CN208520344U - 用于薄片晶体的二维定向误差精密测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于薄片晶体的二维定向误差精密测量系统，系统中X‑射线源照射至单色器后获得单色光射向利用支架固定的待测晶体样品，支架绕位于铅垂方向的Z轴、与Z轴垂直的位于水平向的Y轴的转动，支架在垂直于Y轴的方向上直线位移，待测晶体样品的待测晶面与Y轴垂直。采用上述测量系统可以实现二维定向误差测量；不依赖标准晶体，测量结果精度高；可以得到定向误差大小及方向两方面信息。

Description

用于薄片晶体的二维定向误差精密测量系统

技术领域

本实用新型涉及一种晶体定向误差测量系统及测量方法，尤其涉及一种基于X-射线衍射技术，适用于薄片晶体定向误差的二维精密测量，属于晶体X-射线检测相关技术。

背景技术

晶体是一种广泛应用于半导体工业及X-射线分光领域的材料。在晶体学中，通过定义晶面对晶体内部原子的排列方位进行描述。对不同的使用场合及晶体种类，需要选择不同的晶面。然而，在实际生产加工过程中，所选晶面与晶体物理表面之间可能存在夹角。

定向误差定义为晶面法向与物理表面法向之间的夹角。定向误差的存在会对晶体性能有多方面的影响：在半导体工业领域，定向误差会导致晶体的电学、磁学性质发生改变，影响电子元器件性能。在X-射线光学领域，定向误差会影响晶体光学元件能量及空间分辨率。因此，精确测定晶体的定向误差具有重要意义。为了精确测定定向误差，测量内容应包括三个方面：1.定向误差的大小；2.定向误差的方向；3.定向误差的二维分布。只有将这三个参数全部测出，才能完善地描述晶体的定向误差。

目前，X-射线衍射(X-ray diffraction，简称XRD)是一种常用的晶体检测手段。根据Bragg原理，X-射线波长与晶体晶面间距及Bragg角有如下关系：

nλ＝2dsinθ ①

其中，n为衍射级次，λ为X-射线波长，d为晶格间距，θ为Bragg 角。因此，当单色X-射线照射在晶面上时，只有与晶面形成特定夹角的光线才会发生衍射，这是XRD晶体检测的基础。

现有的晶体定向仪通过测量单色X-射线被晶体衍射时，晶体物理表面与入射光的夹角，并将该夹角与Bragg角的差值作为晶体的定向误差。但是，这种测量方法有三方面问题：

1.照射在晶体上的X-射线光斑较大，测得的定向误差是整个光斑区域内的平均值，样品台也不具备平移功能，无法得到定向误差的二维分布；

2.测得的定向误差只是实际定向误差在该方向的投影，测量结果不准确，同时，现有设备也无法测出定向误差的方向；

3.样品台的角度需要基准，现有方法是利用标准晶体进行标定，那么，标准晶体本身的定向误差将会累积在最终的测量结果中。

可见，现有定向仪无法满足二维高精度晶体定向的需求。

实用新型内容

本实用新型的首要目的是提供一种二维晶体定向误差测量系统，能够实现高精度二维定向误差测量。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：一种用于薄片晶体的二维定向误差精密测量系统，其特征在于：X-射线源，X-射线源照射至单色器后获得单色光射向待测晶体样品，工作台上设置有支架固定待测晶体样品，支架绕位于铅垂方向的Z轴、与Z轴垂直的位于水平向的Y轴的转动，支架在垂直于Y轴的方向上直线位移，待测晶体样品的待测晶面与Y轴垂直。

采用上述测量系统其技术效果体现在以下几方面：1.可以实现二维定向误差测量；2.不依赖标准晶体，测量结果精度高；3.可以得到定向误差大小及方向两方面信息。

附图说明

图1是本实用新型的测量原理示意图；

图2是相关参数的定义示意图；

图3是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

结合图3，用于薄片晶体的二维定向误差精密测量系统，X-射线源 20，X-射线源20照射至单色器30后获得单色光射向待测晶体样品A，工作台10上设置有支架固定待测晶体样品A，支架绕位于铅垂方向的Z 轴、与Z轴垂直的位于水平向的Y轴转动，支架在垂直于Y轴的方向上直线位移，待测晶体样品A的待测晶面与Y轴垂直。

由X-射线源20发出的X-射线，经过单色器30形成单色光，并经过准直光阑40，目的是得到小尺寸小发散角的单色X-射线，实现对待测晶体样品A局部的测量。这样可以避免测量区域过大所引起的平均效应，提高测量精度和空间分辨。

待测晶体样品A安装在工作台10上，要求满足基本功能包括：(1). 固定待测晶体样品A；(2).实现Bragg角精密扫描，在图1中绕z方向转动；(3).角度记录；(4).实现方位角旋转，图1中绕y方向转动；(5).实现二维移动，图1中x方向及z方向平移。当然上述运动的实施主要是调整待测晶体样品A的姿态和位置，这些转动或移动是由相关的机构实现的，以下具体说明。

支架包括吸盘或板51，吸板51上的与待测晶体样品A的背面贴附一侧板面布设有与真空环境相连的吸孔，吸板51连接在分度转台50的动台52上，动台52绕Y轴转动。待测晶体样品A的固定方式可以是机械式或吸气式等，要求将薄片晶体固定平整。

分度转台50的静台连接在精密转台60的动台座61上，动台座61 绕铅垂方向的Z轴转动。

精密转台60为Bragg角精密扫描器，其作用是实现待测晶体样品A 绕z方向的精密扫描，改变X-射线与晶面之间角度，即Bragg角。角度记录的作用是记录每次测量中待测晶体绕z方向精密扫描的变化量。分度转台50为实现方位角旋转设置，其作用是实现晶体绕y方向的旋转，通过方位角旋转，可以完成晶体在不同方位角下的测量，通过数据处理得到该位置晶体的定向误差。

单色器30与待测晶体样品A的待测晶面之间设置准直光阑40，待测晶体样品A的待测晶面的反射光的反射方向上布置探测器70。这种入射光的布置方式可以避免测量区域过大所引起的平均效应。

吸板51与动台52之间设置导向限位机构构成的二维平移台80，二维平移台80包括相互垂直的平面位移导向机构，该位移面与Y轴方向垂直。

二维移动的作用是实现待测晶体样品A的待测晶面在xOz平面内的移动，达到测量二维定向误差的目的。

本实用新型的测量系统要求精密转台60即Bragg角精密扫描转轴即图1中的z方向、分度转台50即方位角旋转转轴即图1中的y方向与 X-射线光轴相交；并且，该交点位于待测晶体表面。这样一方面可以保证在进行Bragg角精密扫描时，X-射线始终照射在待测晶体表面的同一位置，另一方面可以保证在改变待测晶体方位角时，X-射线始终照射在待测晶体表面的同一位置。

本实用新型的测量系统要求待测晶体的物理表面与分度转台50即方位角旋转转轴即图1中的y方向垂直，这样可以保证所测得的晶面法向与方位角旋转转轴的夹角即晶面法向与物理表面法向的夹角，也就是定向误差。

当单色小光斑的X-射线照射在待测晶体表面上的O点时，只有在 X-射线与晶面夹角满足Bragg原理时，单色X-射线才会被晶体衍射。本实用新型中通过工作台实现待测晶体绕z方向转动的扫描。在扫描过程中，利用探测器70检测衍射方向上X-射线强度的变化，当强度达到最大值，说明此时X-射线与晶面的夹角为Bragg角θ_B，样品绕z轴转动所对应读数为Δθ₀。待测晶体与待测晶体样品A的表述具有相同的含意。

实施例2

一种薄片晶体的二维定向误差精密测量方法，包括以下步骤：

步骤1：将分度转台50、精密转台60及二维平移台80归位为零或初始位，待测晶体样品A固定在吸板51上；

步骤2：在控制系统中输入待测晶体样品A的理论晶面间距、x方向及z方向上的测点间距及测点数量、方位角每次旋转的角度间隔

步骤3：控制系统根据单色X-射线波长、上述步骤2中输入的理论晶面间距，得到理论的Bragg角，控制精密转台60将待测晶体样品A 的待测晶体表面与X-射线夹角旋转至Bragg角，并将探测器70与X-射线夹角旋转至Bragg角的2倍；步骤4：利用精密转台60对待测晶体样品A绕z方向的θ角进行扫描，当探测器70信号达到最强，通过角度编码器记录绕z方向的转角数值；

步骤5：控制分度转台50将待测晶体样品A的相位角即绕y方向转动改变重复步骤4；

步骤6：重复步骤5，直到待测晶体样品A的相位角完成360°旋转，即完成该位置的测量；

步骤7：根据x方向及z方向上的测点间距及测点数量，控制二维平移台移动待测晶体样品A至下一个测量位置；

步骤8：重复步骤4～7，直到完成对待测晶体样品A上所有位置的测量；

步骤9：利用以下关系式对每一个测量位置相位角及相应的绕z方向转角数值进行拟合，即可得到待测晶体样品A定向误差的二维分布：

上述关系式中，Δθ为θ变化量，表征了样品台绕z轴转动的读数，是测得的数据；α为定向误差的大小，表征待测晶Δθ为表面法向旋转轨迹圆在x方向上的投影。

将样品台绕y方向旋转一定角度，即改变了待测晶体的方位角由于方位角转轴(y方向)与X-射线相交于O点，那么，旋转之后X- 射线仍然照射在O点上。但是，由于定向误差α的存在，X-射线与晶面的夹角会发生变化，导致X-射线无法被晶体衍射。此时，再通过样品台进行待测晶体绕z方向的角度扫描，当探测器检测到的信号强度再次达到最大值，样品台绕z方向转动所对应读数为Δθ₁。依次将待测晶体旋转至不同方位角，并测量Δθ_i。

由于方位角转轴及晶体表面法向平行，因此，如果以晶面法向为参考，在分度台50旋转过程中，相当于表面法线方向绕晶面法线方向转动。另一方面，每个Δθ都是在X-射线与晶面的夹角为θ_B时得到的，所以测量原理可以简化为图2，即：在测量过程中，表面法向相对晶面法向旋转，为了使θ_B大小保持不变，需要改变θ的大小。θ的变化量Δθ由定向误差α及转动相位共同决定。如图2所示，Δθ为表面法向旋转轨迹圆在x方向上的投影，满足如下关系：

如图2所示，在关系式②中，Δθ为θ变化量，表征了样品台绕z轴转动的读数，是测得的数据；α为定向误差的大小，表征待测晶体晶面法向与物理表面法向之间的夹角，Φ为定向误差的相位，表征在方位角为0时，定向误差在xOz平面投影与x正方向的夹角，两者是待测量；是方位角，由样品台绕y轴转动的角度给出；ω为方位角系数，由于Δθ变化周期为2π，因此，当方位角以弧度为单位时，ω＝1，当以角度为单位时，ω＝π/180；θ_B为Bragg角，通过理论计算得出。

将数据按照关系式②拟合，即可得到O点的定向误差信息。

Claims (5)

1.一种用于薄片晶体的二维定向误差精密测量系统，其特征在于：X-射线源(20)，X-射线源(20)照射至单色器(30)后获得单色光射向待测晶体样品(A)，工作台(10)上设置有支架固定待测晶体样品(A)，支架绕位于铅垂方向的Z轴、与Z轴垂直的位于水平向的Y轴的转动，支架在垂直于Y轴方向的平面上直线位移，待测晶体样品(A)的待测晶面与Y轴垂直。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于：支架包括吸板(51)，吸板(51)上的与待测晶体样品(A)的背面贴附一侧板面布设有与真空环境相连的吸孔，吸板(51)连接在分度转台(50)的动台(52)上，动台(52)绕Y轴转动。

3.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于：分度转台(50)的静台连接在精密转台(60)的动台座(61)上，动台座(61)绕铅垂方向的Z轴转动。

4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于：单色器(30)与待测晶体样品(A)的待测晶面之间设置准直光阑(40)，待测晶体样品(A)的待测晶面的反射光的反射方向上布置探测器(70)。

5.根据权利要求2或3所述的测量系统，其特征在于：吸板(51)与动台(52)之间设置导向限位机构构成的二维平移台(80)，二维平移台(80)包括运动方向相互垂直的平面位移导向机构，该位移面与Y轴方向垂直。