XRD晶圆检测设备X射线源技术调研

zhangbo

XRD晶圆检测设备X射线源技术调研

XRD测量通常需要以下组件：

• X射线源：通常使用铜靶，产生波长为1.54 Å的X射线。

• 单色器：过滤X射线束，确保其单色性。

• 准直器：引导X射线束朝向样品。

• 样品夹持器：固定样品并允许旋转以满足Bragg定律。

• 检测器：测量衍射X射线的强度。

• 衍射仪可设置不同几何形状，如θ/2θ扫描，其中样品以角度θ旋转，检测器以2θ旋转，满足Bragg定律。

在X射线光谱分析中，会使用到不同类型的X光谱，其中Cu靶的连续谱与特征峰尤为关键。在X射线衍射（XRD）技术中，仅关注特征X射线，因为它们提供了关于晶体结构的重要信息。其他波长的X射线则通过单色器进行过滤。而在X射线荧光（XRF）分析中，连续谱和特征谱均参与激发样品产生荧光X射线，从而实现对元素成分的定量分析

1） XRD晶圆检测设备

简介：X射线衍射光谱仪(XRD)利用X射线衍射原理，可对材料进行精准的测定分析，用以表征物质的晶体结构、应力等，同时它也可以进行定性分析、定量分析和物相分析，广泛应用于集成电路制造和先进工艺开发领域。集成电路制造中使用的X射线衍射光谱仪主要是由飞利浦和布鲁克这两家厂商生产。

基本构造：在X射线衍射仪中， X射线发生系统（产生X射线）是“太阳”，测角及探测系统（测量2θ和获得衍射信息）是其“眼睛”，记录和数据处理系统是其“大脑”，三者协同工作，输出衍射图谱。在三者中测角仪是核心部件，其制作较为复杂，直接影响实验数据的精度。

基本原理及应用：在工业和科学实验室中，许多研究人员都依靠 X射线衍射作为开发新材料或提高生产效率的工具。X 射线衍射的创新与半导体技术、药物研究等领域中的新材料研究密切相关。工业研究的目标是不断提高生产过程的速度和效率。采矿和建筑材料生产场所的全自动 X射线衍射分析为生产控制提供了更具成本效益的解决方案。

（2） X射线源及X射线产生方式

X射线源：X射线源是X射线智能检测设备的核心部件。一般来说，应用领域不同，X射线检测设备的主要技术参数、封装形式、技术特点等差异较大，X射线源的焦点越小，检测精度越高。

X射线产生原理：X射线同无线电波、可见光、紫外线等一样，本质上都属于电磁波，只是彼此之间占据不同的波长范围而已。X射线分析仪器上通常使用的X射线源是X射线管,这是一种装有阴阳极的真空封闭管,在管子两极间加上高电压,阴极就会发射出高速电子流撞击金属阳极靶,从而产生X射线。

产生X射线的方式主要有四种：X射线管、激光等离子体、同步辐射和X射线激光。

（3） X射线管

X射线管：产生X射线的方法有很多种。常见的方式包括：X射线管、同步辐射、X射线自由电子激光器（XFEL）以及等离子体X射线。其中X射线管作为X射线检测设备或精密仪器的核心零部件目前已经广泛应用于工业、医疗、科研等领域。

X射线管成本：以日联科技为例，X射线检测设备中，原材料采购成本主要来自 X 射线源、探测器两大核心部件，其中 X 射线源的成本占比约为 30%，要高于探测器，是 X 射线检测设备中成本占比最高的核心零部件。

X射线管的工作原理：从阴极发射的电子，经阴极、阳极间的电场加速后，高速电子轰击阳极靶材，将其动能传递给靶上的原子，其中约有1%左右的能量会转化为X射线，并从X射线照射窗中射出。

X射线管主要部件：阴极电子发射端、阳极靶、高压电源、真空管/真空部件、其他附属部件。

X射线管的主要性能指标：焦点尺寸、管电压、管电流、靶功率、FOD、控制精度。

按不同性能特点分类：X 射线源可分为微焦点X 射线源、大功率 X 射线源和普通 X 射线源。焦点尺寸决定了检测图像的精度，焦点尺寸越小，检测精度越高。因此微焦点 X 射线源凭借最小的焦点尺寸已成为决定X 射线检测装备精密度的核心部件，主要用于集成电路、电子制造、新能源电池等精密制造领域。

按密封方式分类：微焦点 X 射线源分为开放式（开管）和封闭式（闭管）两种。闭管 X 射线源中阴极与阳极/靶都封闭在真空管内，在使用时无需抽真空，常用于集成电路及电子制造、新能源电池等精密检测等领域；开管 X 射线源则带有真空泵、真空阀，阴极和阳极/靶都可以更换，X 射线管高压一般在 30-225kV 之间，靶功率可以做到 25W，但初期设备购置成本高，多用于要求较高的科研领域或集成电路晶圆检测领域。

开管 X 射线源国产化进展：目前我国的微焦点 X 射线源市场仍主要被海外厂商所垄断。其中，开放式微焦点射线源主要由依科视朗（瑞士Comet旗下）、Finetech 和 X-WorX 等企业垄断，主要应用于国外厂商的自产自用，国内厂商尚未实现技术突破，国内日联科技实现开管射线源的小批量试制。

按靶材的形状和角度分类：X射线管分为反射式和透射式。反射式靶面与入射电子束形成一定倾斜角度，具有较大的散热体积，可以承受较高电压的加速电子；透射式靶是很薄的一层薄膜，靶面与入射电子束垂直，可以获得更小的焦点尺寸和更大的辐射角度。XRD采用反射式光管设计。

X射线管阳极：常见的阳极靶标有Cr，Fe，Co， Ni， Cu， Mo， Ag，XRD通常使用铜靶，产生波长为1.54 Å的X射线。

X射线管阴极：行业主要的微焦点 X 射线生产企业如滨松光子、赛默飞世尔主要围绕热阴极技术开展研发、生产和销售活动，热阴极技术工艺成熟，已产业化应用超 100 年，是目前市场主流路线。冷阴极技术目前仍处于技术研究与实践应用的不断探索和开发阶段，仍需要进一步产业化验证。

X射线管的冷却：由于X射线管在产生X光的过程中，大部分输入能量会转化为热能，因此需要高效的冷却系统来防止金属靶材因过热而熔化。为了进一步提高X射线管的功率输出，可以通过使阳极靶旋转的方式，使电子束持续轰击靶材的不同位置，从而增强电子束流的强度，发出更强的X射线。

X射线管使用寿命：X 射线检测设备行业具有“设备+耗材”的优质商业属性，其中核心部件 X 射线源具有耗材属性，一般封闭式射线源使用寿命约 8000~20000 小时，开管式射线源需要进行定期维护，维护频率约 500 小时一次，且维护成本较高。

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cmb178