Описание установки:
Рентгеновский дифрактометр Panalytical X ’ PERT PRO MRD Extended предназначен для исследования тонких структурных особенностей монокристаллов и гетероэпитаксиальных пленок толщиной от нескольких нанометров до нескольких микрон. Система Prefix позволяет менять первичные монохроматоры без дополнительной юстировки в зависимости от конкретных задач исследований. Рентгеновское зеркало дает монохроматизированный пучок интенсивностью 5 млрд. импульсов в секунду (расходимость 150 ’’ ), что наилучшим образом подходит для исследования несовершенных монокристаллов и поликристаллических образцов. Гибридный монохроматор, состоящий из комбинации в одном блоке рентгеновского зеркала и двухкристального щелевого германиевого монохроматора, дает интенсивность 400 млн. импульсов в секунду с расходимостью 25 ’’ . Оптимальное применение – запись фрагментов областей обратного пространства вблизи выбранного рефлекса и рефлектометрических кривых для определени z толщины эпитаксиальных слоев. Комбинация рентгеновского зеркала и четырехкристального германиевого монохроматора в геометрии Extended дает 26 млн. импульсов в секунду с расходимостью 12 ’’ . Интенсивность монохроматизированного пучка в геометрии Extended возрастает в 18 раз. Для примера, применение трубки с вращающимся анодом в установке Ригаку дает увеличение интенсивности всего в 9 раз. Оптимальное применение – запись кривых качания симметричных и асимметричных рефлексов для определения состава и толщины эпитаксиальных слоев и периода сверхрешеток. Дифрактометр оснащен третьим кристаллом–анализатором для точного определения параметров решетки и записи областей обратного пространства. Процесс записи двумерных картин полностью автоматизирован. Вместе с дифрактометром приобретен пакет программ для анализа кривых качания и двумерных областей обратного пространства.
Дифрактометр позволяет исследовать образцы пятью различными методиками.
- Запись стандартных кривых качания образца и анализатора для определения параметров решетки эпитаксиальных слоев перпендикулярно и параллельно плоскости срастания с подложкой. Используется для определения состава и толщины эпитаксиальных слоев.
- Запись рефлектометрических кривых при малых углах падения рентгеновских лучей на образец. Коэффициент преломления рентгеновских лучей в кристаллах меньше единицы на несколько единиц в шестом десятичном знаке, поэтому наблюдается полное внешнее отражение рентгеновских лучей ниже значения критического угла ( q с = 0.22 ° для Si и q с =0.31 ° для GaAs ). Выше критических значений углов наблюдается система рефлектометрических максимумов, по которой можно определить толщину как самих эпитаксиальных слоев, так и толщину переходных слоев с точностью до 0.1 нм.
- Получение фрагментов области обратного пространства вблизи выбранного рефлекса путем интегрирования от нескольких десятков до сотни и более отдельных кривых качания в двумерную картину в программе Panalytical Epitaxy . Используется для разделения вкладов в уширение рефлексов из-за колебаний в параметрах решетки и из-за разориентации отдельных частей слоев.
- Запись рефлексов в скользящей геометрии дифракции, в которой образец наклоняется на угол y =55 ¸ 85 ° вокруг горизонтальной оси, лежащей в плоскости образца. В сочетании с использованием асимметричных рефлексов это позволяет плавно уменьшать глубину проникновения рентгеновских лучей в образец от нескольких микрон до ста и менее нанометров для выявления слоев с параметром решетки, близким к параметру решетки подложки.
- Получение двумерных картин Х–У сканирования в прямом пространстве для определения радиуса кривизны структуры и выявления локальных нарушенных областей.
Технические характеристики прибора:
| Мощность дифрактометра | 2 kW , режим работы непрерывный |
| Излучение | Cu K a 1, линейный или точечный фокус |
| Охлаждение трубки | Оборотная вода, установка Chilly 35 |
| Защита от излучения | Полная |
| Управление прибором | С помощью компьютера |
| Точность измерения углов | 0.0001 ° по шкалам w и 2 q ; 0.01 ° по осям j и y |
| Точность перемещений | 0.001 мм по оси z ; 0.01 мм по осям X и У |
| Диапазон углов (по шкале w) | -5 ° – 105 ° |
| (по шкале 2 q) | -10 ° – 168 ° |
| (вокруг оси j , перпендикулярной к образцу) | 0 – 360 ° |
| (вокруг оси y в плоскости образца) | -5 ° – 95 ° |
| Анализатор | Щелевой кристалл Ge с тремя отражениями (220) |
| Счетчики импульсов | Пропорциональный с линейным ходом до 1 млн. имп. сек. |
| Автоматический аттеньюатор | Коэффициент ослабления – 140 |
Публикации:
- V.I. Kozlovsky, V.P. Martovitsky . Formation of nonuniformity in ZnSe/ZnMgSSe quantum well structures during MOVPE on GaAs(0 01) misoriented by 101 to (111)A plane. Physica B 404 (2009) 5009–5012 .
- В.С. Багаев, В.С. Кривобок, В.П. Мартовицкий , А.И. Новиков. Распределение германия в слоях Si 1- x Gex ( x <0.1), выращенных на подложке Si (001), в зависимости от их толщины. ЖЭТФ, 136 , 1154–1169 (2009).
X-ray Diffractometer PANalytical XPert PRO
X-ray diffractometer Panalytical X’ PERT PRO MRD Extended is intended for studies of fine structural features of single crystals and hetero-epitaxial films with thickness in the range several nm to several mcm. APrefix system enables replacing first stage monochromators, depending on the tasks, with no additional re-adjustment. The X-ray mirror forms monochromated beam of the 5´109pulses/s intensity (150’’ beam spread), which is best suited for studies of imperfect single crystals and polycrystalline samples. A hybrid monochromator, consisting of a combined in a single block X-ray mirror and bi-crystalline slit germanium monochromator, provides 400´106 pulses/s intensity with beam spread of 25’’. Optional recording of fragments of reciprocal space areas in the vicinity of the selected reflex and reflectometric curves in order to determine z epitaxial layers thickness. A combination of the X-ray mirror and four-crystal germanium monochromator in the “Extended” geometry provides 26mln pulses/s intensity with a beam spread of 12 ’’. The intensity of the monocromotized beam in the “Extended” geometry increases by a factor of 18. For examples, application of the rotating anode tube in the Rigaku diffractometer provides intensity enhancement a factor of 9 only. Optimal application of this feature is rocking curves recording of symmetric and asymmetric reflexes in order to determine composition and thickness of epitaxial layers and superlattices period. The diffractometer is equipped with the 3rd crystal–analyzer for precise measurements of the lattice parameters inverse space areas recording. The process of two-dimensional pictures measurements is fully automated. The diffractometer is equipped with software package for the analysis of rocking curves and two-dimensional reciprocal space areas.
The difractometer enables studying of samples by five various methods.
- Recording of the rocking curves for sample and analyzer in order to determine lattice parameters of epitaxial layers perpendicular and parallel to the substrate plane. The method is used for measurements of the composition and thickness of epitaxial layers.
- Reflectometric curves recording for small angles of incidence of X-rays on the sample. Refraction index of X-rays in crystals is less than unity by a few times in 10-6, therefore full external reflection of X-rays is observed below a critical angle value ( q с= 0.22 ° for Si and q с=0.31 ° for GaAs). Above the critical angle values, a system of reflectometric maxima is observed, which enables to determine the thickness of epitaxial layers, and intermediate layers with 0.1nm accuracy.
- Fragments of the reciprocal space area in the vicinity of the selected reflex by integrating from several tens to hundreds of rocking curves into an overall two-dimensional picture, within the Panalytical Epitaxy program. It is used to disentangle contributions to the reflexes broadening from lattice parameters variations and from misorientation of some of its layers.
- Reflexes recording in the diffraction sliding geometry, where the sample is tilted by a y =55 ¸ 85 ° angle around horizontal axes, lying in the sample plane. In combination with asymmetric reflexes this enables to decrease smoothly the X-ray penetration depth into the sample from several microns to hundred and less nanometers for detection of the layers with lattice parameter, close to that for the substrate.
- Two-dimensional X–Y plots scanning in the real space for determining the structures curvature radius and for revealing local imperfect areas.
Technical parameters.
| Diffractometer power | 2 kW , continuous operation mode |
| X-ray | Cu K a 1, linear or point-like focus |
| Tube cooling | Circulating water, Chilly 35 |
| Radiation protection | full |
| Control | By PC |
| Angles measurement precision | 0.0001 ° on the w and 2q scales; 0.01 ° on the j and y axis |
| Displacement precision | 0.001mm on the z axes; 0.01mm on the X and У axis |
| Angle range | -5 ° – 105 ° on the w scale -10 ° – 168 ° on the 2 q scale 0 – 360 ° around j axes, perpendicular to the sample -5 ° – 95 ° around y axes in the sample plane |
| Analyzer | Slit Ge-crystal with three reflections (220) |
| Pulse counters | Proportional with linear characteristic up to 1mln.pulses/s |
| Automatic attenuator | attenuation – 140dB |
References:
1. V.I. Kozlovsky, V.P. Martovitsky . Formation of nonuniformity in ZnSe/ZnMgSSe quantum well structures during MOVPE on GaAs(0 01) misoriented by 101 to (111)A plane. Physica B 404 (2009) 5009–5012 .
2. V.S. Bagaev, V.S. Krivobok, V.P. Martovitsky, A.I. Novikov. Germanium distribution in Si 1- x Gex ( x <0.1) layers, grown on Si (001) substrate, as a function of their thickness. ZhETF, 136 , 1154–1169 (2009).