рентгеновская топография

рентге́новская топогра́фия

исследует дефекты в строении почти совершенных кристаллов (см. Дефекты в кристаллах) путём изучения дифракции на них рентгеновских лучей.

* * *

РЕНТГЕНОВСКАЯ ТОПОГРАФИЯ

РЕНТГЕ́НОВСКАЯ ТОПОГРА́ФИЯ, совокупность методов получения изображений дефектов (см. ДЕФЕКТЫ) в кристаллах (см. КРИСТАЛЛЫ) при помощи дифракции рентгеновских лучей (см. ДИФРАКЦИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ). Это наиболее распространенный и наиболее известный неразрушающий метод для исследования и контроля реальной структуры материала. Благодаря высокой чувствительности к несовершенствам кристаллической решетки, этот метод дает возможность исследования больших по толщине (до 10 мм) и по площади (до10³мм²) непрозрачных для оптического диапазона длин волн монокристаллов и изделий из них. Чувствительность методов рентгеновской топографии к наличию дефектов решетки кристалла связана с локальной деформацией решетки в месте расположения дефекта: изменением межплоскостного расстояния, например, в случае наличия крупного преципитата (фаза, в которой выделяются примесные атомы, в случае превышения уровня растворимости в веществе при данной температуре) или локальной разориентировкой отражающих плоскостей. Отражение луча, падающего в искаженную область кристалла, отличается от отражения луча в совершенных участках кристалла, находящихся в отражающем положении по отношению к падающему лучу.
В числе возможностей рентгеновской топографии — определение типа и пространственного распределения дислокаций (см. ДИСЛОКАЦИИ) в объеме кристалла по трансмиссионным топограммам, получаемым с двух взаимно перпендикулярных проекций. Наряду с дислокациями можно наблюдать дефекты упаковки, двойниковые (см. ДВОЙНИКИ) границы, слои роста, обусловленные неоднородным распределением примесей в процессе выращивания кристалла, скопления точечных дефектов. Анализ погасаний контраста при отражении от плоскостей разных типов дает возможность устанавливать характер искажений кристаллической решетки. Методами рентгеновской топографии можно изучать не только монокристаллы, но и изделия из них, например, монокристаллы с нанесенной на них топологией микросхемы на разных стадиях технологического процесса.
Во всех известных методах рентгеновской топографии рентгеновский пучок, излучаемый источников, направляют на кристалл так, чтобы для всего кристалла или его части выполнялось условие Вульфа-Брэгга (см. БРЭГГА-ВУЛЬФА УСЛОВИЕ). Возникающие при этом дифрагированные пучки (иногда и прошедший пучок) регистрируются на фотопластинку (так называемая рентгеновская топограмма).
Наиболее распространены проекционная топография Ланга и метод Берга-Барета (метод обратного отражения). Во всех случаях исследуемый кристалл выставляют в положение дифракционного отражения рентгеновских лучей от определенной системы атомных плоскостей, а на фотопластинке или фотобумаге регистрируется след анализируемого дифрагированного рентгеновского пучка, увеличенный обычным оптическим путем. Регистрируются только дифрагированные лучи, остальные отсекаются.
Для получения изображения целого кристалла при высоком пространственном разрешении в проекционной топографии Ланга кристалл и пленка совершают одновременно возвратно-поступательное перемещение поперек рентгеновского луча. В этом случае фотопластинка должна располагаться как можно ближе к образцу. Контраст в месте нахождения дефекта определяется тем, что лучи, рассеянные под брэгговским углом искаженной областью вокруг дефекта, более интенсивны, чем рассеянные в том же направлении окружающим неискаженным объемом. При методе Лауэ отражающая плоскость находится под большим углом или почти перпендикулярна поверхности кристалла.
Метод Берга-Барета — это когда отражающая плоскость близка к поверхности кристалла.
Топограмма фактически является проекцией на пленку, экран или регистрирующую бумагу изображения дефектов поверхности и объема, причем в ряде случаев можно судить о положении дефектов в объеме образца, кроме того, имеются специальные приемы, помогающие определять это положение, например, метод ограниченных проекций поверхности кристалла.
Все методы рентгеновской топографии дают изображение в масштабе, равном или близком 1 : 1, увеличение получается только оптическими методами. Методы рентгеновской топографии применимы для исследования кристаллов с относительно низкой плотностью дефектов: это плотность зависит от применяемой схемы и лимитируется разрешением, например для съемки по методу Ланга плотность дислокаций не должна превышать 10⁴ — 10⁵ см^-1. Преимущество методов — возможность изучать структуру непрозрачных для видимого света кристаллов и высокая чувствительность, позволяющая регистрировать относительные изменения параметра решетки до 10^-6 и углы поворота решетки 0,1 угл.сек. Рентгеновская дифракционная микроскопия существенно уступает просвечивающей электронной микроскопии в разрешении, но является неразрушающим методом исследования и контроля. И применима для изучения относительно толстых (толщиной порядка 1 мм в методе Ланга до нескольких см в методе Бормана) кристаллов, что позволяет избежать изменения структуры кристалла в процессе приготовления тонкого электронно-микроскопического образца. Основная область применения – исследование и контроль качества высокосовершенных полупроводников и изделий из них. В последнее время топографические методы стали широко применяться для исследования доменной структуры ферромагнетиков (см. ФЕРРОМАГНЕТИК) и сегнетоэлектриков (см. СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ).
Основные недостатки рентгеновской топографии — относительно низкое разрешение, составляющее величину порядка 1—5 мкм и большая продолжительность съемки: в зависимости от метода исследования, параметров аппаратуры и характеристик образца оно может составлять от нескольких до сотен часов. Повысить экспрессность методов можно двумя путями — повышением мощности источников рентгеновского излучения или использованием высокочувствительных устройств регистрации изображения и его непосредственно визуализации.