c面GaN材料应力沿c轴分布信息的测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种c面GaN材料应力沿c轴分布信息的测量方法，主要解决现有技术不能用x射线衍射仪获取应力沿c轴分布的信息的问题。其技术步骤是：将c面GaN材料水平放置于x射线衍射仪的载物台；依次对GaN材料中的(0002)晶面和(103)晶面进行对光；以不小于50nm的步长减小x射线透射深度，并在各透射深度下获取(103)晶面的布拉格角；将测得的一组布拉格角代入布拉格方程，得到一组(103)晶面的面间距；根据这一组面间距计算c面GaN材料应力沿c轴分布的信息。本发明测试成本低，对被测材料无损伤，能获取一组应力沿c轴的分布信息，可用来分析c面GaN材料应力沿c轴的分布。
【专利说明】C面GaN材料应力沿C轴分布信息的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微电子【技术领域】，涉及半导体材料结晶质量的测量方法，特别是一种C 面GaN材料应力沿c轴分布信息的测量方法，可用来分析GaN材料应力沿c轴的分布。 技术背景
[0002] 以GaN材料为主要代表的第三代半导体以其宽带隙、高电子迁移率等优点而被广 泛应用于高频、大功率领域。目前，在高质量的GaN单晶材料制备方面依然有很多难题没有 解决，主流的制备方法是采用异质外延，比如在蓝宝石、碳化硅衬底上外延。然而，由于GaN 材料和衬底之间存在晶格失配和热膨胀系数失配，在衬底上外延生长的GaN材料必然会具 有较大的应力。研究应力在材料中的分布对探索应力的形成和释放机理、材料缺陷的形成 和湮灭过程等具有重要意义，而获取应力在材料中的分布信息是进行应力研究的前提。
[0003]目前，可对c面GaN材料的应力进行测量的设备有拉曼散射仪、卢瑟福背散射仪和 高分辨率x射线衍射仪。
[0004] 拉曼散射仪是一种可对C面GaN材料应力沿C轴分布的信息进行测量的设 备，参见 T. Mitani, S. Nakashima, H. Okumura, and A. Ogura. Depth profiling of strain and defects in SiSihGexSi heterostructures by microRaman imaging. Journal of Applied PhysicslOO, 073511 (2006)。这种方法虽然可以直接获取c面GaN材料应力沿c 轴的分布信息，但测量前首先需要对被测材料进行切片，这对被测材料造成的损伤是不可 逆转的。
[0005] 卢瑟福背散射仪可以对c面GaN材料应力沿c轴分布的信息进行无损测量，参 JAL Y. Lu, G. ff. Cong, X. L. Liu, D. C. Lu, et al. Depth distribution of the strain in the GaN layer with low-temperature AIN interlayer on Si (111)substrate studied by Rutherford backscattering/channeling. Applied Physics Letters85, 5562(2004)〇这 种方法虽然对被测材料造成的损伤非常小，但是由于设备价格高昂，使用不广泛，因此该测 量不具有广泛应用价值。
[0006] 高分辨率X射线衍射仪HRXRD是一种对被测材料无损伤的测量设备。传统的采用 HRXRD对c面GaN材料应力进行测量的步骤为：（1)对垂直于c轴的晶面如（0004)晶面做对 称2 0扫描，获取该晶面的面间距，进而计算出沿c轴方向的应变e1 ;(2)对与c轴有 一定夹角的晶面如(；1〇了5)晶面、(2034)晶面做掠入射衍射，获取该晶面的面间距，结合（1) 计算出的e1算出面内应变e〃。[参见许振嘉主编《半导体的检测与分析（第二版）》.] 然而，无论是对称2 0 扫描还是掠入射2 0 扫描，x射线的透射深度都是固定的，因 此这种方法给出的沿C轴方向的应力分量e1和C面面内应力分量e〃仅能近似反映被测 材料在一个固定的X射线透射深度下所受应力的大小，无法给出应力沿C轴的精细分布信 息，不能用来精确分析应力影响材料结晶质量的机理。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种c面GaN材料应力沿c轴分布信息的测量方法，以解 决现有技术不能用x射线衍射仪获取应力沿c轴分布的信息这一问题。
[0008] 实现本发明的技术关键是：在c面GaN材料的晶面组中选择具有较高出光强度、且 晶面倾角略大于其Bragg角的晶面，通过使用三轴晶衍射对该晶面在不同x射线透射深度 下做2 0 扫描，获取应力沿c轴分布的信息。其技术步骤如下：
[0009] (1)将c面GaN材料水平放置于x射线衍射仪的载物台，该载物台设有三个转动 轴，分别为《轴、x轴和小轴，其中，《轴平行于载物台，且垂直于 x射线入射光束与x射 线探测器组成的平面，x轴平行于载物台，且与《轴垂直，小轴垂直于载物台；探测器可 绕与《轴重合的2 0轴旋转；
[0010] ⑵依次对所述GaN材料中的（0002)晶面和(10T3)晶面进行对光；
[0011] (3)同时旋转载物台的《轴、X轴和小轴，使该GaN材料以(10"f3)晶面法线为 轴单方向旋转，并以不小于50nm的步长逐渐减小x射线透射深度，每改变一次透射深度下 就对(1〇了3)晶面进行一次三轴晶2 0 扫描，获取与该透射深度所对应的(10了3)晶面的布 拉格角0。在所有x射线透射深度下都进行扫描后，最后得到一组(10T3)晶面的布拉格角 0 i，i = 1，2,…，N，N表示x射线不同透射深度的个数；
[0012] (4)将测得的一组布拉格角0i代入以下布拉格方程，得到一组(10丁3)晶面的面间 距屯：
【权利要求】
1. 一种c面GaN材料应力沿c轴分布信息的测量方法，包括如下步骤： (1)将c面GaN材料水平放置于X射线衍射仪的载物台，该载物台设有三个转动轴，分 别为《轴、X轴和Cj5轴，其中，《轴平行于载物台，且垂直于X射线入射光束与X射线探 测器组成的平面；X轴平行于载物台，且与《轴垂直；Cj5轴垂直于载物台；探测器可绕与 ?轴重合的2 0轴旋转； ⑵依次对所述GaN材料中的（0002)晶面和(l〇T3)晶面进行对光； ⑶同时旋转载物台的《轴、X轴和小轴，使该GaN材料以(10T3)晶面法线为轴单 方向旋转，并以不小于50nm的步长逐渐减小X射线透射深度，每改变一次透射深度就对 (10T3)晶面进行一次三轴晶2 0 扫描，获取与该透射深度所对应的(10T3)晶面的布拉格 角9 ;在所有X射线透射深度下都进行扫描后，最后得到一组(10T3)晶面的布拉格角0i， i = 1，2,…，N，N表示X射线不同透射深度的个数； (4) 将测得的一组布拉格角Qi代入以下布拉格方程，得到一组(1〇丁3)晶面的面间距 di ：
其中，A为X射线源所发射的X射线的波长，n为衍射级数； (5) 将计算得到的一组面间距Cli代入以下方程组，得到c面GaN材料沿c轴分布的c 面面内应力分量ei〃和c面法线方向上的应力分量
其中，d,为(10了3)晶面的参考面间距,h、k、l为(l〇T3)晶面的米勒指数，V为c面GaN 材料的泊松比，取值为〇. 183。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤⑵所述的对c面GaN材料中的（0002)晶面 进行对光，其步骤如下： (2a)将X射线衍射仪工作模式调为双轴晶衍射模式； (2b)对（0002)晶面做《扫描，得到该晶面的摇摆曲线，然后将载物台《角旋转至该 曲线的衍射峰中心位置，其中《角表示载物台绕《轴相对于载物台初始位置旋转过的角 度； (2c)对（0002)晶面做探测器扫描，得到探测器扫描曲线，然后将探测器2 0角旋转至 该曲线的衍射峰中心位置，其中2 0角表示探测器绕2 0轴相对于探测器初始位置旋转过 的角度； (2d)重复步骤（2b)，再对该（0002)晶面做一次X扫描，得到X扫描曲线，并将载物 台X角旋转至X扫描曲线最高点所在位置，其中X角表示载物台绕X轴相对于载物台 初始位置旋转过的角度； (2e)重复步骤（2b)-(2c)，直到摇摆曲线的峰值不再增大，得到（0002)晶面双轴晶最 佳对光条件，推出《、20和X轴的零点校正角。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤⑵所述的对c面GaN材料中的(10T3)晶面 进行对光，其步骤如下： (3a)将载物台的X角调为X轴零点校正角加32. 0282°，将载物台的《角调为《 轴零点校正角加31. 7639°，将探测器2 0角调为2 0轴零点校正角加63. 5277°，便于 (10T3)晶面衍射出光； (3b)对(10T3)晶面做$扫描，即固定X射线源和X射线探测器，让载物台以$轴为 轴心旋转，得到该晶面的小扫描曲线，然后将载物台旋转至该曲线的衍射峰中心位置； (3c)对(10T3)晶面做《扫描，得到该晶面的摇摆曲线，然后将载物台《角旋转至该曲 线的衍射峰中心位置； (3d)对（10T3)晶面做探测器扫描，得到探测器扫描曲线，然后将探测器2 0角旋转至 该曲线的衍射峰中心位置； (3e)重复步骤（3c)和（3b)，再按顺序重复步骤（3c)、（3d)、（3c)和（3b)，直到摇摆曲 线的峰值不再增大； (3f)将X射线衍射仪工作模式调为三轴晶衍射模式； (3g)重复步骤（3d)，得到(10T3)晶面三轴晶最佳对光条件。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤（3)所述的三轴晶2 0 扫描，其操作是： 在三轴晶衍射模式下，固定X射线源，使载物台绕《轴旋转，同时X射线探测器以两倍于载 物台的旋转速度绕2 0轴旋转，得到2 0-?曲线。
【文档编号】G01N23/207GK104330427SQ201410578564
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月24日 优先权日:2014年10月24日
【发明者】张金风, 聂玉虎, 周勇波, 张进成, 郝跃 申请人:西安电子科技大学