком параллельном пучке «на просвет» по методу Ланга. Рентгеновские монохроматические лучи от «точечного» источника выделяются узкой (0,1 мм) щелью так, что на кристалл попадает только излучение К_α1. Дифракционное изображение выделяется второй щелью и фиксируется на фотопластинке. Монохроматичность излучения тем выше, чем больше расстояние А и меньше ширина щели S. Для больших кристаллов необходимо синхронное возвратно-поступательное перемещение кристалла и фотопластинки (щели при этом неподвижны).

РЕНТГЕНОВСКАЯ ТОПОГРАФИЯ - исследует Дефекты в строении почти совершенных кристаллов (см. Дефекты в кристаллах) путем изучения дифракции на них рентгеновских лучей.

РЕНТГЕНОВСКАЯ ТОПОГРАФИЯ

совокупность рентг. дифракц. методов изучения разл. дефектов строения в почти совершенных кристаллах. К таким дефектам относятся: блоки и границы структурных элементов, дефекты упаковки, дислокации, скопления атомов примесей. Осуществляя дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах разл. методами «на просвет» и «на отражение» в спец. рентгеновских камерах, регистрируют дифракц. изображение кристалла — т о п о г р а м м у, расшифровывая к-рую получают информацию о дефектах в кристаллах.

Физ. основу методов Р. т. составляет дифракц. контраст в изображении разл. областей кристалла в пределах о д н о г о д и ф р а к ц и о н н о г о п я т н а. Этот контраст формируется вследствие различий интенсивностей или направлений лучей от разных точек кристалла в соответствии с совершенством или ориентацией крист. решётки в этих точках. Эффект, вызываемый изменением хода лучей, позволяет оценивать размеры и дезориентации элементов субструктуры в кристаллах (фрагментов, блоков), а различие в интенсивностях пучков используется для выявления дефектов упаковки, дислокаций, сегрегации примесей и напряжений. Р. т. отличается от др. рентг. структурных методов (см. РЕНТГЕНОВСКИЙ СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ, РЕНТГЕНОГРАФИЯ МАТЕРИАЛОВ) высокой разрешающей способностью и чувствительностью, а также возможностью исследования объёмного расположения дефектов в сравнительно крупных (до десятков см), почти совершенных кристаллах.

Линейное разрешение мн. методов Р. т. составляет от 20 до 1 мкм, угл. разрешение — от 1' до 0,01". Чувствительность определяется контрастом в интенсивностях дифрагиров. лучей от «удачно» и «неудачно» ориентированных областей и от «совершенных» и «искажённых» областей кристалла.

Методы Р. т. различаются по области используемых углов дифракции, по хар-ру выявляемых дефектов, степени несовершенства и дефектности кристаллов, чувствительности и разрешающей способности. Преобразование рентг. изображений в видимые с последующей их передачей на телевиз. экран позволяет осуществлять контроль дефектности кристаллов в процессе разл. воздействий на них при технологич. обработке или при исследовании их св-в.

рентге́новская топогра́фия

исследует дефекты в строении почти совершенных кристаллов (см. Дефекты в кристаллах) путём изучения дифракции на них рентгеновских лучей.

* * *

РЕНТГЕ́НОВСКАЯ ТОПОГРА́ФИЯ, совокупность методов получения изображений дефектов(см. ДЕФЕКТЫ) в кристаллах(см. КРИСТАЛЛЫ) при помощи дифракции рентгеновских лучей(см. ДИФРАКЦИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ). Это наиболее распространенный и наиболее известный неразрушающий метод для исследования и контроля реальной структуры материала. Благодаря высокой чувствительности к несовершенствам кристаллической решетки, этот метод дает возможность исследования больших по толщине (до 10 мм) и по площади (до10³мм²) непрозрачных для оптического диапазона длин волн монокристаллов и изделий из них. Чувствительность методов рентгеновской топографии к наличию дефектов решетки кристалла связана с локальной деформацией решетки в месте расположения дефекта: изменением межплоскостного расстояния, например, в случае наличия крупного преципитата (фаза, в которой выделяются примесные атомы, в случае превышения уровня растворимости в веществе при данной температуре) или локальной разориентировкой отражающих плоскостей. Отражение луча, падающего в искаженную область кристалла, отличается от отражения луча в совершенных участках кристалла, находящихся в отражающем положении по отношению к падающему лучу.

В числе возможностей рентгеновской топографии — определение типа и пространственного распределения дислокаций(см. ДИСЛОКАЦИИ) в объеме кристалла по трансмиссионным топограммам, получаемым с двух взаимно перпендикулярных проекций. Наряду с дислокациями можно наблюдать дефекты упаковки, двойниковые(см. ДВОЙНИКИ) 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 нанесенной на них топологией микросхемы на разных стадиях технологического процесса.

Во всех известных методах рентгеновской топографии рентгеновский пучок, излучаемый источников, направляют на кристалл так, чтобы для всего кристалла или его части выполнялось условие Вульфа-Брэгга(см. БРЭГГА-ВУЛЬФА УСЛОВИЕ). Возникающие при этом дифрагированные пучки (иногда и прошедший пучок) регистрируются на фотопластинку (так называемая рентгеновская топограмма).

Наиболее распространены проекционная топография Ланга и метод Берга-Барета (метод обратного отражения). Во всех случаях исследуемый кристалл выставляют в положение дифракционного отражения рентгеновских лучей от определенной системы атомных плоскостей, а на фотопластинке или фотобумаге регистрируется след анализируемого дифрагированного рентгеновского пучка, увеличенный обычным оптическим путем. Регистрируются только дифрагированные лучи, остальные отсекаются.

Для получения изображения целого кристалла при высоком пространственном разрешении в проекционной топографии Ланга кристалл и пленка совершают одновременно возвратно-поступательное перемещение поперек рентгеновского луча. В этом случае фотопластинка должна располагаться как можно ближе к образцу. Контраст в месте нахождения дефекта определяется тем, что лучи, рассеянные под брэгговским углом искаженной областью вокруг дефекта, более интенсивны, чем рассеянные в том же направлении окружающим неискаженным объемом. При методе Лауэ отражающая плоскость находится под большим углом или почти перпендикулярна поверхности кристалла.

Метод Берга-Барета — это когда отражающая плоскость близка к поверхности кристалла.

Топограмма фактически является проекцией на пленку, экран или регистрирующую бумагу изображения дефектов поверхности и объема, причем в ряде случаев можно судить о положении дефектов в объеме образца, кроме того, имеются специальные приемы, помогающие определять это положение, например, метод ограниченных проекций поверхности кристалла.

Все методы рентгеновской топографии дают изображение в масштабе, равном или близком 1: 1, увеличение получается только оптическими методами. Методы рентгеновской топографии применимы для исследования кристаллов с относительно низкой плотностью дефектов: это плотность зависит от применяемой схемы и лимитируется разрешением, например для съемки по методу Ланга плотность дислокаций не должна превышать 10⁴ — 10⁵ см^-1. Преимущество методов — возможность изучать структуру непрозрачных для видимого света кристаллов и высокая чувствительность, позволяющая регистрировать относительные изменения параметра решетки до 10^-6 и углы поворота решетки 0,1 угл.сек. Рентгеновская дифракционная микроскопия существенно уступает просвечивающей электронной микроскопии в разрешении, но является неразрушающим методом исследования и контроля. И применима для изучения относительно толстых (толщиной порядка 1 мм в методе Ланга до нескольких см в методе Бормана) кристаллов, что позволяет избежать изменения структуры кристалла в процессе приготовления тонкого электронно-микроскопического образца. Основная область применения – исследование и контроль качества высокосовершенных полупроводников и изделий из них. В последнее время топографические методы стали широко применяться для исследования доменной структуры ферромагнетиков(см. ФЕРРОМАГНЕТИК) и сегнетоэлектриков(см. СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ).

Основные недостатки рентгеновской топографии — относительно низкое разрешение, составляющее величину порядка 1—5 мкм и большая продолжительность съемки: в зависимости от метода исследования, параметров аппаратуры и характеристик образца оно может составлять от нескольких до сотен часов. Повысить экспрессность методов можно двумя путями — повышением мощности источников рентгеновского излучения или использованием высокочувствительных устройств регистрации изображения и его непосредственно визуализации.

исследует дефекты в строении почти совершенных кристаллов (см. Дефекты в кристаллах) путём, изучения дифракции на них рентгеновских лучей.