晶體材料亞表面的損傷檢測

1、晶體材料亞表面的損傷檢測晶體材料亞表面的損傷檢測 幾種常見的晶體材料及其應用幾種常見的晶體材料及其應用 亞表面損傷檢測的意義亞表面損傷檢測的意義 常見的亞表面損傷檢測的方法常見的亞表面損傷檢測的方法幾種常見的晶體材料及其應用幾種常見的晶體材料及其應用SiC晶片晶片 SiC單晶作為第三代半導體材料單晶作為第三代半導體材料, 以其化學穩(wěn)定性好、導電以其化學穩(wěn)定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光、特有的大禁帶寬度、高性能好、導熱性能好、不吸收可見光、特有的大禁帶寬度、高臨界擊穿場強、高電子遷移率等特性臨界擊穿場強、高電子遷移率等特性, 成為國際上制作半導體成為國際上制作半導體照明器件、微電子

2、器件等的理想襯底材料。照明器件、微電子器件等的理想襯底材料。SiC單晶的應用單晶的應用1.高高溫溫和高功率半和高功率半導體導體元件元件2. 微波及高微波及高頻頻半半導體導體元件元件3. 短波短波長發(fā)長發(fā)光元件光元件4. 紫外光敏紫外光敏二極體二極體在各種發(fā)動機內(nèi)部工作在各種發(fā)動機內(nèi)部工作5. 藍藍色色鐳射二極體鐳射二極體藍寶石（藍寶石（Al2O3）晶片）晶片藍寶石（藍寶石（Al2O3）晶棒）晶棒 目前藍寶石主要有兩大用途：目前藍寶石主要有兩大用途： 一類是襯底材料，其中主要是一類是襯底材料，其中主要是LEDLED半導體襯底材料，半導體襯底材料，LEDLED照明用藍寶石襯底占藍寶石襯底應用比例達

3、照明用藍寶石襯底占藍寶石襯底應用比例達90%90%以上；以上； 另一類就是窗口材料，如手表表盤、航空、航天、精密另一類就是窗口材料，如手表表盤、航空、航天、精密制造、特殊制造等。制造、特殊制造等。藍寶石晶體的應用藍寶石晶體的應用 藍寶石晶體是一種集優(yōu)良的光學、物理和化學性能于一體藍寶石晶體是一種集優(yōu)良的光學、物理和化學性能于一體的多功能晶體材料，具有硬度高、熔點高、透光性好、電絕緣的多功能晶體材料，具有硬度高、熔點高、透光性好、電絕緣性優(yōu)異、熱傳導性良好、化學性能穩(wěn)定等優(yōu)點，在光電子、微性優(yōu)異、熱傳導性良好、化學性能穩(wěn)定等優(yōu)點，在光電子、微電子、國防、超導等領域具有廣泛的應用。電子、國防、超導

4、等領域具有廣泛的應用。多晶多晶Si片片單晶單晶Si片片單晶硅與多晶硅的應用單晶硅與多晶硅的應用 單晶硅和多晶硅都是重要的半導體材料，用于制造半導體器件、單晶硅和多晶硅都是重要的半導體材料，用于制造半導體器件、太陽能電池等。太陽能電池等。 單晶硅太陽電池的生產(chǎn)需要消耗大量的高純硅材料，而制造這單晶硅太陽電池的生產(chǎn)需要消耗大量的高純硅材料，而制造這些材料工藝復雜，電耗很大，在太陽電池生產(chǎn)總成本中己超二分之些材料工藝復雜，電耗很大，在太陽電池生產(chǎn)總成本中己超二分之一，加之拉制的單晶硅棒呈圓柱狀，切片制作太陽電池也是圓片，一，加之拉制的單晶硅棒呈圓柱狀，切片制作太陽電池也是圓片，組成太陽能組件平面利用

5、率低。因此，組成太陽能組件平面利用率低。因此，80年代以來，歐美一些國家年代以來，歐美一些國家投入了多晶硅太陽能電池的研制。投入了多晶硅太陽能電池的研制。多晶硅是生產(chǎn)單晶硅的直接原料。多晶硅是生產(chǎn)單晶硅的直接原料。 多晶硅太陽電池的制作工藝與單晶硅太陽電池差不多，其光電多晶硅太陽電池的制作工藝與單晶硅太陽電池差不多，其光電轉(zhuǎn)換效率約轉(zhuǎn)換效率約12%左右，稍低于單晶硅太陽電池，但是材料制造簡便，左右，稍低于單晶硅太陽電池，但是材料制造簡便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量發(fā)展。隨著技術得提節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量發(fā)展。隨著技術得提高，目前多晶硅的轉(zhuǎn)換效率也可以達到高，目前

6、多晶硅的轉(zhuǎn)換效率也可以達到14%左右。左右。亞表面損傷檢測的意義亞表面損傷檢測的意義 現(xiàn)代短波光學、強光光學、電子學及薄膜科學等學科的發(fā)現(xiàn)代短波光學、強光光學、電子學及薄膜科學等學科的發(fā)展對所需材料的表面質(zhì)量的要求越來越高，尤其是強激光技術對展對所需材料的表面質(zhì)量的要求越來越高，尤其是強激光技術對光學元件表面粗糙度的要求極為苛刻，要求表面達到超光滑表面光學元件表面粗糙度的要求極為苛刻，要求表面達到超光滑表面的標準。所謂超光滑表面是指均方根表面粗糙度小于的標準。所謂超光滑表面是指均方根表面粗糙度小于lnm的表面，的表面，其特征為表面無任何破損和劃痕、亞表層無破壞、無表層應力。其特征為表面無任何破

7、損和劃痕、亞表層無破壞、無表層應力。 超光滑表面加工的對象為晶體、玻璃和陶瓷等硬脆性材料。超光滑表面加工的對象為晶體、玻璃和陶瓷等硬脆性材料。一般來說，大部分硬脆材料不能通過類似金屬鑄造或塑性加工的一般來說，大部分硬脆材料不能通過類似金屬鑄造或塑性加工的方法來加工，只有采用超精密加工方法，才可以達到較好的超光方法來加工，只有采用超精密加工方法，才可以達到較好的超光滑表面。生產(chǎn)器件，要求晶片是拋光面，即鏡面。其表面的好壞，滑表面。生產(chǎn)器件，要求晶片是拋光面，即鏡面。其表面的好壞，如缺陷、損傷等都直接影響器件的性能，有些缺陷是致命的，從如缺陷、損傷等都直接影響器件的性能，有些缺陷是致命的，從而造成

8、后道工序的成品率低。而造成后道工序的成品率低。常見的亞表面損傷檢測的方法常見的亞表面損傷檢測的方法破壞性檢測破壞性檢測非破壞性檢測非破壞性檢測截面顯微法截面顯微法TEM法法錐度拋光法錐度拋光法X射線衍射法射線衍射法激光散射法激光散射法顯微拉曼光譜法顯微拉曼光譜法破壞性檢測破壞性檢測 破壞性檢測方法在檢測過程中會部分或全部破壞試件，以破壞性檢測方法在檢測過程中會部分或全部破壞試件，以使所要檢測的損傷在表面顯示出來使所要檢測的損傷在表面顯示出來,再通過適當?shù)娘@微觀測技術再通過適當?shù)娘@微觀測技術得到所需要的損傷檢測結果。得到所需要的損傷檢測結果。 破壞性檢測方法的缺點：會破壞晶片，檢測后的晶片將不破

9、壞性檢測方法的缺點：會破壞晶片，檢測后的晶片將不能再繼續(xù)應用。能再繼續(xù)應用。 但破壞性檢測具有檢測結果直觀、方便的優(yōu)勢，所以在但破壞性檢測具有檢測結果直觀、方便的優(yōu)勢，所以在目前的晶片質(zhì)量控制及損傷檢測的研究過程中，該種方法還目前的晶片質(zhì)量控制及損傷檢測的研究過程中，該種方法還是一種不可替代的檢測手段。是一種不可替代的檢測手段。截面顯微法截面顯微法 截面顯微法是觀測晶體亞表面損傷層深度和微裂紋構形的主要方法，截面顯微法是觀測晶體亞表面損傷層深度和微裂紋構形的主要方法，樣品制備的質(zhì)量直接影響試驗結果的準確性，其制備步驟如下：樣品制備的質(zhì)量直接影響試驗結果的準確性，其制備步驟如下：切片切片粘片粘片

10、 研磨研磨拋光拋光腐蝕腐蝕觀測觀測用解理刀將待檢測晶片解理成合適大小的矩形本；用解理刀將待檢測晶片解理成合適大小的矩形本；將待測片與同樣大小的拋光片粘結，盡量保證各片的待測截面平齊。將待測片與同樣大小的拋光片粘結，盡量保證各片的待測截面平齊。以去除解理時產(chǎn)生的損傷，同時保證待測面與晶片加工面垂直；以去除解理時產(chǎn)生的損傷，同時保證待測面與晶片加工面垂直；對待測截面進行拋光，以保證待測截面無加工損傷；對待測截面進行拋光，以保證待測截面無加工損傷；采用合適的腐蝕條件對待測面進行腐蝕；采用合適的腐蝕條件對待測面進行腐蝕；對制備好的試樣進行觀察分析，獲得晶片的損傷層深度及微裂紋構型。對制備好的試樣進行觀

11、察分析，獲得晶片的損傷層深度及微裂紋構型。樣品粘結示意圖樣品粘結示意圖ZYP300型旋轉(zhuǎn)擺動重力式研磨拋光機型旋轉(zhuǎn)擺動重力式研磨拋光機截面顯微法截面顯微法截面顯微法截面顯微法1. 樣品的制作樣品的制作2. 能將不同加工工藝對單晶藍寶石晶體造成的亞能將不同加工工藝對單晶藍寶石晶體造成的亞 表面損傷顯現(xiàn)出來的腐蝕液配方表面損傷顯現(xiàn)出來的腐蝕液配方腐蝕液配方為腐蝕液配方為KOH:K2CO3=20g:1g，在，在420oC下腐蝕下腐蝕3min經(jīng)過試驗確定經(jīng)過試驗確定SiC晶片晶片 試驗樣品制備相對簡單，容易實現(xiàn)，但檢測精試驗樣品制備相對簡單，容易實現(xiàn)，但檢測精確度不高，適用于大損傷基片的檢測。確度不高

12、，適用于大損傷基片的檢測。SiC晶片的的截面顯微圖像晶片的的截面顯微圖像 （a）斜線狀）斜線狀 （b）垂線狀）垂線狀 （c）叉狀）叉狀 （d）鉤狀）鉤狀 （e）人字狀）人字狀 （f）橫線狀）橫線狀 （g）樹枝狀）樹枝狀SiC晶片亞表面微裂紋構型晶片亞表面微裂紋構型錐度拋光法錐度拋光法 錐度拋光法是一種標準的亞表面損傷檢測方法，在常錐度拋光法是一種標準的亞表面損傷檢測方法，在常規(guī)的損傷檢測中具有一定的地位，它也是一種常用的破壞規(guī)的損傷檢測中具有一定的地位，它也是一種常用的破壞性檢測手段，其中的錐度相當于一個損傷性檢測手段，其中的錐度相當于一個損傷“放大器放大器”，它，它將原來在截面上的損傷信息以

13、腐蝕坑的形式在一個小角度將原來在截面上的損傷信息以腐蝕坑的形式在一個小角度的斜面上顯示出來。一般情況下，因為斜面的放大作用，的斜面上顯示出來。一般情況下，因為斜面的放大作用，它比截面顯微法具有更高的分辨率，誤差更小，適合于檢它比截面顯微法具有更高的分辨率，誤差更小，適合于檢測損傷深度較小的晶片。測損傷深度較小的晶片。 晶體缺陷部分引起的局部應力場會促使腐蝕速率加快，晶體缺陷部分引起的局部應力場會促使腐蝕速率加快，進而在晶片損傷區(qū)域形成一定形狀的腐蝕坑，通過測量腐進而在晶片損傷區(qū)域形成一定形狀的腐蝕坑，通過測量腐蝕坑的分布就可以得到單晶的亞表面損傷深度。錐度拋光蝕坑的分布就可以得到單晶的亞表面損

14、傷深度。錐度拋光法樣品制備相對簡單，容易實現(xiàn)，但在損傷深度過小法樣品制備相對簡單，容易實現(xiàn)，但在損傷深度過小(0.1um)時不宜采用。時不宜采用。錐度拋光法原理圖錐度拋光法原理圖 錐度拋光樣品夾具圖錐度拋光樣品夾具圖最終樣品示意圖最終樣品示意圖腐蝕前腐蝕前(800)腐蝕后腐蝕后(800)游離磨料研磨游離磨料研磨SiC晶片的錐度拋光顯微圖像晶片的錐度拋光顯微圖像腐蝕前腐蝕前(800)腐蝕后腐蝕后(800)固結磨料研磨固結磨料研磨SiC晶片的錐度拋光顯微圖像晶片的錐度拋光顯微圖像四種硅片的錐度拋光法檢測結果四種硅片的錐度拋光法檢測結果透射電鏡（透射電鏡（TEM）法）法 截面顯微法的檢測精度較低。透

15、射電子顯微鏡截面顯微法的檢測精度較低。透射電子顯微鏡(TEM)檢測與截面顯微法檢測與截面顯微法相比，可以更加清晰地觀測亞表面損傷層的深度，并可以進一步分辨出非晶相比，可以更加清晰地觀測亞表面損傷層的深度，并可以進一步分辨出非晶層、破碎層和位錯分布，但同時樣品的制作更為復雜。層、破碎層和位錯分布，但同時樣品的制作更為復雜。 透射電鏡樣品制備在電子顯微學研究中起著非常重要的作用。透射電鏡樣品制備在電子顯微學研究中起著非常重要的作用。目前已發(fā)展了多種制備方法，傳統(tǒng)的透射電鏡樣品制備方法有：電解目前已發(fā)展了多種制備方法，傳統(tǒng)的透射電鏡樣品制備方法有：電解雙噴、超薄切片、聚焦離雙噴、超薄切片、聚焦離 子

16、束（子束（FIB）、離子減薄等。）、離子減薄等。透射電子顯微鏡樣品的分類透射電子顯微鏡樣品的分類1.粉末樣品粉末樣品2. 塊體樣品塊體樣品3. 薄膜樣品薄膜樣品4. 高分子、生物樣品高分子、生物樣品脆性材料脆性材料塑性材料塑性材料平面樣品平面樣品截面樣品截面樣品塊體樣品塊體樣品為什么要制樣？為什么要制樣？ 透射電子束一般能穿透厚度為透射電子束一般能穿透厚度為100nm以下的薄層樣品以下的薄層樣品透射電鏡樣品臺只可以放入直徑透射電鏡樣品臺只可以放入直徑3mm的圓片的圓片TEM塊體樣品的制備其實是個材料加工成型的過程，要塊體樣品的制備其實是個材料加工成型的過程，要充分考慮材料本身的特性充分考慮材料

17、本身的特性 陶瓷、半導體等脆性材料，容易陶瓷、半導體等脆性材料，容易開裂，磨樣時要輕柔，用超聲切割獲開裂，磨樣時要輕柔，用超聲切割獲得得3mm圓片圓片 送樣要求：厚度送樣要求：厚度0.20.3mm，10mm見方的薄片，可以將樣品用見方的薄片，可以將樣品用線切割、砂紙磨等方式處理成上述線切割、砂紙磨等方式處理成上述薄片薄片Gatan 601 超聲波圓片切割機超聲波圓片切割機塊體樣品塊體樣品塊體樣品塊體樣品脆性樣品制樣流程示意圖（如硅片、陶瓷等）脆性樣品制樣流程示意圖（如硅片、陶瓷等）圓片切割圓片切割單面拋光單面拋光 凹坑凹坑離子減薄離子減薄 樣品 情況 3mm 單面拋光中心厚度1030m幾納米到

18、幾十納米的薄區(qū)塊體樣品塊體樣品-凹坑凹坑Gatan 656 凹坑儀凹坑儀要求：對拋光后的樣品的另一面進行機要求：對拋光后的樣品的另一面進行機 械預減薄至械預減薄至 8080m，對圓片，對圓片 中間凹坑，使樣品中間厚度減中間凹坑，使樣品中間厚度減 至至1030m。優(yōu)點：增大薄區(qū)面積；準備定位減薄位置。優(yōu)點：增大薄區(qū)面積；準備定位減薄位置。凹坑示意圖凹坑示意圖塊體樣品塊體樣品-凹坑凹坑塊體樣品塊體樣品-離子減薄離子減薄Gatan 691精密離子減薄儀精密離子減薄儀目的：目的：TEM樣品的最終減薄，樣品的最終減薄， 以獲得電子束透明的觀以獲得電子束透明的觀 察區(qū)域。察區(qū)域。原理：在電場作用下氬氣被電

19、原理：在電場作用下氬氣被電 離成帶離成帶Ar+的氬離子，的氬離子， 帶著一定能量的氬離子帶著一定能量的氬離子 從陽極飛向陰極，通過從陽極飛向陰極，通過 陰極孔，打在樣品表面，陰極孔，打在樣品表面， 使樣品表面濺射。使樣品表面濺射。截面樣品的制備截面樣品的制備1.選樣品選樣品2. 樣品的清洗處理樣品的清洗處理3. 加陪片（常用硅片）粘樣品加陪片（常用硅片）粘樣品按照塊體樣品制備的步驟按照塊體樣品制備的步驟非破壞性檢測非破壞性檢測 與破壞性檢測相比，非破壞性檢測在樣品檢測的過程中不與破壞性檢測相比，非破壞性檢測在樣品檢測的過程中不會給晶片造成破壞，也不會引入新的損傷，這一突出的優(yōu)點使得會給晶片造成

20、破壞，也不會引入新的損傷，這一突出的優(yōu)點使得其在某些場合下獲得了極為廣泛的應用。其在某些場合下獲得了極為廣泛的應用。顯微拉曼光譜法顯微拉曼光譜法 拉曼光譜分析法是基于拉曼光譜分析法是基于1928年印度物理學家年印度物理學家C.V.Raman等發(fā)等發(fā)現(xiàn)的基于光的非彈性散射拉曼效應。入射光與樣品分子之間并非現(xiàn)的基于光的非彈性散射拉曼效應。入射光與樣品分子之間并非都發(fā)生彈性碰撞，也會以一定幾率出現(xiàn)方向、頻率均改變的非彈都發(fā)生彈性碰撞，也會以一定幾率出現(xiàn)方向、頻率均改變的非彈性碰撞，即拉曼散射。人射光與拉曼散射光頻率之間的差值即為性碰撞，即拉曼散射。人射光與拉曼散射光頻率之間的差值即為拉曼偏移。拉曼偏

21、移。 拉曼光譜分析法是一種對與入射光頻率不同的散射光譜進行拉曼光譜分析法是一種對與入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到檢測樣品分子振動、轉(zhuǎn)動方面的信息，并應用于分子分析以得到檢測樣品分子振動、轉(zhuǎn)動方面的信息，并應用于分子結構研究的一種分析方法。目前，顯微結構研究的一種分析方法。目前，顯微Raman光譜儀被廣泛應用光譜儀被廣泛應用于晶體材料的相位轉(zhuǎn)換及殘余應力的檢測分析中。于晶體材料的相位轉(zhuǎn)換及殘余應力的檢測分析中。顯微拉曼光譜法顯微拉曼光譜法 傳統(tǒng)的顯微拉曼光譜儀的激光束光斑尺寸相對較大傳統(tǒng)的顯微拉曼光譜儀的激光束光斑尺寸相對較大(10mm2mm )，分辨率低，在目前超精密加工晶片的殘余應力

22、分析中采用的顯微拉曼光譜分辨率低，在目前超精密加工晶片的殘余應力分析中采用的顯微拉曼光譜儀的激光束直徑為儀的激光束直徑為1m。英國雷尼紹inVia激光拉曼光譜儀 其原理是將入射激光通過顯微鏡聚焦到樣品上，從而可以在不受周圍其原理是將入射激光通過顯微鏡聚焦到樣品上，從而可以在不受周圍物質(zhì)干擾的情況下精確地獲得樣品微區(qū)的有關化學成分、晶體結構、分子物質(zhì)干擾的情況下精確地獲得樣品微區(qū)的有關化學成分、晶體結構、分子相互作用及分子取向等各種拉曼光譜信息。并可以通過改變?nèi)肷浼す馐南嗷プ饔眉胺肿尤∠虻雀鞣N拉曼光譜信息。并可以通過改變?nèi)肷浼す馐牟ㄩL來改變檢測深度，從而獲取波長來改變檢測深度，從而獲取0.110m深度范圍內(nèi)的應力和相位信息。深度范圍內(nèi)的應力和相位信息。 應用顯微拉曼光譜法在應用顯微拉曼光譜法在測量晶體材料的殘余應力時，測量晶體材料的殘余應力時，材料在受到應力作用時，與之材料在受到應力作用時，與之對應的拉曼光譜會發(fā)生一定的對應的拉曼光譜會發(fā)生一定的變化：當材料受壓應力時，拉變化：當材料受壓應力時，拉曼峰位會向高波數(shù)移動；當材曼峰位會向高波數(shù)移動；當材料受