掠入射衍射介紹

掠入射衍射（GID, Grazing incidence diffraction）是研究多晶薄膜的一種常用方法。薄膜樣品在Bragg-Brentano對(duì)稱衍射中通常表現(xiàn)出非常微弱的衍射信號(hào)，原因在于X射線可穿透薄膜照射到底層襯底，由于襯底其較大的散射體積，導(dǎo)致其衍射信號(hào)在終端信號(hào)中占據(jù)主導(dǎo)地位。

然而，如果不是BB幾何的發(fā)散光路，而是一束細(xì)的平行光束照向樣品表面，這樣它只穿透薄膜而不穿透下方的襯底材料，那么來(lái)自薄膜的衍射信號(hào)則會(huì)成為主導(dǎo)。通過(guò)優(yōu)化平行光束的入射角度，可以將薄膜層的散射信號(hào)與襯底的散射信號(hào)解離開(kāi)來(lái)（圖1）。

▲圖1. 在玻璃基板上沉積的20 nm氧化銦錫（ITO）層的DIFFRAC.EVA視圖。對(duì)稱的θ/θ掃描（橙色）可以看到明顯的

由玻璃基板主導(dǎo)的信號(hào)，而ITO信號(hào)在0.3°固定入射角度下的GID掃描（藍(lán)色）中得到了很好的突出顯示。

D6 Phaser測(cè)試案例

D6 PHASER使用雙狹縫準(zhǔn)直裝置來(lái)產(chǎn)生平行X光束。X射線光管的線聚焦與較小的初級(jí)發(fā)散狹縫相結(jié)合，足以準(zhǔn)直形成具有合適平行度的X光束。另外，也可以使用小入射可變狹縫與可插入的第二狹縫的組合。通過(guò)使用通用樣品臺(tái)（圖2），平行光束相對(duì)于樣品表面的入射角可以在做探測(cè)器掃描時(shí)保持恒定。在衍射端D6 PHASER使用赤道索拉狹縫來(lái)限制探測(cè)器的角分辨率和光通量。所得的衍射數(shù)據(jù)可用于物相鑒定、殘余應(yīng)力分析及通過(guò)改變?nèi)肷浣沁M(jìn)行基于不同入射深度的物相分析。類似GID的非對(duì)稱衍射幾何，與對(duì)稱幾何不同，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程衍射晶面沒(méi)有統(tǒng)一的取向。在較低的衍射角下，晶面法線接近樣品表面法線，而在高衍射角處，晶面法線則接近面內(nèi)方向。這可以用來(lái)分析由于襯底施加在薄膜上的應(yīng)變引起的晶格畸變。請(qǐng)注意，殘余應(yīng)力的測(cè)定和準(zhǔn)確度很大程度上依賴于衍射儀在較高角度下獲取高質(zhì)量衍射數(shù)據(jù)的能力。

▲圖2. D6 PHASER用于GID測(cè)試，配置包含可變發(fā)散狹縫模塊，通用樣品臺(tái)和安裝在LYNXEYE XE-T探測(cè)器前的次級(jí)水平Soller準(zhǔn)直器。

GID薄膜分析

圖3展示了對(duì)20 nm厚的鎢薄膜進(jìn)行GID掃描獲得譜圖的分析，數(shù)據(jù)測(cè)試時(shí)間為40分鐘，較高測(cè)試角度達(dá)到140°。除此之外，薄膜的厚度也可以用D6 PHASER精確測(cè)量，該結(jié)果已在之前的文章中進(jìn)行報(bào)道。在厚度小于幾十納米的薄膜半導(dǎo)體器件中，鎢被認(rèn)為是金屬材料銅的替代品。依賴于生長(zhǎng)條件，這種空間受限可能導(dǎo)致薄膜存在明顯的殘余應(yīng)力，從而引發(fā)一些不良影響（如薄膜分層）。因此，對(duì)薄膜殘余應(yīng)力的評(píng)估至關(guān)重要，在某些情況下，應(yīng)力可達(dá)到GPa的級(jí)別。

鎢薄膜殘余應(yīng)力的評(píng)估是基于整個(gè)粉末衍射譜圖的分解，它使用了立方晶系的Im-3m空間群和額外的角度偏移，這些角度位移與（i）樣品表面X射線的折射效應(yīng)和（ii）晶格應(yīng)變有關(guān)，引發(fā)了基于角度的峰位偏移，可由彈性理論(多重sin2ψ(hkl)方法)來(lái)進(jìn)行測(cè)定分析。結(jié)構(gòu)的精修使用DIFFRAC.TOPAS軟件進(jìn)行，顯示鎢薄層存在明顯的殘余應(yīng)力，約為-2.4 GPa。 

▲圖3. 使用DIFFRAC.TOPAS軟件對(duì)GID數(shù)據(jù)進(jìn)行精修。從殘差曲線可以看出，在精修模型中加入殘余應(yīng)力修正可以明顯提高W相（上方曲線）的擬合質(zhì)量。

結(jié)論

D6 PHASER衍射儀和DIFFRAC.TOPAS軟件是一個(gè)很好的組合，來(lái)對(duì)薄膜材料進(jìn)行掠入射分析，可以給出超越傳統(tǒng)定性相分析以外的定量結(jié)構(gòu)信息。

-轉(zhuǎn)載于《布魯克X射線部門》公眾號(hào)