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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12381 (2023) Citare questo articolo

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La topografia a raggi X è un metodo potente per analizzare i difetti cristallini e la deformazione nei materiali cristallini in modo non distruttivo. Tuttavia, la topografia convenzionale a raggi X utilizza semplici immagini di diffrazione dei raggi X, il che significa che non è possibile ottenere informazioni di profondità su difetti e dislocazioni. Abbiamo quindi sviluppato una nuova tecnica di topografia tridimensionale a raggi X (3D μ-XRT) che combina la topografia della sezione del caso di Bragg con i raggi X focalizzati a forma di foglio. La risoluzione della profondità del μ-XRT 3D dipende principalmente dalla dimensione del fascio di raggi X focalizzato e consente l'osservazione non distruttiva di difetti interni e dislocazioni con una precisione dell'ordine di 1 μm. L'osservazione dimostrativa dei chip dei dispositivi di potenza SiC ha mostrato che i difetti di impilamento, la vite filettata, il bordo filettato e le dislocazioni del piano basale erano chiaramente visualizzati tridimensionalmente con una precisione di profondità di 1,3 μm. 3D μ-XRT è un nuovo approccio promettente per l'analisi altamente sensibile e non distruttiva della cristallinità dei materiali in modo tridimensionale.

La topografia a raggi X è stata ampiamente utilizzata per l'analisi non distruttiva e altamente sensibile di distorsioni, dislocazioni e difetti dei cristalli in materiali cristallini come wafer, lingotti e dispositivi a semiconduttore. Tuttavia, le informazioni sulla profondità non possono essere ottenute perché le informazioni sulla cristallinità sono generalmente ottenute dalla distribuzione dell'intensità bidimensionale (topogramma) della diffrazione dei raggi X riflessi o trasmessi. Pertanto, l'analisi tridimensionale dei difetti e delle distorsioni dei cristalli non può essere eseguita in generale ed è impossibile determinare se un difetto del cristallo si trova vicino alla superficie o in profondità all'interno del materiale. Sebbene siano state effettuate osservazioni stereografiche e siano stati ottenuti difetti 3D all'interno dei cristalli1, 2, non è ancora stato possibile identificarne la profondità nell'ordine dei micron. Pertanto, non è possibile eseguire un'analisi approfondita dei difetti di impilamento nello strato epitassiale, che causano il degrado dei dispositivi di potenza a semiconduttore. Per la caratterizzazione tridimensionale dei materiali cristallini sono state sviluppate la topografia in sezione, la topotomografia e la microtopografia a scansione utilizzando un microfascio di raggi X focalizzato. La sezione topografia3, 4 ottiene un topogramma tridimensionale impilando più topogrammi ottenuti utilizzando raggi X a forma di foglio mediante scansione del campione. È stato utilizzato per visualizzare la struttura tridimensionale dei difetti nel collo di un lingotto di cristallo5, insieme ad altre applicazioni. Tuttavia, la risoluzione spaziale dipende principalmente dall'altezza del foglio del fascio di raggi X ed è limitata all'ordine inferiore al mm. Una tecnica di micro-topografia recentemente proposta chiamata microscopia a raggi X in campo oscuro (DFXM) che utilizza raggi X focalizzati a forma di foglio è stata segnalata per ottenere una mappa di distorsione tridimensionale dettagliata in un blocco di alluminio sfuso6. Tuttavia, il campo visivo era limitato a 100 μm dalla lente a raggi X per l'imaging e le osservazioni sono state effettuate solo nella geometria di trasmissione (caso Laue). Pertanto, è necessario un lungo tempo di misurazione per osservare mediante scansione un intero dispositivo di potenza di diversi mm quadrati.

Il metodo della topotomografia7 è simile alla tomografia computerizzata a raggi X in quanto il campione viene ruotato e la distribuzione tridimensionale viene calcolata dal topogramma ottenuto ad ogni angolo di rotazione. È stato combinato con la radiazione bianca di sincrotrone (SR) per eseguire l'osservazione tridimensionale della propagazione delle dislocazioni nella fase iniziale della crescita dei cristalli di silicio Czochralski8. Tuttavia, la risoluzione spaziale è determinata principalmente dall'imager a raggi X e dalla distanza tra il campione e l'imager a raggi X (distanza di lavoro (WD)), come nel caso della micro-TC a raggi X con geometria del fascio parallelo, ed è di circa 10 μm come minimo. Inoltre, la geometria di trasmissione viene generalmente utilizzata per la valutazione del materiale sfuso e non è adatta per l'osservazione della superficie di campioni piatti come i dispositivi a semiconduttore perché le informazioni complessive sono miste. Per superare questo problema, è stato sviluppato un metodo che incorpora la laminografia per campioni planari ed è stato utilizzato con successo per visualizzare anelli di dislocazione9 e formazione di bande di scorrimento in corrispondenza di un precedente danno meccanico10 nei wafer di silicio. Tuttavia, la risoluzione spaziale rimane a 3 μm.