Trois

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12381 (2023) Citer cet article

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La topographie aux rayons X est une méthode puissante pour analyser de manière non destructive les défauts cristallins et les déformations des matériaux cristallins. Cependant, la topographie conventionnelle aux rayons X utilise de simples images de diffraction des rayons X, ce qui signifie qu'il est impossible d'obtenir des informations sur la profondeur des défauts et des luxations. Nous avons donc développé une nouvelle technique de topographie par micro-rayons X tridimensionnelle (3D μ-XRT) qui combine la topographie de coupe de Bragg avec des rayons X focalisés en forme de feuille. La résolution en profondeur du μ-XRT 3D dépend principalement de la taille du faisceau de rayons X focalisé et permet une observation non destructive des défauts internes et des luxations avec une précision de l’ordre de 1 μm. L'observation démonstrative de puces de dispositifs d'alimentation SiC a montré que les défauts d'empilement, les vis filetées, les bords de filetage et les luxations du plan basal étaient clairement visualisés en trois dimensions avec une précision de profondeur de 1,3 μm. 3D μ-XRT est une nouvelle approche prometteuse pour l’analyse hautement sensible et non destructive de la cristallinité des matériaux de manière tridimensionnelle.

La topographie aux rayons X a été largement utilisée pour l'analyse non destructive et très sensible des distorsions, dislocations et défauts des cristaux dans les matériaux cristallins tels que les plaquettes, les lingots et les dispositifs semi-conducteurs. Cependant, les informations sur la profondeur ne peuvent pas être obtenues car les informations sur la cristallinité sont généralement obtenues à partir de la distribution d'intensité bidimensionnelle (topogramme) de la diffraction des rayons X réfléchis ou transmis. Par conséquent, l’analyse tridimensionnelle des défauts et distorsions cristallins ne peut généralement pas être effectuée, et il est impossible de déterminer si un défaut cristallin se trouve près de la surface ou profondément dans le matériau. Bien que des observations stéréographiques aient été réalisées et que des défauts 3D au sein des cristaux aient été obtenus1, 2, il n'est pas encore possible d'identifier sa profondeur à l'ordre du micron. Par conséquent, une analyse approfondie des défauts d’empilement dans la couche épitaxiale, qui provoquent la dégradation des dispositifs de puissance à semi-conducteurs, ne peut pas être réalisée. La topographie de coupe, la topo-tomographie et la microtopographie à balayage utilisant un microfaisceau de rayons X focalisé ont été développées pour la caractérisation tridimensionnelle des matériaux cristallins. La topographie de coupe3, 4 obtient un topogramme tridimensionnel en empilant plusieurs topogrammes obtenus à l'aide de rayons X en forme de feuille en balayant l'échantillon. Il a été utilisé pour visualiser la structure tridimensionnelle des défauts dans le col d’un lingot de cristal5, entre autres applications. Cependant, la résolution spatiale dépend principalement de la hauteur de la feuille du faisceau de rayons X et est limitée à l'ordre inférieur au millimètre. Une technique de microtopographie récemment proposée, appelée microscopie à rayons X en fond noir (DFXM), qui utilise des rayons X focalisés en forme de feuille, permettrait d'obtenir une carte de distorsion tridimensionnelle détaillée dans un bloc d'aluminium en vrac6. Cependant, le champ de vision était limité à 100 µm par la lentille d'imagerie à rayons X et les observations n'étaient effectuées que dans la géométrie de transmission (cas Laue). Par conséquent, un temps de mesure long est nécessaire pour observer par balayage un dispositif de puissance entier de plusieurs millimètres carrés.

La méthode de topo-tomographie7 est similaire à la tomodensitométrie aux rayons X dans la mesure où l'échantillon est soumis à une rotation et la distribution tridimensionnelle est calculée à partir du topogramme obtenu à chaque angle de rotation. Il a été combiné avec un rayonnement synchrotron (SR) blanc pour effectuer une observation tridimensionnelle des propagations de dislocations au début de la croissance des cristaux de silicium de Czochralski8. Cependant, la résolution spatiale est principalement déterminée par l'imageur à rayons X et la distance entre l'échantillon et l'imageur à rayons X (distance de travail (WD)), comme dans le cas du micro-CT à rayons X à géométrie de faisceau parallèle, et mesure environ 10 μm au minimum. De plus, la géométrie de transmission est généralement utilisée pour l’évaluation de matériaux en vrac et ne convient pas à l’observation de la surface d’échantillons plats tels que les dispositifs semi-conducteurs car les informations globales sont mélangées. Pour surmonter ce problème, une méthode intégrant la laminographie a été développée pour des échantillons planaires et a été utilisée avec succès pour visualiser les boucles de dislocation9 et la formation de bandes glissantes lors de dommages mécaniques antérieurs10 dans des tranches de silicium. Cependant, la résolution spatiale reste à 3 µm.