HRXRD 高解析X光繞射分析儀

技術原理

高解析 X 光繞射分析儀(HRXRD)利用 X 光照射晶體材料時所產生的布拉格繞射(Bragg Diffraction)現象,

透過分析繞射角度與強度分布,可獲得材料的晶體結構與結晶特性。

MA-tek 配置 Bruker D8 Discover HRXRD 系統,為多功能高解析 X 光繞射平台。

系統除具備基本的粉末繞射(Powder XRD)低掠角薄膜繞射(GID)分析功能外,

亦搭載 三晶(Triple-Crystal)高解析分析器,可進行單晶薄膜的高精度結晶性分析與化合物組成分析。

此外,系統可進行倒晶格空間映射(Reciprocal Space Mapping, RSM)分析,

用於研究磊晶薄膜的晶格排列與應變狀態,評估磊晶層是否受到壓縮或拉伸。

 

在薄膜材料分析方面,HRXRD 亦可搭配 X 光反射分析(X-ray Reflectivity, XRR)技術,

量測多層或單層薄膜的:

 

  • 薄膜厚度

  • 介面粗糙度

  • 電子密度

 

XRR深度解析度約200nm,是用厚度量測範圍為5-200nm,且表面粗糙度通常需小於 5 nm,即使為非晶質薄膜亦可進行分析。

分析應用
磊晶分析
分析磊晶薄膜與基板之間的晶格排列與成長品質。
RSM (Reciprocal Space Mapping) 分析
透過倒晶格空間分佈分析薄膜的應變、晶格匹配與缺陷。
氧化、腐蝕與薄膜鍍層相鑑定
分析材料表面氧化層、腐蝕產物或鍍層的晶體相。
晶格參數分析
計算晶體單位晶格常數以評估材料結構與應變。
晶體結構與相鑑定
透過繞射圖譜比對資料庫,判斷材料的晶體相與結構。
粉末繞射分析
分析粉末或多晶材料的晶體結構與組成。
低掠角薄膜繞射分析 (GID)
以低角度入射 X 光分析薄膜表面或薄層結構的晶體資訊。
化合物薄膜之濃度分析
透過晶格變化分析化合物薄膜中元素組成比例。
XRR 分析多層薄膜厚度、粗糙度與密度
利用 X 光反射特性量測薄膜厚度、界面粗糙度及材料密度。
晶粒尺寸分析
透過繞射峰寬度分析材料晶粒大小。
結晶性分析
評估材料的結晶品質,判斷材料為單晶、多晶或非晶結構。
三晶高解析繞射分析
利用高解析三晶結構量測單晶薄膜的繞射訊號,可分析晶體品質與應變狀態。
機台種類

Bruker D8 Discover (HRXRD)

 

MA-tek(閎康科技)配置 Bruker D8 Discover 高解析 X 光繞射分析儀(HRXRD),可進行晶體結構、薄膜結晶品質及材料相分析。該系統具備高解析度光學模組與多軸量測平台,適用於半導體磊晶、薄膜材料與晶體結構研究。

D8 Discover 可透過 高解析繞射、低掠角繞射(GID)及倒晶格空間映射(RSM) 等量測模式,分析薄膜與基板之間的晶格關係、應變狀態與結晶品質。此外,系統亦可搭配 X-ray Reflectivity(XRR) 進行薄膜厚度、界面粗糙度與密度量測。

 

系統特色

 

  • 非破壞性量測

  • 可分析12吋的樣品

  • 可在大氣環境下操作

  • 塊材、薄膜或粉末皆可

  • 超薄鍍膜(< 5nm)及二維材料

  • 面內掠角繞射 (In-Plane Grazing Incidence Diffraction, IP-GID)

     

 

應用實例

HRXRD / XRD 分析結果圖

材料在不同繞射角度下的繞射強度分布,分析材料的晶體結構與結晶特性。橫軸為 2θ(2-Theta)繞射角度,代表 X 光與晶體晶面產生繞射時的角度位置;縱軸為 繞射強度(Intensity / Counts),表示該角度下的繞射訊號強度。當 X 光照射到晶體材料時,不同晶面會在特定角度產生繞射峰(diffraction peaks)。圖中標示的 (hkl) 指數(如 (222)、(440) 等)代表對應的晶體晶面方向。透過這些繞射峰的位置與強度,可以判斷材料的晶體結構與相組成。

圖中亦標示 FWHM(Full Width at Half Maximum),即繞射峰的半高寬。FWHM 可用來評估材料的結晶品質與晶粒尺寸,通常峰值越窄代表結晶品質越好、晶粒尺寸越大。此外,圖中標示的 d 值(晶面間距) 則表示對應晶面的晶格間距,可用於分析材料的晶格常數、應變狀態或組成變化。

  • (a) GaN磊晶層厚度與組成分析

  • (b) GaN磊晶層RSM分析

  • (c) SiGe磊晶高解析光譜

  • (d) XRR分析HfOx薄膜厚度、密度與粗糙度

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