반도체 분석장비) X-ray Diffraction XRD (구조적 특성 분석 장비)

XRD는 SEM 장비와 동일하게 구조적 특성을 측정하는 장비입니다.

SEM 장비는 sample의 표면을 관찰하는 장비입니다.
XRD 장비는 결정성, 두께, 조성, strain, defect 등을 측정하는 장비입니다.

이번 포스팅에서는 실제 측정값을 면간거리, 결정격자상수, 조성을 차례대로 구할 예정입니다.

X-ray Diffraction(XRD)

X-Ray의 회절 현상을 이용하여 물질의 내부구조를 측정하는 기구를 X-Ray Diffraction, XRD라고 합니다.


- X-Ray
전자를 전압으로 가속시켜 물체에 충돌시킬 때, 투과력이 강한 복사선(전자기파)이 방출됩니다. 이 복사선을 X-Ray라고 합니다. 발생되는 X-Ray 중 Characteristic X-ray를 이용하지요.

Characteristic X-ray는 가속된 전자가 물체와 충돌하여 외각의 전자가 내각의 전자를 채울 때 에너지 준위 차이만큼 X-Ray가 나오는데, 이를 말합니다.


- 회절 현상
회절은 대표적인 파동 현상 중에 하나입니다.
파동이 장애물이나 좁은 틈을 통과할 때, 파동이 그 뒤편까지 전파하는 현상입니다.
결정은 일정한 간격으로 규칙적인 배열을 하고 있기 때문에, 회절 현상이 일어날 시 결정 구조를 쉽게 파악할 수 있습니다.

XRD는 Bragg's law에 따라 d, 면간거리를 측정할 수 있습니다.

XRD는 세 가지의 측정 방법이 있습니다.

XRC : X-Ray Rocking Curve의 약자로 X-ray가 시료에 입사될 때 입사각의 변화에 대한 회절 X-ray intensity의 변화로 시료의 결정성을 분석해주는 방법입니다.

XRC

ω-2θ : Powder scan으로 모르는 어떤 시료에 X-ray가 입사될 때 입사각의 변화에 대한 회절 peak의 위치로 시료 종류, 두께 분석, 조성을 분석해주는 방법입니다.
오늘은 투세타 분석 방법에 대해서 공부할 예정입니다.

 

XRR : X-Ray reflectivity의 약자로 X-ray가 시료에 입사될 때 서로 다른 얇은 박막 사이의 굴절률 차이를 이용하여, fringe의 변화에 따른 박막의 두께를 분석하는 방법입니다.

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실험 결과

HEMT 소자의 XRD 결과를 보며, 설명해 드리겠습니다.

XRD의 Peak이 4개로 나온 것을 통해, 실습하였던 HEMT 소자는 4가지 소재로 구성되어 있음을 확인할 수 있습니다.

	X(degree)	Y(Intensity)
1 peak	17.2714	359842
2 peak	17.4734	642
3 peak	17.7704	288514
4 peak	17.9924	736

 

1 peak는 GaN, 2 peak는 AlGaN, 3 peak는 SiC, 4 peak는 AlN입니다.
Bragg’s law를 이용하여 면간 거리 값을 구하고, 이 주어진 면간 거리를 통해 c면에서의 결정격자상수를 구하고, 이 식을 Vegard’s law를 이용해 조성을 구합니다.

먼저, SiC peak의 이론값인 17.799와 측정값인 17.7704의 차이는 0.0286 입니다.
차이가 나는 이유는 Compression에 의해서입니다. 이를 모든 peak에 보정합니다.

	X(degree
1 peak	17.3
2 peak	17.502
3 peak	17.799
4 peak	18.021

Bragg’s law를 이용하여 AlGaN의 면간 거리 값을 구합니다.

 

위와 같은 방법을 통해 GaN, AlN의 면간 거리를 구하면, GaN의 d는 2.59A, AlN의 d는 2.49A 값이 나옵니다.