DE2304119C3 - Vorrichtung zur Röntgendiffraktionstopographie - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Röntgendiffraktionstopographie von Einkristallen mit einer unter einem bestimmten Winkel zu den kristallographischen Richtungen des Kristalls angeordneten Röntgenstrahlenquelle und einem unter dem Reflexionswinkel vor einem Detektor angeordneten Kollimator.

Bei den bekannten Vorrichtungen zur Röntgendiffraktionstopographie von Einkristallen wird das sögenannte Langsche Verfahren verwendet. Bei diesem Verfahren wird von der Primärstrahlung, d. h. von derjenigen Strahlung, die den Kristall noch nicht getroffen hat, ein schmaler Strahl durch zwei Spaltblenden ausgeblendet und auf den Kristall gelenkt Dieser ist bezüglich des Röntgenstrahl so eingestellt, daß eine bestimmte ausgesuchte Netzebene Strahlung reflektiert. Eine Blende hinter dem Kristall deckt alle nichtreflektierte durchgelassene Strahlung ab und läßt nur die reflektierte durch eine Spaltöffnung treten. Auf der Photoplatte erscheint ein Abbild der Kristallstelle, von der die reflektierte Strahlung ausgeht. Bewegt man nun Kristall plus Photoplatte parallel zur Kristallscheibe, so wird nacheinander ein Abbild des gesamten Kristalls mit all seinen Versetzungen auf der Photoplatte erzeugt. Das auf der Photoplatte erzeugte Bild wird allerdings nur dann kontrastreich, wenn die Blenden den Strahl sehr eng ausblenden. Diese Methode liefert gute Bilder von Einkristallen, hat jedoch denn Nachteil, daß infolge der sehr schmalen Ausblendung des Röntgen-Strahls nur eine sehr schmale Kristallzone erfaßt wird. Die Abbildung des ganzen Kristalls erfordert daher insbesondere, wenn verschiedene Netzebenen erfaßt werden sollen, mehrere Tage Belichtungszeit. Um diese Belichtungszeit zu verkürzen, ist in dem DT-Gbm 66 01 247 vorgeschlagen, die Spaltblende zur Ausblendung der Primärstrahlung durch eine Lamellenblende zu ersetzen, wodurch bei n-Blendenspalten die Belichtungszeit auf 1/ntel herabgesetzt werden kann. Damit ist zwar schon eine Verkürzung der Untersuchungszeit erreicht, aber Bewegungsvorgänge in dem Kristall können wegen der erforderlichen Bewegung von Kristall und Photoplatte bei der zeilenweisen Abtastung nicht in ihrem Bewegungsablauf genau erfaßt werden, wie es z. B. für die Untersuchung des Wanderns von Fehlstellen erforderlich ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Röntgendiffraktionstopographie von Einkristallen anzugeben, die die gleichzeitige Untersuchung eines größeren Bereiches des Kristalls ermöglicht und es damit gestattet, das Wandern von Fehlstellen unmittelbar zu verfolgen.

Dies wird bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Kollimator als zweidimensionale Matrix aus parallelen Kapillaren ausgeführt ist

Durch diese Ausbildung des Kollimators wird gleichzeitig die unter einem vorgegebenen Winkel gebeugte Strahlung von einer Vielzahl von Punkten des zu untersuchenden Einkristallquerschnittes kollimiert in dem gleichsam eine äquivalente Menge von Kollimationskanälen gebildet wird, von denen jeder in jedem Moment einem Punkt des zu untersuchenden Einkristallquerschnittes entspricht

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen weiteren Kollimator zwischen der Röntgenstrahlenquelle und dem Kristall, der ebenfalls als zweidimensionale Matrix aus parallelen Kapillaren ausgeführt ist.

Hierdurch kann die Entfernung von der Röntgenstrahlungsquelle bis zum Detektor auf 2,0 bis 10,0 mm verringert werden, was zu einer erheblichen Verringerung der für die Bildung des Topogramms erforderlichen Zeit führt

Damit bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung die Möglichkeit die Dynamik der Entstehung und Entwicklung verschiedener Strukturfehler bei Einkristallen im Laufe der Herstellung von Halbleiterelementen (Pn-Übergänge, integrierte Schaltungen mit Einkristallen) zu untersuchen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit Erfolg bei der Gütekontrolle von Einkristallen in der Halbleiter- und Laserproduktion verwendet werden. Dank der geringen Topographierungszeit und der einfachen Bedienung kann diese Vorrichtung insbesondere für die Massenkontrolle von Einkristallen bei der Herstellung von integrierten Schaltungen benutzt werden.

Außerdem kann diese Vorrichtung in der Forschung benutzt werden, da sie die Untersuchung der Entstehung von Strukturfehlern an Einkristallen bei deren Wachstum sowie infolge verschiedener äußerer Einwirkung ermöglicht.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf d^;e Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Vorrichtung zur Röntgendiffraktionstopographie von Einkristallen im Prinzipschema,

F i g. 2 den Abschnitt A aus F i g. 1 in vergrößertem Maßstab in perspektivischer Ansicht.

Die Vorrichtung zur Röntgendiffraktionstopographie von Einkristallen enthält eine Röntgenstrahlenquelle t (Fig. 1) und im Wege der Röntgenstrahlung einen Kollimator 2, den zu untersuchenden Kristall 3, wozu eine planparallele Siliziumplatte mit bekannten kristallographischen Kenndaten (Syngonie, Gitterperiode, Orientierung der kristallographischen Ebenen gegenüber der Schnittfläche) verwendet wird, einen Kollimator 4, einen Detektor 5 und ein Registriergerät 6 für das Topogramm des Einkristalls 3.

Der Kollimator 3 ist der Hauptkollimator, dessen Kollimationsrichtung unter einem vorgegebenen Winkel (Braggwinkel Θ) zu den krisiiallographischen Achsen des Einkristalls 3 orientiert ist. Der Kollimator 4 ist als zweidimensionale Matrix aus Parallelkapillaren 7 (F i g. 2) ausgeführt (Durchmesser der Kapillare etwa )

Der Hauptkollimator kann auch als zweidimensiona-Ie Matrix aus Parallelkapiliaren beliebiger Form und Art ausgeführt sein. Der Kollimator 2 (F i g. 1) ist ein Zusatzkollimator, der konstruktiv ehnlich dem Kollimator 4 als zweidimensionale Matrix aus Parallelkapillaren 8 ausgeführt ist und dessen Kollimationsrichtung zu den kristallographischen Achsen des Einkristalls 3 unter einem Winkel orientiert ist, der dem Orientierungswinkel des Hauptkollimators 4 gleich ist, so daß die den Zusatzkollimator 2 durchdringende Röntgenstrahlung nach der Beugung an dem Einkristall 3 deiv Hauptkollimator 4 passiert

Der Bauart nach kann sich der Zusatzkollimator auch von dem Hauptkollimator sowohl in der Form als auch in der Anordnung der Kapillaren in der Matrix unterscheiden.

Die Vorrichtung kann auch nur mit ;inem Hauptkollimator ausgeführt sein. Jedoch wird bei dieser Variante der Kontrast de Topogramms auf dem Detektor verringert.

Die Röntgenstrahlenquelle 1 ist als Hochspannungselektronenstrahlröhre mit einer als Treffplatte ausgebildete Anode 9, die direkt auf das Austrittsfenster 10 aus Beryllium aufgetragen ist einer Kathode 11, einem Ablenksystem 12 und einer Speise- und Ablenkeinrichtung 13 ausgeführt.

Der Detektor 5 ist als Treffplatte einer röntgenempfindlichen Aufnahmeröhre 14 mit einer Kathode 15, einem Ablenksystem 16 und einer mit diesen elektrischen verbundenen Speise- und Ablenkeinheit ausgeführt.

Das Topogrammregistriergerät 6 ist als Wiedergaberöhre ausgeführt, die elektrisch mit der Röhre 14 verbunden ist. Bei der Einrichtung zur Röntgendiffraktionstopographierung von Einkristallen ist jeder beliebige Detektor (sogar ein photographischer Film) geeignet, der eine eindeutige Abbildung eines Punktes in einer Ebene und einer diesem entsprechenden Strahlungsintensität sichert. Bei der Anwendung eines Films als Detektor dient dieser als Topogrammregistriergerät.

Die Vorrichtung ist mit einer Einrichtung zum Einstellen der Röntgenstrahlenquelle 1, des Einkristalls 3, der Kollimatoren 2 und 4 und des Detektors 5 versehen (nicht mitgezeichnet), die eine Einstellverstellung des Einkristalls 3, der Kollimatoren 2 und 4 und des Detektors zuläßt und eine starre Fixierung dieser Elemente während der Topogrammregistrierung sichert.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung zur Röntgendiffraktionstopographie von Einkristallen besteht in folgendem: Wenn eine negative Spannung von 10 bis 40 kV an die Kathode 11 (F i g. 1) der Elektronenstrahlröhre angelegt wird, wird an der Anode 9, die als Treffplatte ausgeführt und geerdet ist, eine Röntgenstrahlung 8 erregt die als breiter Kegel austritt.

Der Kollimator 2 wählt mit seinen Kapillaren 8 aus dem Röntgenstrahlungskegel die Strahlungsrichtung 19 aus, die einen Braggwinke) θ mit den gewählten Ebenen des zu untersuchenden Einkristalls 3 bildet Der zu untersuchende Einkristall wählt die erforderliche Riehtung aus dem Röntgenstrahlungskegel auch selbst aus, ohne Zusatzkollimator, jedoch wird hierbei das Signal/Rauchverhältnis am Detektor verschlechtert.

Von dem zu untersuchenden Querschnittsabschnitt des Einkristalls 3 geht infolge der Beugung der Röntgenstrahlen eine monochromatische Strahlung des Anodenmaterials in Form eines Strahlenbündels 20 aus, und zwar in der durch den Sraggwinkel für den betreffenden Einkristall 3 bestimmten Richtung, sowie eine geschwächte Streustrahlung (nicht mit eingezeichnet).

Die von dem zu untersuchenden Einkristall 3 gebeugten Strahlen passieren die Kapillaren 7 des Kollimators 4, wodurch die unter dem vorgegebenen Winkel (Braggwinkel) von jedem Punkt des zu untersuchenden Querschnittsabschnittes des Einkristalls 3 gebeugte Strahlung (Parallelstrahlenbündel 20) gleichzeitig für alle Punkte des zu untersuchenden Abschnitts ausgesondert wird. Diese Strahlen gelangen dann zum Detektor, an dem das Topogramm des Querschnitts des zu untersuchenden Abschnitts des Einkristalls 3 abgebildet wird. Vom Detektor 5 wird das Topogrammbild auf das Registriergerät 6 (Aufnahmeröhre) übertragen.

Die gestreute und unter anderen Winkeln gebeugte Strahlung wird vom Material des Kollimators 4 geschwächt.

Ist bei der anfänglichen Einstellung der Winkel zwischen dem gewählten System der kristallographischen Ebenen des Einkristalls 3 und der Kollimationsrichtung des Kollimators 4 nicht gleich dem Braggwinkel, so dreht man den Einkristall zunächst bis zum Erscheinen eines Bildes auf dem Bildschirm der Aufnahmeröhre und stellt ihn in dieser Lage fest. Das gleiche Ergebnis wird auch bei Drehung des Kollimators 4 erreicht. Zur Erhöhung des Bildkontrastets wird dann der Kollimator 2 eingesci/t.

Bei der Senenuntersuchung bestimmter Einkristalltypen werden die Kollimatoren 2 und 4 derart ausgebildet, daß der Winkel zwischen der Schnittebene des Einkristalls 3 und der Koilimationseinrichtung der Kollimatoren 2 und 4 dem Braggwinkel für das gewählte Ebenensystem des betreffenden Einkristalltyps gleich ist. Die gegenseitige Anordnung der Kollimatoren 2 und 4 wird bei dieser Variante einmalig eingestellt und für die gesamte Meßserie festgehalten. Dies erleichtert erheblich die gegenseitige Einstellung der Kollimatoren und des zu untersuchenden Einkristalls 3. Bei dem Übergang zu einem anderen Einkristalltyp wechselt man die gesamte Kollimatoreinheit aus.

Bei einer Abtastung der Anode 9 mit einem Primärbündel von etwa 20μπι Durchmesser kann das Röntgenbündel über den zu untersuchenden Einkristall verschoben werden. In jedem Punkt desselben, falls hier die Bragg-Bedingung für den gesamten Einkristall erfüllt ist, findet eine Beugung des einfallenden Bündels statt und der gebeugte Strahl gelangt über den Kollimator 4 zum Detektor 5.

Die Röntgenbestrahlung der gesamten Querschnittsfläche des Einkristalls kann auch gleichzeitig erfolgen. Jedoch ist zur Zeit eine solche Ausbildung der Röntgenstrahlenquelle hinsichtlich der spezifischen Leistung als ungünstig anzusehen, da die Variante mit dem Abtaststrahl hinsichtlich der Leistung um drei bis vier Größenordnungen günstiger ist.

Da sämtliche Elemente der Vorrichtung während der Topographierung des Einkristalls 3 starr fixiert sind, ergibt sich eine qualitativ neue Möglichkeit, eine Beobachtungsserie mit festgehaltenem Einkristall 3, der verschiedenen, r. B. mechanischen, thermischen Einwirkungen ausgesetzt wird, zu wiederholen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Röntgendiffraktionstopographie von Einkristallen mit einer unter einem bestimmten Winkel zu den kristallographischen Richtungen des Kristalls angeordneten Röntgenstrahlenquelle und einem unter dem Reflexionswinkel vor einem Detektor angeordneten Kollimator, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator (4) als zweidimensionale Matrix aus parallelen Kapillaren (7) ausgeführt ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen weiteren Kollimator (2) zwischen der Röntgenstrahlenquelle (1) und dem Kristall (3), der ebenfalls als zweidimensionale Matrix aus parallelen Kapillaren (8) ausgeführt ist