第二章晶向检测(之一)

第二章晶向与晶体缺陷检测本章内容一、晶向检测二、晶体缺陷检测三、光学显微镜技术四、电子显微镜技术一、晶向检测1、硅单晶的特点硅单晶晶体结构a=5.43Å硅单晶晶体结构：两套简单面心立方格子套构形成的金刚石结构。•是垂直于晶面的矢量。通常用密勒指数(h,k,l)表示。•[hkl]晶向和hkl晶面垂直(a)[100](b)[110](c)[111]2、晶向硅单晶的不同晶面结构及其特点{110}二、晶向检测的常用方法外貌观察法光点定向法（工业生产中常用方法）X射线衍射法（工业生产中常用方法）（一）光点定向测试1、光点定向测试仪原理结构图100110111硅单晶的光学定向图形2、样品处理——腐蚀坑的显示硅单晶111的光学定向图形晶向偏离度——晶体的轴与晶体方向不吻合时，其偏离的角度称为晶向偏离度。晶锭端面与被测晶向偏离，腐蚀坑对称性就会偏离，利用这种特性可以确定晶向偏离度。3、晶向偏离度的测试此型仪器设有两个工作台，可同时进行操作，右侧工作台带有托板，可对圆柱形晶体进行端面与柱面定向，也可以对晶片的端面进行定向，左侧工作台可对晶片的端面进行定向，仪器精度为±30″最小读数为1″，数字显示。4、光点定向的应用该型定向仪仪专门用于硅单晶锭的粘结，是和多线切割机配套使用的半导体行业专用设备。（三）X射线衍射法X射线的波长范围一般为10-2～102Å，有强的穿透能力，原子和分子的距离（1～10Å）正好在X射线的波长范围之内，X射线对物质的散射和衍射能传递丰富的微观结构信息，因此X射线衍射是研究物质微观结构的最主要的方法。当用波长为λ的单色x射线照射晶体时，在X射线作用下晶体的若干层原子面会发生布喇格定律衍射，应用X射线在晶体中的衍射现象，可以得到晶向、晶向偏离度、晶体的原子面间距、晶体表面缺陷等许多晶体结构信息。使用X射线衍射仪确定晶向及偏离度，具有快速、精确的特点。1、X射线简介衍射（Diffraction）又称为散射，波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象。衍射现象是波的特有现象，一切波都会发生衍射现象。衍射时产生的明暗条纹或光环，叫衍射图样。产生衍射的条件是：当孔或障碍物尺寸与光的波长相同数量级，甚至比波长还要小时，产生衍射。因此光波长越小，越容易产生衍射现象。晶体可以作为X射线的空间衍射光栅,即当一束X射线通过晶体时将会发生衍射；衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上增强、而在其它方向上减弱；分析在照相底片上获得的衍射花样，便可确定晶体结构。1913年英国物理学家布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在劳厄发现的基础上,不仅成功地测定了NaCl、KCl等的晶体结构,并提出了作为晶体衍射基础的著名公式——布拉格定律：2、X射线衍射及布喇格定律当相邻原子面散射后的光程差(2dsinθ)等于入射光波长的整数倍时，即相邻原子面散射波干涉加强，产生明显的衍射光束。ndsin2布拉格定律衍射掠射角X射线入射X射线被晶格原子散射后出射上原子层下原子层对于半导体硅，它具有金刚石结构，其晶格常数a＝5.43073Å，其面间距与一些主要的低指数晶面(h、k、l)的关系为；222/lkhadhkl(2.2)，表2.4X-rayDiffractionPattern2ISimpleCubic=2dhklsinhklBragg’sLaw:(CuK)=1.5418ÅBaTiO3atT130oCdhkl20o40o60o(hkl)图2.9X射线衍射仪的原理结构示意图X射线衍射仪由X射线发生器、测角仪和探测记录系统3部分组成3、X射线衍射仪的组成X射线发生器测角仪探测记录系统2.X射线测角仪3.X射线的探测4.（1）晶体结构（晶向、晶格常数、原子面间距）的测量测量时将样品置于衍射仪的测角仪上，由x射线源发出的射线，经滤光片后得到单色x射线照射到样品上，使样品表面与入射X射线束的掠射角为θ。4、X射线衍射仪的使用与测量2ISimpleCubic=2dhklsinhklBragg’sLaw:(CuK)=1.5418Ådhkl20o40o60o(hkl)通过X射线衍射仪测试得到衍射角θ，根据布拉格公式求得晶体的原子面间距d；根据晶面与面间距的关系示，确定晶体晶向.（2）晶向偏离度的测量转动测角仪，使样品围绕水平和垂直轴转动，当样品表面转到一定位置时，在计数管内会出现最大的衍射强度，记下围绕水平方向转动角α和垂直方向转动角β。可以证明，晶向的偏离角度Φ与α、β角的关系为coscoscos由此可以求出样品表面的晶向偏离度。5、半导体工业中单晶定向仪该型X射线定向仪主要用于4英寸以下小直径晶棒的OF面定向，晶锭水平放置在夹具内，在X-RAY照射下，测出OF面，依机械方式紧固晶锭，然后将晶锭带同夹具一起固定在磨床上加工OF面。精密快速地测定天然和人造单晶(压电晶体,光学晶体,激光晶体,半导体晶体)的切割角度,与切割机配套可用于上述晶体的定向切割,是精密加工制造晶体器件不可缺少的仪器.该仪器广泛应用于晶体材料的研究,加工,制造行业6、X射线衍射的应用（扩展了解）应用之一：XRD应用之二测定方法特点外貌观察法鉴定晶体的解理或破碎特征可能是破坏性的，精确度差用显微镜观察微细的生长小平面通常限定于测定低指数晶面，精确度中等用肉眼或显微镜观察腐蚀坑须有可用的选择性腐蚀剂，最适宜低角度晶面，精确度中等光点定向法测定低指数晶面，精确度好X射线衍射法适合测定任何取向的晶体，精确度最高表2.2三种测定晶向方法的说明本节复习题（请做2、3序号题）1、理解测定晶向、晶向偏离度在半导体工业制造中的意义。2、画图说明光点定向法检测晶体晶向的原理。3、利用X射线衍射法检测晶体晶向是基于什么原理？画图说明检测原理，并给出相应计算公式。