半導體晶面檢測實訓指導手冊

半導體晶面檢測實訓一、實驗目的1.學會使用光學模塊測定硅單晶的＜111＞、＜110＞、＜100＞晶軸，并標定觀察到的光學圖案所對應的晶面。2.掌握測定硅單晶取向的原理和方法。二、實驗原理硅單晶中原子按金剛石結(jié)構(gòu)排列。在不同方向上，原子的排列和原子間距不同，原子間鍵合情況也不一樣，因此，其物理化學性質(zhì)也各不相同。例如：晶面的法向生長速度、腐蝕速度、氧化速度、雜質(zhì)擴散速度以及晶面的解理特性等都和晶體取向有關。在科研和生產(chǎn)中測定半導體單晶晶軸方向常常是必不可少的。通?？梢杂镁w外形、X射線衍射法或光學方法測定硅單晶軸，激光測定硅單晶晶面方向。由于硅、鍺的金剛石結(jié)構(gòu)以及GaAs的閃鋅礦結(jié)構(gòu)的特點，晶體在沿某一晶向生長時，單晶的外表將規(guī)律的分布著生長棱線。沿（111）方向生長的硅單晶錠有六個或三個對稱分布的棱線。沿（010）方向生長的硅單晶錠有四個對稱分布的棱線。（110）方向生長的硅單晶錠則有四個不對稱分布的棱線。晶體表面的這些棱線都是由于晶體生長過程中，生長最慢的｛111｝晶面族中各晶面在交界處形成的。這是由于｛111｝晶面是金剛石晶體的密排面，晶體表面有取原子密排面的趨勢。也就是說，在晶體生長過程中不同晶面的生長速率不同。即原子沿晶面橫向生長速度快，垂直生長速度慢。圖1直拉硅單晶的定向示意圖原于密度比較大的晶面，面上的原子間距較小，在面橫切方向上原子間相互聯(lián)合的鍵力較強，容易拉取介質(zhì)中的原子沿橫向生長。而晶面與晶面之間的距離較大，相互吸引較弱，因此介質(zhì)中的原子在這樣的面上生長新的晶面相對要困難。所以｛11l｝晶面是生長速度最慢的原子密排面；晶體的棱邊就是這些｛111｝晶面的交線。由上所述，我們很容易由晶體的外形判定它們的晶向；如沿<111>晶向直拉生長的硅單晶體有三條對稱分布的棱。單晶的生長方向為：若將籽晶對著自己，眼睛看過去的方向為<111>；反之為<1?1?1?>晶向。在<111>硅單晶橫截面上任意連接二棱，將連線向另一棱線方向偏54°44'垂直切下，切面即為{100}。而若向另一棱線相反的方向偏36°16'垂直切下，切面為{110}。如圖1（a），l（b）所示。2. 光學定向單晶表面經(jīng)適當?shù)念A處理工藝處理，在金相顯微鏡下會觀察到許多腐蝕坑，即所謂晶相腐蝕坑（或稱晶相的光像小坑）。這些腐蝕坑是由與晶格主要平面平行的小平面組成。它們是一些有特定晶向的晶面族，構(gòu)成各具特殊對稱性的腐蝕坑，這是晶體各向異性的結(jié)果。鍺、硅單晶的｛1ll｝晶面是原子密排面，也是解理面（或稱劈裂面）。當用金剛砂研磨晶體時，其研磨表面將被破壞，出現(xiàn)許多由低指數(shù)晶面圍成的小坑。這些小坑對于不同晶面具有不同的形狀，可以利用這些小坑進行光學定向。但由于光的散射和吸收較嚴重，使得反射光象較弱，圖象不清晰，分辨率低。為獲得滿意的效果，可在晶體研磨后進行適當腐蝕，使小坑加大。經(jīng)過腐蝕處理的晶面，不但形狀完整，且具有光澤。當一束細而強的平行光垂直人射到具有這種小坑的表面時，在光屏上就能得到相應的反射光相。因為激光束的直徑約一毫米左右，而小坑的大小一般為微米量級，因而激光束可投射到眾多小坑上。這個光相就是由眾多小坑上相同取向的晶面反射的光線朝相同的方向匯聚在光屏上而成的光瓣。例如，測定沿<111>軸方向生長的直拉硅單晶時，我們知道還有三個｛111｝面，它們與生長面的夾角均為70°22'，組成一個正四面體。又因為｛111｝的特點，這三個斜｛111｝面在交會處產(chǎn)生三個間隔120°的生長棱線。垂直晶軸切片，經(jīng)研磨腐和腐蝕處理后，在金向顯微鏡下會看到許多如圖2（a）所示的三角坑，它實際上是由三個｛111｝晶面作為側(cè)面的三角截頂錐形坑，其截頂面也是{111}面。當一束平行光束垂直入射至被測的{111}晶面上時，這三個側(cè)面和截項面將反射成如圖2（a）下所示的光象。除這三條主反射線外，有時也可以看到另外三條次要的反射線，它們與主反射線的圖象在光屏上呈60°相位差。對于｛100｝晶面，其腐蝕坑形狀如圖2（b）所示。它由四個｛111｝晶面所圍成。四角截頂錐形坑，其截頂面是{100}晶面。其反射光圖為對稱的四葉光瓣。對于｛110｝晶面，其腐蝕坑形狀如圖2（C）所示。它有兩個｛111｝晶面與＜110＞方向的夾角為5°44'，它們是光象的主要反射面；另有兩個｛111｝晶面族與＜110＞方向平行或與（110）面垂直。當一束平行光束垂直入射到被測的｛110｝晶面上時，一般情況形成由主反射面反射的光象，近似為一直線。如果樣品做的好，人射光又足夠強。則可能得到如圖2（C）下所示的光象。實際上，光相圖的對稱性反映了晶體的對稱性。光向圖的中心光斑是由特征蝕坑的底面反射光束形成的，這底面又與相應的低指數(shù)晶面一致。因而使光束與相應的低指數(shù)晶面垂直，那么樣品晶軸與入射光平行。我們立即可以用光相圖中的對稱性直觀的識別出晶向。三、實驗內(nèi)容1、分組，每組10人左右；（分工合作，顯微鏡、電腦、記錄數(shù)據(jù)、拿晶圓、分析數(shù)據(jù)）2、每組派一個同學，上前A4紙、拿手套、三種種類的晶圓。晶圓使用時，請帶上手套保持材料表面干凈；注意，晶圓較脆，不要強行掰、用力3、通過金相顯微鏡觀察晶圓的粗糙和光滑的一面；4、通過金相顯微鏡MvImageView軟件觀察晶圓圖像，并且根據(jù)前面介紹，標記對應的晶面取向；5、通過MvImageView軟件，統(tǒng)計(111)晶面的晶圓顆粒尺寸，選最