X射線衍射（XRD）是一種強大的分析技術，通過研究X射線與晶體材料相互作用的衍射模式，揭示材料的原子結構。自1912年Max von Laue發現X射線可被晶體衍射以來，這一技術在材料科學中發揮了關鍵作用，尤其是在半導體行業。半導體是現代電子設備（如計算機、智能手機和LED）的核心，其性能高度依賴于晶體結構的精確控制。XRD在半導體制造中用于表征材料結構、檢測缺陷和優化工藝，是確保器件性能和可靠性的重要工具。
XRD基于X射線與晶體材料相互作用的衍射現象。當X射線照射到晶體上時，會根據晶格平面間距發生衍射，形成的衍射模式。這種現象由Bragg定律描述：
2dsinθ=nλ
其中，d是原子平面間距，θ是入射角，n是整數，λ是X射線的波長。這一定律是理解和解釋衍射模式的基礎。
XRD的歷史始于1912年Max von Laue的發現，隨后William Henry Bragg和William Lawrence Bragg父子提出了Bragg定律，并因其在X射線晶體學中的貢獻于1915年獲得諾貝爾物理學獎。在實際操作中，樣品置于X射線衍射儀中，X射線束照射樣品，衍射的X射線被檢測器捕獲，其強度隨散射角變化形成衍射圖。這種圖譜包含對應于不同晶面平面的峰值，揭示材料的晶體結構。
XRD的典型應用包括識別未知材料、確定晶體結構、測量晶粒大小和形狀、分析晶粒的優先取向（紋理）以及量化樣品中不同相的含量。在半導體行業，XRD特別用于表征電子器件中使用的材料，確保晶體結構的精確控制。
XRD測量通常需要以下組件：
X射線源：通常使用銅靶，產生波長為1.54 Å的X射線。
單色器：過濾X射線束，確保其單色性。
準直器：引導X射線束朝向樣品。
樣品夾持器：固定樣品并允許旋轉以滿足Bragg定律。
檢測器：測量衍射X射線的強度。
衍射儀可設置不同幾何形狀，如θ/2θ掃描，其中樣品以角度θ旋轉，檢測器以2θ旋轉，滿足Bragg定律。
半導體中晶體結構的重要性：
半導體材料是現代電子設備的基礎，其導電性能在導體和絕緣體之間，依賴于晶體結構。晶體結構決定以下關鍵屬性：
帶隙：價帶和導帶之間的能量差，決定材料是導體、絕緣體還是半導體。
載流子遷移率：電子和空穴在晶格中的移動能力，影響電子器件的速度和效率。
光學性質：材料與光相互作用的方式，對光電器件如LED和太陽能電池至關重要。
常見的半導體材料包括硅（Si）、鍺（Ge）和化合物如砷化鎵（GaAs），它們具有特定的晶體結構：
硅和鍺具有鉆石立方結構，每個原子以四面體排列與四個鄰居鍵合。
GaAs具有閃鋅礦結構，類似于鉆石結構，但由兩種不同原子交替組成。
任何偏離晶體結構的缺陷或雜質都會顯著改變這些性質。例如：
點缺陷：空位或間隙原子可能作為載流子陷阱，影響器件性能。
位錯：提供電流泄漏路徑或改變材料力學性質。
晶粒邊界：在多晶材料中影響電導率。
因此，表征晶體結構對于確保半導體器件的質量和性能至關重要。
在半導體行業，XRD在器件制造的不同階段用于表征材料。
晶格參數：通過衍射峰位置確定原子間距，了解材料的物理性質，如熱膨脹系數或彈性常數。
識別晶體缺陷：衍射峰的寬度和形狀提供缺陷存在和密度的信息，較寬的峰表示晶粒較小或缺陷密度較高。
測量取向：晶體的取向對許多器件至關重要，不同晶向可能具有不同的電學或光學性質。例如，硅的（100）取向常用于CMOS器件，因其對晶體管性能有利。
確定厚度：薄膜的衍射圖顯示稱為Kiessig條紋的干涉條紋，條紋間距與膜厚成反比。這對控制柵極介質的厚度尤為重要，小的厚度變化會影響器件性能。
測量應變：在外延層中，通過比較平面內和平面外晶格參數確定應變。壓縮或拉伸應變可通過應變硅技術工程化，以提高晶體管載流子遷移率。
組成分析：對于合金薄膜如SiGe或AlGaAs，晶格參數是合金組成函數。通過測量晶格參數，可確定組成，這對調整帶隙和其他性質至關重要。
監測工藝步驟：如退火可能導致晶體結構變化，如重結晶或相變。實時XRD可監測這些變化，優化工藝。
質量控制：在制造中，XRD用于確保每個晶圓滿足所需的晶體質量標準，檢查晶格參數、取向和缺陷密度的一致性。這有助于保持高產量和可靠性。
此外，高級技術如掠入射X射線衍射（GIXRD）和X射線反射率（XRR）用于表面和界面表征，這對研究納米材料和薄膜結構至關重要。
二硫化鎢（WS2）作為一種典型的二維過渡金屬硫化物材料，在半導體領域展現出了的應用潛力。與石墨烯類似，WS2具有原子級的厚度和優異的電學、光學特性，但不同于石墨烯的是，它擁有一個直接帶隙，這使得它在光電器件中特別有吸引力。本研究[1]通過改進的化學氣相沉積（CVD）方法合成了不同形貌的2H-WS?納米片，并系統分析了其晶體結構。X射線衍射（XRD）技術在此過程中發揮了關鍵作用。如圖3所示，樣品的XRD圖譜顯示在2θ=29.2°、44.26°和60.18°處存在三個強衍射峰，分別對應2H-WS?的（004）、（006）和（112）晶面（JCPDS No: 00-008-0237），證實了六方相結構（空間群P63/mmc）的形成。通過對比標準卡片，未檢測到雜質峰，表明樣品具有高結晶純度。
進一步通過謝樂公式計算晶粒尺寸，結果顯示2H-WS?納米片的平均晶粒尺寸約為62.8 nm。結合布拉格方程及六方晶系晶格常數公式，計算得到晶格常數為a=b=3.153 Å，c=12.245 Å，與標準值一致，驗證了材料的結構完整性。此外，XRD數據為后續形貌與生長機制的關聯分析提供了結構基礎，例如不同形貌（三角形、六邊形等）的形成與晶面生長速率的差異密切相關。
綜上，XRD在本研究中不僅用于確認2H-WS?的相純度與晶格參數，還通過晶粒尺寸和結構分析為CVD生長條件的優化提供了關鍵數據支持。
沉積的2H-WS2納米片的XRD譜圖
X射線衍射是半導體行業的重要技術，提供關于材料晶體結構的詳細信息。從確定晶格參數和識別缺陷到測量薄膜厚度和應變，XRD在材料表征和質量控制的每個步驟中都發揮作用。隨著行業繼續推動小型化和性能極限，XRD在確保半導體材料結構完整性和最佳性質方面的作用將至關重要。
由貝拓科學自主研發設計生產的臺式多晶X射線衍射儀BRAGG110，采用面陣型光子計數半導體探測器：擁有高靈敏的特性，可實現單光子計數，具有動態范圍大、雙閾值、抗強輻射長時照射、長壽命的特點。使用固定測角儀系統 包括靜止不動的 X 射線源和探測器；支持點線兩種球管焦斑模式。還支持多種數據采集模式，可以使用固定照相模式獲取 2D 衍射幀。
參考文獻
[1]Yan, Jiashuo, et al. "CVD controlled preparation and growth mechanism of 2H-WS2 nanosheets." Vacuum 207 (2023): 111564.
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