Рентгеновская топография — совокупность методов получения изображений дефектов в кристаллах при помощи дифракции рентгеновских лучей. Во всех методах рентгеновской топографии рентгеновский пучок от источника направляют на кристалл так, чтобы для всего кристалла или его части выполнялось условие Брэгга — Вульфа; возникающие при этом дифрагированные пучки (иногда и прошедший пучок) регистрируются фотопластинкой; зафиксированное изображение называется рентгеновской топограммой.

Процесс дифракции рентгеновской волны в искажённом дефектами кристалле рассматривается в различных приближениях кинематической и динамической теорией. В обоих случаях влияние искажений атомной структуры на дифракцию описывается параметром локального отклонения положения атомных плоскостей кристалла от брэгговского: , где θ - угол Брэгга, первое слагаемое учитывает локальное изменение δd межплоскостного расстояния d, для отражающих атомных плоскостей, второе — их локальный угол поворота δθ. Интенсивность дифрагированного и прошедшего пучков на поверхности выхода из кристалла определяется значениями этого параметра в объёме кристалла, где происходит дифракция рентгеновских волн. Т. о., распределение интенсивности регистрируемых пучков отображает отклонения строения кристаллической структуры от идеальной, т. е. рентгеновская топограмма содержит информацию об искажениях структуры (дефектах). В зависимости от применяемого метода съёмки на топограмме видны границы блоков, единичные дислокации, включения, дефекты упаковки, магнитные домены, неоднородности распределения примеси, границы окисиых плёнок иа поверхностях кристаллов и изделий из них, а также искажения, вызванные внешними полями (напр., температурными, акустическими и т. п.). Анализ дифракционного контраста (распределения интенсивности) изображений дефектов проводится на основе динамической теории рассеяния рентгеновских лучей и позволяет определять некоторые качественные (знак избыточного объёма включений, направление вектора Бюргерса дислокаций), а в некоторых случаях и количественные характеристики дефектов (величину деформации, величину вектора Бюргерса дислокаций и пр.).

Как правило, в рентгеновской топографии используется только двухволновая дифракция, когда для каждого пучка излучения с длиной волны λ, условие Брэгга — Вульфа выполняется только для одной системы отражающих плоскостей и возникает только один дифрагированный пучок. В соответствии с формулой Брэгга расходимость дифрагированного пучка δθ_d в плоскости рассеяиия связана с его спектральной шириной δλ_d соотношением

   (1)

Если расходимость падающего на кристалл пучка велика, т. е.

  (2)

(δλ_i — спектральная ширина падающего на кристалл пучка), то δθ_d лимитируется спектральной шириной падающего на кристалл излучения в соответствии с соотношением (1); обычно этот случай реализуется при съёмке в монохроматическом (напр., характеристическом) излучении. Расходимость падающей волны определяется как

,

где δх — размер источника в плоскости рассеяния, I — расстояние от источника до кристалла. Напр., при съёмке в излучении непрерывного спектра и при использовании микрофокусного источника часто справедливо обратное соотношение

. (3)

В этом случае δd_d = δθ_i, а δλ_d даётся соотношением (1).

Пространственное разрешение на топограмме в плоскости рассеяния определяется геометрическим и дифракционным уширениями. Геометрическое уширение δх_G = δθ_d·l₁ , где l₁ - расстояние от кристалла до фотопластинки, δθ_d определяется по формуле (2) или (3). Дифракционное уширение описывается динамической теорией дифракции рентгеновских лучей и может быть оценено как Λtgθ, где Λ = λсоsθ/χ_hkl ·C — длина экстинщии, χ_hkl — фурье-компонента поляризуемости рентгеновской, соответствующая атомным плоскостям с индексами Миллера (hkl) и коэффициент С = соs2 θ или 1 (для поляризации в плоскости рассеяния и в перпендикулярной ей плоскости соответственно).

Разрешение в направлении, перпендикулярном плоскости рассеяния, определяется геометрическим уширением, которое может быть уменьшено путём оптимизации схемы съёмки. Принципиальный предел разрешения рентгеновской топографии обусловливает дифракционное уширение. Разрешение лимитируется также разрешающей способностью фотопластинок, которая не превышает обычно 300—500 линик/мм. Суммарное действие всех факторов на практике позволяет получать на рентгеновских топограммах изображение с разрешением ~ 3—5 мкм.

 

Все методы рентгеновской топографии дают изображение в масштабе, равном или близком 1:1, увеличенное изображение получают оптическим увеличением топограмм. Методы топографии применимы для исследования почти совершенных кристаллов, т. е. кристаллов с относительно низкой плотностью дефектов. Допустимая плотность дефектов зависит от применяемой схемы съёмки и лимитируется разрешением; например, дли съёмки по методу Ланга плотность дислокаций не должна превышать 10⁴ см^-1. Преимущества рентгеновской топографии перед обычной оптической микроскопией — возможность изучать дефекты структуры непрозрачных для видимого света кристаллов, высокая чувствительность, позволяющая регистрировать относительные изменения δd (до 10^-8) и δθ (до 0,1"). Рентгеновская топография существенно уступает просвечивающей электронной микроскопии в разрешении, но является неразрушающим методом исследования и контроля и применима для изучения структуры относительно толстых кристаллов — толщиной от 1 мм в методе Ланга до нескольких см в методе Бормана, основанном наэффекте аномального пропускания. Основная область применения рентгеновской топографии — исследование и контроль качества высокосовершенных монокристаллов полупроводников и изделий из них. Недостатки топографии — относительно низкое разрешение, большая продолжительность съёмки (от нескольких до десяткой часов). Для сокращения съёмки применяются мощные источники рентгеновского излучения — аппараты с вращающимся анодом и синхротроны, для регистрации — системы визуализации рентгеновского изображения, в частности рентгенооптические преобразователи-усилители яркости и рентгенотелевизионные системы, позволяющие проводить наблюдения в режиме реального времени.

На рис.1 представлена схема съёмки рентгеновских топограмм по методу Шульца для исследования блочных кристаллов Кр; И — точечный источник непрерывного спектра. Повороты блоков приводят к смещению их изображения ни фотопластинке Ф.

На рис.1 представлена схема съёмки топограмм по методу Нерга — Баррета для наблюдение дефектов в тонких приповерхностных слоях кристалла: И — источник монохроматического излучения: К — коллиматор; Кр — кристалл; излучение падает на кристалл под скользящим углом (1—5^о).