基于Omega掃描全自動晶體定向儀原理
單晶的生長和應(yīng)用需要確定其相對于材料外表面或其它幾何特征的晶格取向。目前主要采用的定向方法是X射線衍射法，測量一次只能獲取一個晶格的平面取向，測量出所有完整的晶格取向需要進行反復(fù)多次測量，通常是進行手動處理，而完成這個過程至少需要幾分鐘甚至數(shù)十分鐘。
德國Freiberg Instrments公司（原德國EFG公司）的全自動晶體定向儀采用先進omega掃描方法進行掃描測試，Omega全自動晶體定向儀可以在很短的時間內(nèi)，通過一次測量獲取晶體的全部晶格數(shù)據(jù)[1-4]。因此，omega全自動晶體定向儀特別適合于系列研究和工業(yè)應(yīng)用。
Omega掃描技術(shù)發(fā)展歷程：1989年，博世委托德國EFG公司開發(fā)一種快速高效的方法來測量石英振蕩器芯片的晶體取向。博世公司的石英晶體產(chǎn)量因為這個設(shè)備從50％上升到了95％，博世和競爭對手購買了許多這套系統(tǒng)，EFG針對不同材料類型開發(fā)了更多適用于其他材料的系統(tǒng)這款獨特的測量過程稱為Omega掃描，基本產(chǎn)品稱為Omega / Theta XRD，最高晶體取向定向精度可達0.001°。
目前該技術(shù)在歐盟銀行等機構(gòu)經(jīng)費支持下進行單晶高溫合金如渦輪葉片等、半導(dǎo)體晶圓如碳化硅晶圓、氮化鎵晶圓、氧化鎵晶圓等多種材料研發(fā)。
Omega掃描方法的原理如圖1所示。在測量過程中，晶體以恒定速度圍繞轉(zhuǎn)盤中心的旋轉(zhuǎn)軸，即系統(tǒng)的參考軸旋轉(zhuǎn)，X射線管和帶有面罩的數(shù)據(jù)探測器處于固定位置不動。X射線光束傾斜著照射至樣品，經(jīng)過晶體晶格反射后探測器進行數(shù)據(jù)采集，在垂直于旋轉(zhuǎn)軸（ω圓）的平面內(nèi)測量反射的角位置。選擇相應(yīng)的主光束入射角，并且檢測器前面的面罩進行篩選定位，從而獲得在足夠數(shù)量的晶格平面上的反射，進而可以評估晶格所有數(shù)據(jù)。整過過程必須至少測量兩個晶格平面上的反射。對于對稱軸接近旋轉(zhuǎn)軸的晶體取向，記錄對稱等值反射的響應(yīng)數(shù)（圖2），整個測量僅需幾秒鐘。
利用反射的角度位置，計算晶體的取向，例如，通過與晶體坐標系有關(guān)的極坐標來表示。此外，omega圓上任何晶格方向投影的方位角都可以通過測量得到。
具有主要已知取向的晶體可以用固定的排列方式進行布置，但偏離它的范圍一般是在幾度，有時偏差會達到十幾度。在特殊情況下（立方晶體），它也適用于任意取向。
常規(guī)晶格的方向是和轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸保持一致，獲得晶體表面參考的一種可能性是將其精確地放置在調(diào)整好旋轉(zhuǎn)軸的測量臺上，并將測量裝置安裝在測量臺下面。如果要研究大晶體，或者要根據(jù)測量結(jié)果進行調(diào)整，就把晶體放置在轉(zhuǎn)臺上。上表面的角度關(guān)系可以通過附加的光學(xué)工具獲取。方位角基準也可以通過光學(xué)或機械工具來實現(xiàn)。
基于Omega掃描全自動晶體定向儀應(yīng)用
如果只測量一個或幾個主要方向的材料，則可以使用所描述的簡單類型的排列方式，對于每個不同類型的反射都有對應(yīng)的合適的面罩。有時，為了擴大接收角范圍，可以使用兩個探測器。
為了更廣泛的應(yīng)用，該裝置配備有X射線管和探測器系統(tǒng)的設(shè)置能力。
圖3是用于研究放置在測量臺上的表面均勻的晶體的桌面衍射儀。它的射線和檢測裝置安裝在設(shè)備下方，可以應(yīng)用于大量的晶體種類和取向。可調(diào)止動器允許測量方位角，例如晶片的平面或凹口。
圖3 桌面型全自動晶體取向定向儀
圖4另一種類型的裝置，可以用于測量更大的晶體，并且可以配備有用于任何形狀和錠的晶體束的調(diào)節(jié)裝置，用于測量渦輪葉片、碳化硅晶圓藍寶石晶圓等數(shù)百種晶體材料。為了能夠測量不同的材料和取向，X射線管和檢測器可以使用相應(yīng)的圓圈來移動。這也允許常規(guī)衍射測量。因此，Omega掃描測量可以與搖擺曲線掃描相結(jié)合，用于評估晶體質(zhì)量。而且初級光束準直器配備有Ge切割晶體準直器，這兩種模式都可以快速便捷地交換使用。
這種類型的衍射儀還可以配備一個X-Y平臺，用于在轉(zhuǎn)臺上進行3Dmapping繪圖。它可以應(yīng)用于整體晶體取向確定以及搖擺曲線mapping測量。
另外，針對碳化硅SiC、*化鎵GaAs等晶圓生產(chǎn)線，可搭配堆疊裝置，一次性同時定位12塊鑄錠，大幅度提高晶圓生產(chǎn)效率和減小晶圓生產(chǎn)批次誤差。
參考文獻
1. P. Nestler, H.-J. Kuhr, G. Hildebrandt and H. Bradaczek, Meas. Sci. Technol. 2, 528-531 (1991).
2. G. Hildebrandt and H. Bradaczek, J. Optoelectr. Mater. 6, 5-21 (2004).
3. H. Berger, Cryst. Res. Technol. 37, 716-726 (2002).
4. H. Berger, H.-A. Bradaczek and H. Bradaczek, J. Mater. Sci: Mater. Electr. 219, 351-355 (2008).
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