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Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12381 (2023) Citar este artigo

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A topografia de raios X é um método poderoso para analisar defeitos e deformações cristalinas em materiais cristalinos de forma não destrutiva. No entanto, a topografia convencional de raios X utiliza imagens simples de difração de raios X, o que significa que não é possível obter informações profundas sobre defeitos e deslocamentos. Por isso, desenvolvemos uma nova técnica tridimensional de topografia de micro-raios X (3D μ-XRT) que combina a topografia da seção do caso de Bragg com raios X focados em forma de folha. A resolução de profundidade do μ-XRT 3D depende principalmente do tamanho do feixe de raios X focado e permite a observação não destrutiva de defeitos internos e deslocamentos com uma precisão da ordem de 1 μm. A observação demonstrativa dos chips do dispositivo de potência SiC mostrou que as falhas de empilhamento, o parafuso de rosqueamento, a borda de rosqueamento e os deslocamentos do plano basal foram claramente visualizados tridimensionalmente com uma precisão de profundidade de 1,3 μm. 3D μ-XRT é uma nova abordagem promissora para análise altamente sensível e não destrutiva da cristalinidade de materiais de maneira tridimensional.

A topografia de raios X tem sido amplamente utilizada para análises não destrutivas e altamente sensíveis de distorções, deslocamentos e defeitos cristalinos em materiais cristalinos, como wafers, lingotes e dispositivos semicondutores. No entanto, a informação de profundidade não pode ser obtida porque a informação de cristalinidade é geralmente obtida a partir da distribuição de intensidade bidimensional (topograma) da difração de raios X refletida ou transmitida. Portanto, a análise tridimensional de defeitos e distorções cristalinas não pode ser realizada de maneira geral e é impossível determinar se um defeito cristalino está próximo à superfície ou profundamente no material. Embora observações estereográficas tenham sido realizadas e tenham sido obtidos defeitos 3D dentro dos cristais , ainda não foi possível identificar sua profundidade na ordem do mícron. Portanto, a análise profunda de falhas de empilhamento na camada epitaxial, que causam a degradação de dispositivos de potência semicondutores, não pode ser realizada. Topografia de seção, topotomografia e microtopografia de varredura usando um microfeixe de raios X focado foram desenvolvidas para a caracterização tridimensional de materiais cristalinos. A topografia da seção3, 4 obtém um topograma tridimensional empilhando vários topogramas obtidos usando raios X em forma de folha ao digitalizar a amostra. Tem sido utilizado para visualizar a estrutura tridimensional de defeitos no gargalo de um lingote de cristal5, entre outras aplicações. Contudo, a resolução espacial depende principalmente da altura da folha do feixe de raios X e é limitada à ordem sub-mm. Uma técnica de microtopografia proposta recentemente, chamada microscopia de raios X de campo escuro (DFXM), que utiliza raios X focados em forma de folha, é relatada para obter um mapa de distorção tridimensional detalhado em um bloco de alumínio a granel . No entanto, o campo de visão foi limitado a 100 μm pelas lentes de raios X de imagem, e as observações foram feitas apenas na geometria de transmissão (caso Laue). Portanto, é necessário um longo tempo de medição para observar um dispositivo de potência inteiro de vários mm quadrados por varredura.

O método da topotomografia7 é semelhante à tomografia computadorizada de raios X, pois a amostra é girada e a distribuição tridimensional é calculada a partir do topograma obtido em cada ângulo de rotação. Foi combinado com radiação síncrotron branca (SR) para realizar observação tridimensional de propagações de deslocamento no estágio inicial do crescimento do cristal de silício Czochralski8. No entanto, a resolução espacial é determinada principalmente pelo gerador de imagens de raios X e pela distância entre a amostra e o gerador de imagens de raios X (distância de trabalho (WD)), como no caso da micro-TC de raios X com geometria de feixe paralelo, e tem cerca de 10 μm no mínimo. Além disso, a geometria de transmissão é geralmente usada para avaliação de materiais a granel e não é adequada para a observação da superfície de amostras planas, como dispositivos semicondutores, porque as informações a granel são misturadas. Para superar este problema, um método que incorpora laminografia foi desenvolvido para amostras planas e tem sido utilizado com sucesso para visualizar loops de deslocamento e formação de bandas deslizantes em danos mecânicos anteriores em pastilhas de silício. No entanto, a resolução espacial permanece em 3 μm.