硅单晶中晶体缺陷的腐蚀显示

硅单晶中晶体缺陷的腐蚀显示实验安排：4人/组时间：两小时地点：北方工业大学第三教学楼2403房间实验所用主要设备：金相显微镜一、实验目的硅单晶中的各种缺陷对器件的性能有很大的影响，它会造成扩散结面不平整，使晶体管中出现管道，引起p-n结的反向漏电增大等。各种缺陷的产生和数量的多少与晶体制备工艺和器件工艺有关。晶体缺陷的实验观察方法有许多种，如透射电子显微镜、X光貌相技术、红外显微镜及金相腐蚀显示等方法。对表面缺陷也可以用扫描电子显微镜来观察。由于金相腐蚀显示技术设备简单，操作易掌握，又较直观，是观察研究晶体缺陷的最常用的方法之一。金相腐蚀显示可以揭示缺陷的数量和分布情况，找出缺陷形成、增殖和晶体制备工艺及器件工艺的关系，为改进工艺，减少缺陷、提高器件合格率和改善器件性能提供线索。二、原理硅单晶属金刚石结构，在实际的硅单晶中不可能整块晶体中原子完全按金刚石结构整齐排列，总又某些局部区域点阵排列的规律性被破坏，则该区域就称为晶体缺陷。硅单晶中的缺陷主要有点缺陷、线缺陷和面缺陷等三类。晶体缺陷可以在晶体生长过程中产生，也可以在热处理、晶体加工和受放射性辐射时产生。在硅单晶中缺陷区不仅是高应力区，而且极易富集一些杂质，这样缺陷区就比晶格完整区化学活拨性强，对化学腐蚀剂的作用灵敏，因此容易被腐蚀而形成蚀坑，在有高度对称性的低指数面上蚀坑形状通常呈现相应的对称性，如位错在（111）、（100）、（110）面上分别呈三角形、方形和菱形蚀坑。用作腐蚀显示的腐蚀剂按不同作用大体可分为两类，一类蚀非择优腐蚀剂，它主要用于晶体表面的化学抛光，目的在于达到清洁处理，去除机械损伤层和获得一个光亮的表面；另一类是择优腐蚀剂，用来揭示缺陷。一般腐蚀速度越快择择优性越差，而对择优腐蚀剂则要求缺陷蚀坑的出现率高、特征性强、再现性好和腐蚀时间短。通常用的非择优腐蚀剂的配方为：HF(40-42%):HNO3(65%)=1:2.5它们的化学反应过程为：Si+4HNO3+6HF=H2SiF6+4NO2+4H2O通常用的择优腐蚀剂主要有以下二种：（1）希尔腐蚀液（铬酸腐蚀液）先用CrO3与去离子水配成标准液：标准液＝50gCrO3+100gH2O然后配成下列几种腐蚀液：A.标准液：HF(40-42%)=2:1(慢速液)B.标准液：HF(40-42%)=3:2(中速液)C.标准液：HF(40-42%)=1:1(快速液)D.标准液：HF(40-42%)=1:2(快速液)一般常用的为配方C液，它们的化学反应过程为：Si+CrO3+8HF=H2SiF6+CrF2+3H2O(2)达希腐蚀液达希（Dash）腐蚀液的配方为：HF(40-42%):HNO3(65%):CH3COOH(99%以上)＝1:2.5:10硅单晶中不同种类的缺陷需选用上述不同的配方，采用不同的腐蚀工艺。下面对硅单晶中三类缺陷的性质和腐蚀显示分别作一介绍。1.点缺陷硅单晶中的点缺陷是指三维（长、宽、高）都很小的缺陷。例如空位、间隙原子和微缺陷等。硅单晶中某些热运动能量大的原子可以离开格点位置到达晶体表面。从而在晶体内部留下一个空格点，称为“空位”，这种缺陷称为肖特基缺陷，或者脱离格点的原子进入晶体内部的间隙位置，那么在晶体内部会同时出现空位和间隙原子，间隙原子－空位对组成的缺陷称为弗兰克缺陷。单晶中空位和间隙原子在热平衡时的浓度与温度有关。温度愈高，平衡浓度愈大。高温生长的硅单晶，在冷却过程中过饱和的间隙原子和空位要消失，其消失的途径是：空位和间隙原子相遇使复合消失；扩散到晶体表面消失；或扩散到位错区消失并引起位错攀移；也可以和碳、氧及金属杂质凝聚成沉积团，这种沉积团叫做微缺陷。如果晶体生长过程中冷却速度较快，那些过饱和的间隙原子和空位就来不及通过上述途径消失，那么它们在以后的热处理过程中将按热处理的具体条件变化其状态。间隙原子和空位目前尚无法观察，但微缺陷可用腐蚀金相法显示。2.线缺陷硅单晶中的线缺陷是二维上很小，一维上不很小的缺陷，如位错等。晶体生长过程中，晶体受到热应力引起塑性形变，在某些晶面族间产生滑移。如果在晶面上有局部区域发生滑移，则在滑移区和未滑移区之间就存在一条位错线。位错一般可分为刃位错和螺位错。若一条位错线处处都是刃位错（螺位错），则称为纯刃位错（或纯螺位错），否则就称为混合位错。位错线具有封闭性，它可以自成封闭回路，也可终止在晶体表面或晶粒间界上，但不能终止在晶体的内部。对于（111）晶面的硅单晶用希尔腐蚀液腐蚀后，位错蚀坑呈黑三角形。处于[111]晶向的晶面上，刃位错可以明显地看出是台阶式正三角形，螺位错能看到螺线。如果晶向略微偏离[111]晶向，则对称性被破坏，于是腐蚀图形也会发生变形。在高温条件下，如果位错在滑移过程中遇到障碍物，则它会在障碍物前被阻止前进，后边那些接连而来的滑移位错也就依次停下来，从而排成一整齐的列队形式，这种一列位错称为位错排。在（111）面上可以发现位错排中所有三角形位错蚀坑的底边都在一直线上，它沿[110]晶向。大量的位错排可以构成星形结构，在[111]晶向的晶体中，它的特定形状可以是三角星形结构。3.面缺陷面缺陷是硅单晶中一维上很小，两维上不很小的缺陷，它是晶体中某一晶面的晶格不完整所形成的一种缺陷，如晶界、小角度晶界、层错和孪晶等。（1）小角度晶界在硅单晶体内当某一“晶界”的两边晶体取向略有偏离，而偏离角度小于10度时，就称此“晶界”为“小角度晶粒间界”，简称为“小角度晶界”。偏离角度大于10度就成了孪晶。在[111]方向生长的硅单晶中，小角度晶界由三角形的位错蚀坑所构成，它的图形特征是蚀坑以角底相顶的形式整齐排列，可长可短。（2）层错在晶体生长过程中，特别是在外延生长过程中，由于生长条件的扰乱（如外延衬底质量较差；在生长过程中有小的颗粒杂质引入等），使硅原子的生长排列出现新的核化位置，导致局部区域原子密排面的层序发生位错，这种缺陷称为“层错”。层错的腐蚀金相蚀坑由一条倾斜面槽构成，这些倾斜面槽在（111）密排面上的层错多数呈现等边三角形，也有成为一条直线或自成120度角或相互交成60度、120度角，其方向通常沿[110]晶向，层错可以贯穿到晶体表面，也可以终止于晶体内的半位错或晶粒间界处。三、实验方法本实验是使用不同的腐蚀液核腐蚀方法显示硅单晶中各种不同的缺陷蚀坑，然后用金相显微镜来观察、区分和研究各种蚀坑的形态，定量计数比较缺陷密度大小，并用金相显微摄影仪拍摄各种缺陷的典型照片。四、实验步骤1.晶体的化学腐蚀显示（1）样品的预处理要正确地判断分析各种缺陷的蚀坑图形，晶体背景干扰必须小，所以切割下的晶体表面必须经过预处理，使晶体表面清洁且光亮如镜。①沿硅单晶棒的[111]（或[100]、[110]）晶向垂直切下薄圆片（偏角必须小于7度，越小越好）依次用300#、600#、302＃、303＃金刚砂细磨其表面。②把样品放入10％的“海鸥水”中加热至沸腾约10-20分钟去除油污，然后用去离子水冲洗干净。③把样品放入化学抛光液中腐蚀去除研磨损伤层，化学抛光液即前述的非择优腐蚀液。必须将样品浸没在腐蚀液中，而且要不停地搅拌以增强抛光的均匀性，抛光结束后用去离子水将样品冲洗干净。④把样品放入HF溶液中漂洗，除去残存的氧化层，再用去离子水冲洗干净，经上述处理后即可得到一个清洁的、光亮如镜的表面。外延片本身是平整的镜面，可不必作任何预处理。（2）样品的化学腐蚀显示①腐蚀剂的配制对于（111）面的样品希尔腐蚀液是一种十分有效的显示液，它的配方如前所述，可针对缺陷（如位错）密度高低而分别选用A-D液，一般常用的为C液。还可以用增减HF来调整腐蚀速率，HF增加，腐蚀速率增大；反之则减小。此种腐蚀剂对（110）面的样品也是一种很好的显示液。对于（100）面的样品通常用达希腐蚀液，它的配方如前所述，应该注意的是腐蚀液配方力求严格，对HF更应精确计量。②样品的腐蚀将（111）面样品放入希尔腐蚀液中，根据不同样品所要显示的不同缺陷，选用不同的腐蚀时间和腐蚀温度。通常显示层错在室温下腐蚀时间是10－30秒左右，显示位错在室温下腐蚀5－10分钟，对微缺陷显示要求在沸腾的腐蚀液中腐蚀2－3分钟，若在室温下往往需要腐蚀20－30分钟。对（110）面的缺陷腐蚀条件类似。腐蚀结束后用去离子水冲洗干净。将抛光好的（100）样品放入达希腐蚀液中，在35度的恒温条件下，腐蚀3－4小时后可显示位错。腐蚀结束后用去离子水冲洗干净，然后检查表面是否有氧化膜而影响观察，可将样品放入用过的希尔液中浸泡15－20分钟以去除氧化膜，同时还可扩大腐蚀图形便于进行观察。2.金相显微镜观察（1）将照明灯泡电线与变压器相接，然后接上变压器电源，开亮照明灯泡，选择适当的亮度。(2)在物镜转换器上装一个八倍物镜并转到工作位置，在目镜管上装上15倍目镜，并把被测样品放在载物台上；（3）缓慢转动粗调焦手轮，观察到图像后，再进一步使用细调焦手轮，调到图像清晰为止。（4）调节孔径光栅，使整个视场获得最明亮而均匀的照明；（5）转动载物台位置，选择所需观察的位置并且仔细地观察各种物象的图形，记下位置和视场中缺陷（如位错）的数量。根据不同的情况和要求可转动物镜转换器或调换目镜来获得各种放大倍数；（6）用石英标准微米尺标定显微镜视场直径，并计算视场面积。如果换用物、目镜则需重新进行标定。3.金相显微摄影将观察到的缺陷图形通过与显微镜相连的计算机数据采集卡读入计算机，并保存起来；4.缺陷计数位错、层错和微缺陷常常用单位面积上的缺陷数目来表示：N=n/S,式中n表示视场中观测到的缺陷数目，S为视场面积。为了正确反映晶体内缺陷的密度情况，一般取几个点的读数进行平均。五、实验结果1.对几块有位错、位错排、小角度晶界和微缺陷的单晶及有层错的外延片进行腐蚀显示后，用金相显微镜仔细地观察其蚀坑形态，并区分各种不同额缺陷；2.用金相显微摄影仪拍摄所观察到的各种缺陷的典型照片；3.对一块单晶样品的位错密度（或者微缺陷密度）作定量计数，求出缺陷密度。思考题1.为什么位错蚀坑在（111）、（100）、（110）面上分别呈现三角形、方形和菱形？2.（111）面上的位错蚀坑式三角形的，而微缺陷往往也呈三角形，如何区分？为什么？3.在单晶样品的腐蚀显示中往往发现有位错的区域就不存在微缺陷；而在微缺陷存在的区域里就没有位错，如何解释这种现象？4.在实验的过程中你是怎样理解和体会样品预处理的重要性的？参考文献1.1976,AnnualBookofASTMStandardspart43,F416-577;F80-74;F47-70.2.W.R.Runyan,“SemiconductorMeasurementsandInstrumentation”,McGraw-HillBookCompany,(1975)P21