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Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12381(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

X선 토포그래피는 결정질 재료의 결정 결함과 변형을 비파괴적으로 분석하는 강력한 방법입니다. 그러나 기존의 X선 토포그래피는 단순 X선 회절 이미지를 사용하므로 결함 및 전위에 대한 깊이 정보를 얻을 수 없습니다. 이를 위해 우리는 브래그 케이스 단면 지형과 집속된 시트 모양 X선을 결합한 새로운 3차원 마이크로 X선 지형 기술(3D μ-XRT)을 개발했습니다. 3D μ-XRT의 깊이 분해능은 주로 초점이 맞춰진 X선 빔 크기에 따라 달라지며 1μm 정도의 정확도로 내부 결함과 전위를 비파괴적으로 관찰할 수 있습니다. SiC 전력 장치 칩의 실증적 관찰을 통해 적층 결함, 나사산 나사, 나사산 가장자리 및 기저 평면 전위가 1.3μm의 깊이 정확도로 3차원으로 명확하게 시각화되었음을 보여주었습니다. 3D μ-XRT는 3차원 방식으로 재료 결정성을 매우 민감하고 비파괴적으로 분석하기 위한 유망한 새로운 접근 방식입니다.

X선 토포그래피는 웨이퍼, 잉곳, 반도체 장치와 같은 결정질 재료의 결정 왜곡, 전위 및 결함에 대한 비파괴적이고 고감도 분석에 널리 활용되어 왔습니다. 그러나 결정성 정보는 일반적으로 반사 또는 투과 X선 회절의 2차원 강도 분포(토포그램)에서 얻어지기 때문에 깊이 정보를 얻을 수 없습니다. 따라서 일반적으로 결정 결함 및 변형에 대한 3차원 분석을 수행할 수 없으며, 결정 결함이 표면 근처에 있는지, 재료 내부에 있는지 여부를 판단하는 것도 불가능합니다. 입체 관찰이 수행되고 결정 내의 3D 결함이 얻어졌지만 1, 2 마이크론 단위로 깊이를 식별하는 것은 아직 불가능합니다. 따라서 반도체 전력소자의 열화를 초래하는 에피택셜 층의 적층 결함에 대한 심도 있는 분석을 수행할 수 없다. 결정질 물질의 3차원 특성화를 위해 단면 지형, 지형 단층 촬영 및 집속 X선 마이크로빔을 사용한 주사 미세 지형이 개발되었습니다. 단면 지형3, 4는 샘플을 스캔하여 시트 형태의 X선을 사용하여 얻은 지형을 여러 개 쌓아서 3차원 지형을 얻습니다. 이는 다른 응용 분야와 함께 결정 잉곳5의 목에 있는 결함의 3차원 구조를 시각화하는 데 사용되었습니다. 그러나 공간 해상도는 주로 X선 빔의 시트 높이에 따라 달라지며 mm 미만 수준으로 제한됩니다. 집속된 시트 모양 X선을 활용하는 암시야 X선 현미경(DFXM)이라는 최근 제안된 미세 지형 기술은 벌크 알루미늄 블록6에서 상세한 3차원 왜곡 맵을 얻는 것으로 보고되었습니다. 그러나 이미징 X선 렌즈에 의해 시야가 100μm로 제한되었으며 투과 기하학(Laue-case)에서만 관찰이 이루어졌습니다. 따라서 수 mm 평방의 전력소자 전체를 스캐닝으로 관찰하려면 긴 측정 시간이 필요하다.

지형 단층 촬영법7은 시료를 회전시키고 각 회전 각도에서 얻은 지형도로부터 3차원 분포를 계산한다는 점에서 X선 ​​컴퓨터 단층 촬영과 유사합니다. 백색 싱크로트론 방사선(SR)과 결합하여 초크랄스키 실리콘 결정 성장의 초기 단계에서 전위 전파를 3차원적으로 관찰할 수 있습니다8. 그러나 공간 분해능은 주로 X선 영상장치와 시료와 X선 영상장치 사이의 거리(작업 거리(WD))에 의해 결정되는데, 평행빔 형상을 갖는 X선 마이크로CT의 경우, 최소 약 10μm입니다. 또한 투과 기하학은 일반적으로 벌크 재료 평가에 사용되며 벌크 정보가 혼합되어 있기 때문에 반도체 장치와 같은 평평한 샘플의 표면 관찰에는 적합하지 않습니다. 이 문제를 극복하기 위해 평면 샘플을 위해 라미노그래피를 통합한 방법이 개발되었으며 실리콘 웨이퍼의 이전 기계적 손상에서 전위 루프9 및 슬립 밴드 형성을 시각화하는 데 성공적으로 활용되었습니다. 그러나 공간 분해능은 3μm로 유지됩니다.