半導體單晶晶體質量的測試X射線衍射法2023-08-06發布國家市場監督管理總局I本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規則》的規定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發布機構不承擔識別專利的責任。本文件由全國半導體設備和材料標準化技術委員會(SAC/TC203)和全國半導體設備和材料標準化技術委員會材料分技術委員會(SAC/TC203/SC2)共同提出并歸口。本文件起草單位：中國電子科技集團公司第四十六研究所、有色金屬技術經濟研究院有限責任公司、北京通美晶體技術股份有限公司、山東有研半導體材料有限公司、弘元新材料(包頭)有限公司、哈爾濱科友半導體產業裝備與技術研究院有限公司、浙江海納半導體股份有限公司、國標(北京)檢驗認證有限公司、丹東新東方晶體儀器有限公司、有研國晶輝新材料有限公司、江蘇卓遠半導體有限公司、新美光(蘇州)半導體科技有限公司。1半導體單晶晶體質量的測試X射線衍射法1范圍本文件描述了利用X射線衍射儀測試半導體材料雙晶搖擺曲線半高寬，進而評價半導體單晶晶體質量的方法。本文件適用于碳化硅、金剛石、氧化鎵等單晶材料晶體質量的測試，硅、砷化鎵、磷化銦等半導體材料晶體質量的測試也可參照本文件執行。2規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T14264半導體材料術語GB/T14666分析化學術語GB/T32267分析儀器性能測定術語3術語和定義GB/T14264、GB/T14666和GB/T32267界定的以及下列術語和定義適用于本文件。樣品臺表面和衍射平面相交而成的傾斜樣品的軸。樣品某晶面與樣品表面的夾角。樣品臺繞樣品表面法線旋轉的角度。入射X射線與樣品臺表面的夾角。4原理4.1單晶的原子以三維周期性結構排列，其晶體可以看做原子排列于空間垂直距離為d的一系列平行平面所形成，當一束平行的單色X射線射入該平面上，且X射線照在相鄰平面之間的光程差為其波長的整數倍即n倍時，就會產生衍射(反射)。當入射光束與反射平面間的夾角θ、X射線波長λ、晶面間距d及衍射級數n同時滿足布拉格定理2dsinθ=nλ時，X射線衍射光束強度將達到最大值，此時的θ被2GB/T42676—2023稱為布拉格角，記作θg,如圖1所示。標引序號說明：1——人射光束；2——反射光束；3——晶面；4——晶面間距。圖1X射線衍射原理圖4.2X射線衍射搖擺曲線用來表征平行X射線入射束被樣品中某一特定晶面反射后其衍射束的發散情況。在測試時，探測器置于待測晶面的20g位置，入射束在θg附近進行掃描，此時記錄下來的衍射強度曲線稱為搖擺曲線。4.3晶體搖擺曲線半高寬主要受儀器和待測材料的本征寬度、位錯、晶粒尺寸、樣品彎曲的影響。對半導體單晶來說，材料內部位錯等缺陷會影響搖擺曲線半高寬值，因此搖擺曲線半高寬可用于評價半導體單晶的結晶質量。5干擾因素5.1當樣品曲率較大時，搖擺曲線半高寬會因彎曲效應而顯著增大。為消除因樣品彎曲而引入的寬度增加，可適當減小X射線入射束寬度(如在樣品前采用0.2mm寬狹縫)或采用布拉格角較大的高指數衍射晶面以減小樣品曲率的影響。樣品彎曲對搖擺曲線半高寬的影響按公式(1)進行計算。式中：b——狹縫寬度，單位為米(m);r——樣品的曲率半徑，單位為米(m);…5.2進行斜對稱衍射試驗時，X射線光束尺寸過大會引起搖擺曲線半高寬的異常加寬，此時應采用較小尺寸的X射線光束?？赏ㄟ^采用狹縫等方法限束實現點狀光源。5.3晶體待測面定向的準確性和表面粗糙度對測試結果有影響。5.4晶體的本征寬度、位錯、晶粒尺寸、樣品彎曲度會導致搖擺曲線半高寬的加寬。5.5X射線衍射搖擺曲線測試方法本身不能分辨出位錯、晶粒尺寸等內部缺陷。5.6晶體摻雜元素和摻雜濃度對測試結果有影響。35.7測試儀器以及測試過程中設置不同(如步長),對測試結果有影響。6試驗條件6.1溫度為23℃±5℃。6.2相對濕度應不高于65%。7儀器設備7.1雙晶X射線衍射儀7.1.1雙晶X射線衍射儀一般使用Cu靶，也可使用其他靶材。7.1.2雙晶X射線衍射探測器接收角度應大于0.5°,若使用分析晶體或在探測器前增加狹縫，會改變探測器接收角度和接收面積，影響測試結果，如采用此類配置，應在試驗報告中注明。7.1.3光源發出的X射線束經狹縫系統和單色器應成為一束單色的平行射線，X射線的發散角應不大于12”。若樣品半高寬較大，可以采用較大發散角的單色器，但此時應保證在布拉格角附近X射線的發散角小于測試結果的1/3。7.2樣品臺7.2.1樣品臺應有足夠的自由度，使X射線入射束、衍射束、衍射晶面法線及探測器窗口在同一平面內。7.2.2在進行斜對稱衍射試驗時，樣品臺應能使樣品圍繞其表面法線旋轉。常用雙晶X射線衍射儀樣品臺旋轉軸如圖2所示。標引序號說明：1——X射線入射束；2——X射線衍射束。圖2雙晶X射線衍射儀旋轉軸示意圖48樣品測試的晶體樣品應明確其晶面指數及其對應的衍射角度，厚度一般為0.1mm～10mm。待測面應為拋光鏡面，建議定向精度小于0.5°,表面粗糙度(Ra)應小于0.3nm。9試驗步驟9.1安放樣品將樣品放置在樣品臺上，盡量使樣品表面與樣品臺面平行。9.2.1選擇待測的衍射晶面，根據半導體單晶片的取向，查表并計算得到相應的布拉格角(θg)。典型半導體晶體部分晶面布拉格角見附錄A。9.2.2調整探測器及樣品臺位置，使探測器位于2倍布拉格角(20g),調整入射X射線與樣品臺表面的夾角(w角),使w=0g。9.3調整樣品9.3.1對稱衍射時，X角為0,使樣品臺沿X軸旋轉至X角，對X角進行優化，并將X定在優化值。X角可定在下列方法進行優化：a)方法一：改變X角，在布拉格角(θg)附近進行w掃描，w掃描衍射強度最大時對應的X角即為優化值；b)方法二：在布拉格角(θ)附近進行w掃描，調整w角，將w值固定在最大強度處，然后進行X掃描，將X固定在最大強度處，如此反復進行，直至o值和X值固定不變。9.3.2斜對稱衍射時，X角不為0。使樣品臺沿X軸旋轉至X角，然后進行φ掃描直至出現衍射峰，最后將φ角固定在衍射峰所在位置。X角的優化可按9.3.1的方法進行。若樣品存在較大的斜切角，即樣品表面與名義低指數晶面角度有偏差，在計算X角時宜考慮到此部分的影響，即實際X角應為晶面夾角和斜切角在該方向分量的疊加。9.4獲得搖擺曲線優化測量范圍、測角儀步長及計數時間(或掃描速度),使樣品在布拉格角θ。附近繞衍射法線旋轉，同時記錄衍射強度，獲得搖擺曲線。各參數按如下要求優化：a)改變測量范圍，使之覆蓋衍射峰兩側記錄到的全部背景基線；b)調整測角儀步長，典型的w步長設置為5“～10”;c)選擇計數時間使掃描中強度的動態范圍至少超過103個計數單位。9.5確定半高寬根據測試結果繪制搖擺曲線。搖擺曲線最大衍射強度一半處所對應的曲線寬度，即為該搖擺曲線半高寬。搖擺曲線半高寬可經過專業軟件處理得到。宜避免對曲線進行過度光滑處理，以免改變曲線510精密度選取碳化硅單晶、金剛石單晶、氧化鎵單晶樣品各一片，在3家不同實驗室按本方法測量樣品搖擺曲線，并求其搖擺曲線半高寬。樣品在同一臺設備上進行6次獨立測量，測試結果的精密度用相對標準a)碳化硅單晶同一實驗室測試的相對標準偏差不大于6%,不同實驗室測試的相對標準偏差不b)金剛石單晶同一實驗室測試的相對標準偏差不大于2%,不同實驗室測試的相對標準偏差不c)氧化鎵單晶同一實驗室測試的相對標準偏差不大于4%,不同實驗室測試的相對標準偏差不11試驗報告試驗報告應至少包含下列內容：b)使用的雙晶X射線衍射儀的品牌、型號；c)使用的衍射儀光路配置(包括靶材、狹縫系統、單色器、是否使用分析晶體等);d)樣品的被測晶面；e)搖擺曲線半高寬；f)本文件編號；g)測試日期；h)測試人員；i)測試環境。6(資料性)半導體晶體部分晶面布拉格角半導體晶體部分晶面布拉格角見表A.1。表A.1半導體晶體部分晶面布拉格角半導體晶體布拉格角θg4H