CN202305445U - 用于分析样品的装置 - Google Patents
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Abstract
用于分析样品的装置，包括：X射线源，其被配置以将X射线光束指向样品；以及，检测器，其被配置以测量以多个角度中的每一个从所述样品衍射的X射线。样品台包括样品夹，其被配置以夹持多个半导体晶片。平移和旋转元件被配置以移动所述样品夹，使得将所述多个半导体晶片中的每一个依次定位在所述光束中。
Description
技术领域
本实用新型总体涉及分析仪器，具体地涉及X射线的衍射测量。
背景技术
X射线衍射测量(XRD)是一种用于研究物质的晶体结构的公知技术。在XRD中，用单色X射线光束辐射样品，并且测量衍射峰的位置和强度。典型的散射角和散射强度依赖于待研究的样品的晶格面以及占据这些平面的原子。对于给定的波长和晶格面间距，当X射线光束以满足布拉格条件的角度入射在晶格面上时，将观察到衍射峰。由于应力、固溶体或其他效应而引起的晶格面中的变形导致XRD谱中可观察的变化。
XRD和其他技术一起用于测量在半导体晶片上产生的晶体层的特性。例如，Bede QC200X射线衍射计(先前由Bede Scientific Instruments生产，现在由以色列Migdal Ha′emek的Jordan Valley Semiconductors，Ltd.生产)是高分辨率的X射线衍射工具，其被设计用于半导体的开发和质量控制。它已用于测量由各种材料制成的外延层的成分和厚度。
实用新型内容
本实用新型的实施方案提供一种用于XRD的改进系统。
因此，根据本实用新型的一个实施方案，提供了用于分析样品的装置，包括：样品台，在该样品台上设置了样品夹(sample holder)以及平移和旋转元件，该样品夹上夹持了多个作为样品的半导体晶片；邻近于所述样品台设置的X射线源，其被配置以将X射线光束指向所述半导体晶片，所述样品台上的平移和旋转元件能移动所述样品夹，使得将该样品夹上夹持的多个半导体晶片中的每一个依次定位在所述X射线光束中；以及，邻近于所述样品台设置的检测器，其被配置以测量以多个角度中的每一个角度从所述半导体晶片衍射的X射线。
在一个公开的实施方案中，该装置包括ω驱动器机构，其被连接至所述样品台，从而改变所述半导体晶片和入射在该半导体晶片上的X射线光束之间的第一角度；以及，2θ驱动器机构，其被连接至所述检测器，从而改变入射在所述半导体晶片上的光束和由该检测器所接收的衍射X射线之间的第二角度。该装置还可包括输出狭缝，其被配置以限制从X射线源发射的X射线光束的宽度，其中该ω驱动器机构的角度移动范围被限制，使得所述输出狭缝能够定位在邻近于该半导体晶片。
附加地或替代地，该装置包括三轴分光晶体(analyzer crystal)和机动化狭缝，所述三轴分光晶体和所述机动化狭缝是可交替定位的，以控制该检测器的允许角(acceptable angle)。该三轴分光晶体或机动化狭缝可被选定，从而通过调节该检测器的2θ角度使得X射线传到该检测器。
在一个实施方案中，该样品台包括用于接收半导体晶片的多个凹口。所述多个凹口可至少包括分别具有不同尺寸的第一凹口和第二凹口。
从下面对实施方案的详细描述结合附图，将更完整地理解本实用新型。
附图说明
图1是根据本实用新型的一个实施方案的一个用于XRD的系统的示意立体图；
图2是一个示意分解图，示出了根据本实用新型的一个实施方案的图1的系统的元件；
图3是一个根据本实用新型的一个实施方案的用在图1的系统中的样品台的示意立体图；
图4是一个根据本实用新型的一个实施方案的用在图1的系统中的检测器组件的示意立体图；
图5A和图5B是根据本实用新型的一个实施方案的用在图1的系统中的源光学器件组件的示意立体图；
图6是一个根据本实用新型的另一实施方案的用在图1的系统中 的样品台的示意立体图。
具体实施方式
下文描述的本实用新型的实施方案提供了一种用于XRD的改进系统。在该系统中，X射线源和检测器被定位在邻近于样品，从而提供很强的衍射信号，并从而提供很高的测量处理量(throughput)——即使在大气而非真空中运转时。在一个实施方案中，该系统包括样品夹和样品台，其能够接收多个晶片以及将它们依次自动定位在X射线光束中。该特征进一步增强了测量处理量，尤其在小直径晶片(例如用在生产平板显示器的LED中的晶片)上的XRD测量中。
图1是根据本实用新型的一个实施方案的一个用于XRD的系统20的示意立体图。该系统尤其用于半导体晶片的高分辨率X射线衍射测量中，但是它还可替代地被用在多种样品材料的其他XRD应用中。系统20经由仪器控制软件被嵌入式计算机控制器(未示出)所控制。测量通常来自标准方法(recipe)，但是定制测量可按要求那样建立。
如图2所示，系统20包括X射线源22，通常包括在合适的屏蔽内的X射线管，该X射线管被安装在对准台24上。光学组件26使来自该源的X射线光束单色化且聚焦。然后该光束穿过限制该光束宽度的狭缝28，并且入射在安装在多轴样品台32上的样品30(例如，半导体晶片)上。从样品衍射的X射线由检测器组件34接收和测量。检测器组件被安装在2θ驱动器机构36上，而所述样品台被安装在ω驱动器机构38上。这些驱动器一起运转，使得能够在一系列入射角和出射角中做出X射线衍射的测量。光学组件26被对准，以将X射线光束指向ω驱动器和2θ驱动器的旋转中心。
ω驱动器和2θ驱动器在机械结构上是相同的，包括三个枢轴的三角形排列，其中该三角形具有两个固定长度的边以及一个具有机动化调整的长度的边，从而控制相对角的角度。随着移动可调整边来改变角度，电机的步长和角运动之间的关系根据余弦定理而改变。因而驱动器的角度步长随着电机的位置而改变，所述电机的位置在软件中被跟踪和补偿。
下面的表格示出了可由ω驱动器和2θ驱动器执行的移动的细节：
图3示出了根据本实用新型的一个实施方案的样品台32的细节。所述台被配置为安装待测试的单个半导体晶片，并且包括多个平移和旋转元件。该晶片被放在样品夹40上，该样品夹40通过 
台42围绕竖直(Z)轴旋转，从而允许以不同的方位角(ψ)做出测量。所述台还包括X、Y和Z平移轨44、46和48，以相对于X射线光束来平移样品。除了由上述ω驱动器所提供的围绕Y轴的旋转以外，χ轴角度计50使样品关于X轴倾斜(垂直于X射线光束的方向)。ω方向上的所述台的角运动范围被限制，使得X射线光束的输出狭缝能够被定位在接近于所述样品，如图2所示。
下面的表格示出了可由样品台所执行的移动的细节：
| 轴 | 功能 |
| X | 样本平移，X方向 |
| Y | 样本平移，Y方向 |
| Z | 样本高度调整 |
| χ | 样本倾斜 |
| Φ | 样本围绕曲面法线的旋转 |
如图4所示，检测器组件34包括三轴分光晶体52和用于限制所接收的光束角度(并且从而提高测量的分辨率)的机动化狭缝54。可调整的衰减器56可被用于增强检测的动态范围。在图片示出的实施方案中，衍射光束被EDRc(增强的动态范围)的YAP:Ce闪烁检测器58 接收。通常检测器的“黑暗”背景是约0.4cps(如果牺牲更高的强度范围，其可被减少)，具有＞20Mcps的饱和水平和在软件中自动实时死时间修正。替代地，可使用其他检测器类型。衰减器56是完全自动化的，以将检测器58的动态范围延伸至更高的强度。
不管是否使用狭缝54或三轴分光晶体52，检测器58都接收衍射光束。晶体52通常具有约12秒的允许角，适合用于复合半导体材料上的测量，但是替代地可使用具有更大或更小的允许角的晶体。狭缝54在完全打开时具有约4mm的范围，且并在0mm刚好闭合。当狭缝打开时，到三轴晶体的通道被自动堵塞。当使用三轴晶体时，检测器狭缝被移动至接近于负极限，以打开该通道并且堵塞所述双轴狭缝。
晶体52在检测器组件中被偏置，使得来自晶体的辐射进入检测器58的一侧，而狭缝54被定位以控制其进入另一侧。简单地通过使检测器台的2θ角度偏置以在狭缝和晶体之间移动，即可选择狭缝或晶体。所述布置减少了如下需要：插入和移动晶体，或使用如在其他一些系统中用于狭缝和晶体的分立的检测器。
图5A和图5B示出了X射线源组件的细节，其在上文参考图2进行了描述。光学器件26包括多层镜，该多层镜收集来自源22的发散的X射线，以产生具有约0.1°的发散角的准平行束的Cu KαX射线。通道切割晶体(CCC)被用于进一步调节入射光束，使得适合于高分辨率衍射测量。CCC可被配置以产生极高强度的光束，通常具有约8至10秒的发散角。这种类型的光束尤其适合于III-V半导体层(例如GaAs和InP)的XRD测量。一种替代的光束调节晶体可被用于传递具有约25秒的分散角的高强度光束。该较高的分散角尤其适合于GaN的测量，并且对所述材料是默认选项。替代地，可使用具有更大或更小分散角的其他种类的晶体。
图6示出了具有可同时容纳多个圆形样品(例如半导体晶片)的样品夹62的样品台60。可在系统20(图1)中使用所述样品台和样品夹代替图3中示出的样品台32的对应元件。台60包括与台32相似的平移和旋转元件。
样品夹62被配置，以夹持八个小晶片和三个较大晶片，但是其他配置也是可能的。为了使用所述样品夹，系统操作者将晶片放在样品 夹中合适的凹口64、66中。然后，系统20自动地平移样品台60，使得X射线光束入射在一个晶片上，例如最左排中的第一个晶片。在完成所述晶片上的测量以后，所述台自动地被平移以将第二个晶片定位在光束下；等等。这样，该系统的处理量显著增强，因为多个晶片可在单批操作中被测量且没有人工操作者的介入。
应理解，上面描述的实施方案以实施例的方式进行引证，并且本实用新型不限于上述所具体示出和描述的。相反，本实用新型的范围包括上面描述的各种特征的结合和子结合，以及本领域普通技术人员在阅读前面的描述后所想到的且未在现有技术中公开的它们的变体和改型。
Claims (6)
1.用于分析样品的装置，其特征在于，该装置包括：
样品台，在该样品台上设置了样品夹以及平移和旋转元件，该样品夹上夹持了多个作为样品的半导体晶片；
邻近于所述样品台设置的X射线源，其被配置以将X射线光束指向所述半导体晶片，所述样品台上的平移和旋转元件能移动所述样品夹，使得将该样品夹上夹持的多个半导体晶片中的每一个依次定位在所述X射线光束中；
邻近于所述样品台设置的检测器，其被配置以测量以多个角度中的每一个角度从所述半导体晶片衍射的X射线。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置包括：
ω驱动器机构，其被连接至所述样品台，从而改变所述半导体晶片以及入射在所述半导体晶片上的X射线光束之间的第一角度；以及
2θ驱动结构，其被连接至所述检测器，从而改变入射在所述半导体晶片上的光束和由所述检测器所接收的衍射X射线之间的第二角度。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，该装置包括输出狭缝，其被配置以限制从所述X射线源所发射的X射线光束的宽度，其中所述ω驱动器机构的角度移动的范围被限制，使得所述输出狭缝能够被定位在接近于所述半导体晶片。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置包括三轴分光晶体和机动化狭缝，所述三轴分光晶体和所述机动化狭缝是可交替定位的，以控制所述检测器的允许角。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述样品台包括多个凹口，用于接收所述半导体晶片。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述多个凹口至少包括分别具有不同尺寸的第一凹口和第二凹口。
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