第二章化學(xué)腐蝕法檢測(cè)晶體缺陷

1、第第2章章 化學(xué)腐蝕法檢測(cè)晶體缺陷化學(xué)腐蝕法檢測(cè)晶體缺陷2.1 半導(dǎo)體晶體的電化學(xué)腐蝕機(jī)理及常用半導(dǎo)體晶體的電化學(xué)腐蝕機(jī)理及常用腐蝕劑腐蝕劑2.2 半導(dǎo)體單晶體的缺陷半導(dǎo)體單晶體的缺陷2.3 硅單晶位錯(cuò)的檢測(cè)硅單晶位錯(cuò)的檢測(cè)2.4 單晶硅中漩渦缺陷的檢測(cè)單晶硅中漩渦缺陷的檢測(cè)2.5 化學(xué)工藝中的安全知識(shí)化學(xué)工藝中的安全知識(shí)2.6 金相顯微鏡簡(jiǎn)介金相顯微鏡簡(jiǎn)介v缺陷檢測(cè)的意義：缺陷檢測(cè)的意義：v硅單晶中的各種缺陷對(duì)器件的性能有很大的影響，硅單晶中的各種缺陷對(duì)器件的性能有很大的影響，它會(huì)造成它會(huì)造成擴(kuò)散結(jié)面不平整，使晶體管中出現(xiàn)管道，擴(kuò)散結(jié)面不平整，使晶體管中出現(xiàn)管道，引起引起p-n 結(jié)的反向漏電

2、流增大等。結(jié)的反向漏電流增大等。v而各種缺陷的產(chǎn)生種類和數(shù)量的多少與晶體制備工而各種缺陷的產(chǎn)生種類和數(shù)量的多少與晶體制備工藝和器件工藝有關(guān)。藝和器件工藝有關(guān)。v v檢測(cè)方法檢測(cè)方法v晶體缺陷的實(shí)驗(yàn)觀察方法有許多種，如透射電子顯晶體缺陷的實(shí)驗(yàn)觀察方法有許多種，如透射電子顯微鏡、微鏡、X光貌相技術(shù)、紅外顯微鏡及金相腐蝕顯示光貌相技術(shù)、紅外顯微鏡及金相腐蝕顯示（電化學(xué)腐蝕法電化學(xué)腐蝕法）等方法。）等方法。v電化學(xué)腐蝕法的特點(diǎn)：電化學(xué)腐蝕法的特點(diǎn)：v（1）設(shè)備簡(jiǎn)單，操作易掌握，較直觀，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作易掌握，較直觀，是觀察研是觀察研究晶體缺陷的最常用的方法之一。究晶體缺陷的最常用的方法之一。v（2）可以

3、揭示）可以揭示缺陷的類型、數(shù)量和分布情況缺陷的類型、數(shù)量和分布情況，找，找出缺陷形成、增殖和晶體制備工藝及器件工藝的關(guān)出缺陷形成、增殖和晶體制備工藝及器件工藝的關(guān)系，為改進(jìn)工藝，減少缺陷、提高器件合格率和改系，為改進(jìn)工藝，減少缺陷、提高器件合格率和改善器件性能提供線索。善器件性能提供線索。2.1 半導(dǎo)體晶體的電化學(xué)腐蝕機(jī)理及常用腐蝕劑半導(dǎo)體晶體的電化學(xué)腐蝕機(jī)理及常用腐蝕劑v一、電化學(xué)腐蝕機(jī)理一、電化學(xué)腐蝕機(jī)理v1、化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕：指金屬或半導(dǎo)體材料與接觸到的物質(zhì)直接發(fā)：指金屬或半導(dǎo)體材料與接觸到的物質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕。這類腐蝕不普遍、只有在特殊條生化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕。這類腐蝕不普遍

4、、只有在特殊條件下發(fā)生。件下發(fā)生。 以硅為例，經(jīng)常在高溫以硅為例，經(jīng)常在高溫1200，用，用HCl進(jìn)行硅進(jìn)行硅表面氣相腐蝕。反應(yīng)如下表面氣相腐蝕。反應(yīng)如下Si+4HCl SiCl4+2H21200v2、電化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕：指金屬或半導(dǎo)體材料在電解質(zhì)溶液中受到：指金屬或半導(dǎo)體材料在電解質(zhì)溶液中受到的腐蝕，也是指由于形成了原電池而發(fā)生電化學(xué)作用引起的腐蝕，也是指由于形成了原電池而發(fā)生電化學(xué)作用引起的腐蝕。如圖的腐蝕。如圖2-1-1：圖圖2-1-1 金屬的電化學(xué)腐蝕的裝置金屬的電化學(xué)腐蝕的裝置22ZneZn負(fù)極負(fù)極正極正極v2、構(gòu)成硅單晶形成的電化學(xué)腐蝕的條件：、構(gòu)成硅單晶形成的電化學(xué)腐蝕的條件：

5、v（1）半導(dǎo)體被腐蝕的各部分或區(qū)域之間存在電位差，有正）半導(dǎo)體被腐蝕的各部分或區(qū)域之間存在電位差，有正負(fù)極。負(fù)極。v（2）不同電極電位相互接觸。）不同電極電位相互接觸。v（3）不同部分處于連通的電解質(zhì)溶液中，構(gòu)成許多微電池）不同部分處于連通的電解質(zhì)溶液中，構(gòu)成許多微電池。v3、半導(dǎo)體晶體的電化學(xué)腐蝕機(jī)理、半導(dǎo)體晶體的電化學(xué)腐蝕機(jī)理:v利用半導(dǎo)體晶體在各種酸或堿性電解質(zhì)溶液中，表面構(gòu)成了利用半導(dǎo)體晶體在各種酸或堿性電解質(zhì)溶液中，表面構(gòu)成了微電池，由于微電池的電化學(xué)作用使晶體表面受到腐蝕，其微電池，由于微電池的電化學(xué)作用使晶體表面受到腐蝕，其實(shí)質(zhì)是一種氧化還原反應(yīng)實(shí)質(zhì)是一種氧化還原反應(yīng)。v（1）在

6、）在HNO3和和HF溶液電解質(zhì)溶液中的腐蝕溶液電解質(zhì)溶液中的腐蝕負(fù)極：負(fù)極：正極：正極：OHSiFHHFSiOeHSiOpOHSi262222262422pOHNOHHNO32323v總反應(yīng)：總反應(yīng)：v無(wú)氧化劑時(shí)，發(fā)生無(wú)氧化劑時(shí)，發(fā)生析氫反應(yīng)析氫反應(yīng)，反應(yīng)速度較慢，反應(yīng)速度較慢v正極：正極：注：用注：用CrO3或鉻酸加在或鉻酸加在HF中也可以提高腐蝕速度中也可以提高腐蝕速度 OHNOSiFHHFHNOSi26238431843222HeHv（2）在）在NaOH和和KOH溶液電解質(zhì)溶液中的腐蝕溶液電解質(zhì)溶液中的腐蝕v負(fù)極：負(fù)極：v正極：正極：v總反應(yīng)：總反應(yīng)：v添加中性或堿性氧化劑可以提高其腐蝕

7、速度，如添加中性或堿性氧化劑可以提高其腐蝕速度，如eOHSiOOHSi436223222HeH22232346HOHSiOHOHSi22OHNaClO二、影響半導(dǎo)體單晶電化學(xué)腐蝕速度的各種因素二、影響半導(dǎo)體單晶電化學(xué)腐蝕速度的各種因素v1、腐蝕液成分：、腐蝕液成分：v根本原因根本原因:（能否促進(jìn)電極反應(yīng)的順利進(jìn)行能否促進(jìn)電極反應(yīng)的順利進(jìn)行）v （1）強(qiáng)酸）強(qiáng)酸強(qiáng)堿強(qiáng)堿v （2）強(qiáng)氧化劑可以加快腐蝕速度）強(qiáng)氧化劑可以加快腐蝕速度v （3）成分相同的腐蝕液配比不同，腐蝕速度也有別）成分相同的腐蝕液配比不同，腐蝕速度也有別v在純?cè)诩僅NO3和純和純HF中的腐蝕速度小。當(dāng)中的腐蝕速度小。當(dāng)HNO3：H

8、F=1:4.5時(shí)，時(shí)，腐蝕速度有最大值。腐蝕速度有最大值。如圖所示：如圖所示：圖圖2-1-2 硅在硅在70%（重量）（重量）HNO3+49%(重量）重量）HF混合液中的腐蝕速度與成分的關(guān)系混合液中的腐蝕速度與成分的關(guān)系v2、電極電位、電極電位:電位低的電極容易被腐蝕，電位高的電位低的電極容易被腐蝕，電位高的電極不容易被腐蝕。電位差越大，腐蝕越快。而電極不容易被腐蝕。電位差越大，腐蝕越快。而對(duì)于半導(dǎo)體晶體，決定電極電位高低的因素：對(duì)于半導(dǎo)體晶體，決定電極電位高低的因素：v1）腐蝕液成分和導(dǎo)電類型（如圖）腐蝕液成分和導(dǎo)電類型（如圖2-2-3）v2）載流子濃度（如圖）載流子濃度（如圖2-2-4）圖圖

9、2-2-3 n型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體在中腐蝕液中的電極電位型半導(dǎo)體在中腐蝕液中的電極電位返回返回圖圖2-2-4 硅在硅在90%濃濃HNO3+10%濃濃HF中的電極電位中的電極電位返回返回3、緩沖劑的作用：、緩沖劑的作用： 弱酸或弱堿，弱酸或弱堿，H+或或OH - 不能完全電離，不能完全電離，降低了其濃度，因此正、負(fù)極反應(yīng)速度變慢。降低了其濃度，因此正、負(fù)極反應(yīng)速度變慢。4、溫度和攪拌的速度、溫度和攪拌的速度1）溫度高腐蝕速度快。）溫度高腐蝕速度快。2）攪拌可以提高腐蝕速度、改變腐蝕的擇優(yōu)性。）攪拌可以提高腐蝕速度、改變腐蝕的擇優(yōu)性。v擇優(yōu)性：指晶體的某些晶面優(yōu)先受到腐蝕，而某些晶面不擇

10、優(yōu)性：指晶體的某些晶面優(yōu)先受到腐蝕，而某些晶面不容易受到腐蝕而成為裸露面。容易受到腐蝕而成為裸露面。5、光照的影響：、光照的影響：光照的作用產(chǎn)生電子光照的作用產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，加大了為電空穴對(duì)，加大了為電池的作用。池的作用。三、腐蝕在半導(dǎo)體中的應(yīng)用三、腐蝕在半導(dǎo)體中的應(yīng)用v1、半導(dǎo)體材料、器具等的清洗、半導(dǎo)體材料、器具等的清洗v常用的清洗劑：常用的清洗劑：各種無(wú)機(jī)酸、氧化劑和絡(luò)合劑等。各種無(wú)機(jī)酸、氧化劑和絡(luò)合劑等。v（1）鹽酸、硝酸鹽酸、硝酸：利用其強(qiáng)酸性去除金屬雜質(zhì)；：利用其強(qiáng)酸性去除金屬雜質(zhì)；v（2）濃硫酸濃硫酸：利用碳化作用去除有機(jī)雜質(zhì)；：利用碳化作用去除有機(jī)雜質(zhì)；重鉻酸重鉻酸鉀和濃硫酸

11、鉀和濃硫酸可以去除玻璃、金屬等各種器皿表面的雜可以去除玻璃、金屬等各種器皿表面的雜質(zhì)；質(zhì)；v（3）絡(luò)合物絡(luò)合物：與金屬雜質(zhì)反應(yīng)生成可溶性化合物；：與金屬雜質(zhì)反應(yīng)生成可溶性化合物；v（4）雙氧水和氨水雙氧水和氨水：可以去除有機(jī)顆粒和部分的金：可以去除有機(jī)顆粒和部分的金屬離子屬離子如：美國(guó)如：美國(guó)RCA超聲波清洗劑（硅片清洗）超聲波清洗劑（硅片清洗）v（1）SC-1：主要由：主要由NH4OH、H2O2、H2O組成，簡(jiǎn)稱組成，簡(jiǎn)稱APM，濃度比例濃度比例1:1:51:2:7，清洗溫度一般為，清洗溫度一般為70-80，PH值較值較高。高。v作用：去除硅片表面微粒、有機(jī)物顆粒和部分金屬雜質(zhì)（作用：去除硅

12、片表面微粒、有機(jī)物顆粒和部分金屬雜質(zhì)（Fe、Zn、Cu、Cr、Ag等）等）v（2）SC-2：主要由：主要由HCl、 H2O2、H2O組成，簡(jiǎn)稱組成，簡(jiǎn)稱HPM，濃，濃度比例度比例1:1:51:2:8，清洗溫度一般為，清洗溫度一般為70-80，PH較低。較低。v作用：去除堿金屬離子、作用：去除堿金屬離子、Cu、Au等殘余金屬、等殘余金屬、Al(OH) 3、Fe(OH)3、Zn(OH) 2等氧化物。等氧化物。v2、晶體缺陷的顯示、晶體缺陷的顯示v（1）通過(guò)擇優(yōu)腐蝕，得到各種形狀的缺陷腐蝕坑。如圖所）通過(guò)擇優(yōu)腐蝕，得到各種形狀的缺陷腐蝕坑。如圖所示位錯(cuò)缺陷的顯示：示位錯(cuò)缺陷的顯示： 圖圖2-2-5

13、（111）晶面的位錯(cuò)腐蝕坑）晶面的位錯(cuò)腐蝕坑v（2）單晶前沿的顯示：摻雜半導(dǎo)體的雜質(zhì)分凝作）單晶前沿的顯示：摻雜半導(dǎo)體的雜質(zhì)分凝作用引起的電阻率條紋。如圖所示：用引起的電阻率條紋。如圖所示：圖圖2-2-6 單晶硅的生長(zhǎng)前沿單晶硅的生長(zhǎng)前沿v3、拋光腐蝕、拋光腐蝕v缺陷腐蝕前的前工序，有利于缺陷的更好的顯示。缺陷腐蝕前的前工序，有利于缺陷的更好的顯示。v作用：除去切割等工序產(chǎn)生的機(jī)械損傷，將表面拋光成鏡面作用：除去切割等工序產(chǎn)生的機(jī)械損傷，將表面拋光成鏡面v一般情況下拋光腐蝕速度大于缺陷腐蝕的速度一般情況下拋光腐蝕速度大于缺陷腐蝕的速度v拋光腐蝕和缺陷腐蝕的判斷：通過(guò)速度的大小關(guān)系判斷，如拋光腐

14、蝕和缺陷腐蝕的判斷：通過(guò)速度的大小關(guān)系判斷，如圖所示：圖所示：v4、化學(xué)減薄、化學(xué)減薄v（1）往樣品中央噴射拋光液以形成空洞，用于透）往樣品中央噴射拋光液以形成空洞，用于透射電子顯微鏡來(lái)觀察空洞周?chē)谋』瘏^(qū)。（射電子顯微鏡來(lái)觀察空洞周?chē)谋』瘏^(qū)。（2）也）也可以去除機(jī)械損傷可以去除機(jī)械損傷,減少和消除熱氧化缺陷。減少和消除熱氧化缺陷。當(dāng)當(dāng) Vc VsVd 時(shí)，為拋光腐蝕時(shí)，為拋光腐蝕 當(dāng)當(dāng) Vc VdVs時(shí)，為缺陷腐蝕時(shí)，為缺陷腐蝕圖圖2-2-7 腐蝕坑形成的三個(gè)速度腐蝕坑形成的三個(gè)速度四、半導(dǎo)體硅的常用腐蝕劑四、半導(dǎo)體硅的常用腐蝕劑v1、腐蝕劑中各液體成分的濃度大致：、腐蝕劑中各液體成分的濃

15、度大致：vHF HNO3 H2O2 HCl HAcv49% 70% 30% 36% 99%以上以上2、硅單晶的幾種典型的腐蝕液、硅單晶的幾種典型的腐蝕液v（1）通常用的拋光（非擇優(yōu)）腐蝕劑的配方為：）通常用的拋光（非擇優(yōu)）腐蝕劑的配方為：vHF:HNO3=1:2.5v（2） Sirtl(希爾）希爾） HF溶液溶液+33%CrO3水溶液，根水溶液，根據(jù)配比不同可以配制不同速度的腐蝕液。據(jù)配比不同可以配制不同速度的腐蝕液。v先用先用CrO3與去離子水配成標(biāo)準(zhǔn)液：與去離子水配成標(biāo)準(zhǔn)液：v標(biāo)準(zhǔn)液標(biāo)準(zhǔn)液50g CrO3+100g H2Ov然后配成下列幾種腐蝕液：然后配成下列幾種腐蝕液：vA. 標(biāo)準(zhǔn)液：標(biāo)

16、準(zhǔn)液：HF=2:1(慢速液慢速液) （用于（用于（100）晶面擇優(yōu)腐蝕）晶面擇優(yōu)腐蝕）vB. 標(biāo)準(zhǔn)液：標(biāo)準(zhǔn)液：HF=3:2(中速液中速液)vC. 標(biāo)準(zhǔn)液：標(biāo)準(zhǔn)液：HF=1:1(快速液快速液) （ 用于（用于（111）晶面擇優(yōu)腐蝕）晶面擇優(yōu)腐蝕）vD. 標(biāo)準(zhǔn)液：標(biāo)準(zhǔn)液：HF=1:2(快速液快速液)v（3）Dash（達(dá)希）腐蝕液（達(dá)希）腐蝕液vDash腐蝕液的配方為：腐蝕液的配方為：vHF:HNO3:CH3COOH1:3:8v用于多個(gè)晶面腐蝕用于多個(gè)晶面腐蝕2.2 半導(dǎo)體單晶硅的缺陷半導(dǎo)體單晶硅的缺陷半導(dǎo)體晶體缺陷的分類：半導(dǎo)體晶體缺陷的分類：1、微觀缺陷（點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、層錯(cuò)、微缺陷等）、微觀缺陷

17、（點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、層錯(cuò)、微缺陷等）2、宏觀缺陷（雙晶、星型結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)析出、漩、宏觀缺陷（雙晶、星型結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)析出、漩渦結(jié)構(gòu)等）渦結(jié)構(gòu)等）3、晶格的點(diǎn)陣應(yīng)變和表面機(jī)械損傷、晶格的點(diǎn)陣應(yīng)變和表面機(jī)械損傷v（一）點(diǎn)缺陷（一）點(diǎn)缺陷v點(diǎn)缺陷的概念點(diǎn)缺陷的概念：由于晶體中空位、填隙原子及雜質(zhì)由于晶體中空位、填隙原子及雜質(zhì)原子的存在，引起晶格周期性的破壞，發(fā)生在一個(gè)原子的存在，引起晶格周期性的破壞，發(fā)生在一個(gè)或幾個(gè)晶格常數(shù)的限度范圍內(nèi)，這類缺陷統(tǒng)稱為點(diǎn)或幾個(gè)晶格常數(shù)的限度范圍內(nèi)，這類缺陷統(tǒng)稱為點(diǎn)缺陷。缺陷。v按其對(duì)理想晶格的偏離的幾何位置及成分來(lái)劃分：按其對(duì)理想晶格的偏離的幾何位置及成分來(lái)劃分：空位、填隙原

18、子、外來(lái)雜質(zhì)原子和復(fù)合體（絡(luò)合體）空位、填隙原子、外來(lái)雜質(zhì)原子和復(fù)合體（絡(luò)合體）等。等。一、一、 微觀缺陷微觀缺陷圖圖 2-3-1 空位缺陷空位缺陷1、空位空位：晶體中的原子由于：晶體中的原子由于熱運(yùn)動(dòng)或輻射熱運(yùn)動(dòng)或輻射離開(kāi)平衡位置跑離開(kāi)平衡位置跑到晶格的空隙中或晶體的表面，原來(lái)的位置又沒(méi)被其他的到晶格的空隙中或晶體的表面，原來(lái)的位置又沒(méi)被其他的原子占據(jù)而留下的空位。如圖所示：原子占據(jù)而留下的空位。如圖所示：v空位存在的形式：空位存在的形式：v1）晶體由在冷卻到室溫的過(guò)程中，空位來(lái)不及擴(kuò)散直接被）晶體由在冷卻到室溫的過(guò)程中，空位來(lái)不及擴(kuò)散直接被“凍結(jié)凍結(jié)”在體內(nèi)。在體內(nèi)。v2）與雜質(zhì)原子形成絡(luò)

19、合體。）與雜質(zhì)原子形成絡(luò)合體。v3）在位錯(cuò)附近消失引起位錯(cuò)的攀移。）在位錯(cuò)附近消失引起位錯(cuò)的攀移。v4）形成雙空位，凝聚成團(tuán)而塌蹦形成位錯(cuò)圈。）形成雙空位，凝聚成團(tuán)而塌蹦形成位錯(cuò)圈。v而許多空位聚集成團(tuán)，當(dāng)它蹋蹦時(shí)形成位錯(cuò)圈時(shí)，可以而許多空位聚集成團(tuán)，當(dāng)它蹋蹦時(shí)形成位錯(cuò)圈時(shí)，可以用化學(xué)腐蝕法或透射電子顯微鏡觀察。用化學(xué)腐蝕法或透射電子顯微鏡觀察。v2、填隙原子（、填隙原子（自間隙原子自間隙原子）：）：晶體中的原子由于熱運(yùn)動(dòng)或晶體中的原子由于熱運(yùn)動(dòng)或輻射離開(kāi)平衡位置跑到晶格的空隙中，這樣的原子稱為填隙輻射離開(kāi)平衡位置跑到晶格的空隙中，這樣的原子稱為填隙原子。如圖所示：原子。如圖所示：圖圖 2-3

20、-2 弗侖克爾缺陷弗侖克爾缺陷v填隙原子存在的方式：填隙原子存在的方式：v（1）與空位結(jié)合而消失。）與空位結(jié)合而消失。v（2）聚集成團(tuán)形成間隙性位錯(cuò)圈。）聚集成團(tuán)形成間隙性位錯(cuò)圈。v（3）在生長(zhǎng)界面附近凝聚形成微缺陷。）在生長(zhǎng)界面附近凝聚形成微缺陷。v3、雜質(zhì)原子（外來(lái)原子）：、雜質(zhì)原子（外來(lái)原子）：由外來(lái)原子進(jìn)入晶體而產(chǎn)生的由外來(lái)原子進(jìn)入晶體而產(chǎn)生的缺陷。雜質(zhì)原子又分為填隙式和替位式原子。如圖所示：缺陷。雜質(zhì)原子又分為填隙式和替位式原子。如圖所示：圖圖 2-3-3 外來(lái)雜質(zhì)原子外來(lái)雜質(zhì)原子v硅中的雜質(zhì)氧、碳以及重金屬都可能以兩種方式存在，并與硅中的雜質(zhì)氧、碳以及重金屬都可能以兩種方式存在，并

21、與硅結(jié)合成鍵，如氧與硅形成硅結(jié)合成鍵，如氧與硅形成Si-O-Si鍵。鍵。v4、絡(luò)合體、絡(luò)合體v雜質(zhì)原子與空位相結(jié)合形成的復(fù)合體。雜質(zhì)原子與空位相結(jié)合形成的復(fù)合體。v如：空位如：空位-磷原子對(duì)（磷原子對(duì)（E中心）中心）v 空位空位-氧原子對(duì)氧原子對(duì) （A中心）中心）v這些絡(luò)合體具有電活性，因此會(huì)影響半導(dǎo)體的載流這些絡(luò)合體具有電活性，因此會(huì)影響半導(dǎo)體的載流子濃度。子濃度。v（二）線缺陷：周期性的破壞局域在線附近（二）線缺陷：周期性的破壞局域在線附近, 一般指位錯(cuò)一般指位錯(cuò) 。位錯(cuò)主要有位錯(cuò)主要有刃位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)以及位錯(cuò)環(huán)刃位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)以及位錯(cuò)環(huán)。如圖所示為位錯(cuò)。如圖所示為位錯(cuò)的示意圖：的示意圖：

22、圖圖 2-3-4 線缺陷線缺陷v1、刃位錯(cuò)：、刃位錯(cuò)：刃位錯(cuò)的構(gòu)成象似一把刀劈柴似的，把半個(gè)原子刃位錯(cuò)的構(gòu)成象似一把刀劈柴似的，把半個(gè)原子面夾到完整晶體中，這半個(gè)面似刀刃，因而得名。面夾到完整晶體中，這半個(gè)面似刀刃，因而得名。如圖所示。如圖所示。特點(diǎn)：特點(diǎn)：原子只在刃部的一排原子是錯(cuò)排的，位錯(cuò)線原子只在刃部的一排原子是錯(cuò)排的，位錯(cuò)線垂直垂直于滑移方向。于滑移方向。圖圖 2-3-5 刃位錯(cuò)刃位錯(cuò)(a) (b)v2、螺位錯(cuò)：、螺位錯(cuò)： 當(dāng)晶體中存在螺位錯(cuò)時(shí)，原來(lái)的一組晶面就當(dāng)晶體中存在螺位錯(cuò)時(shí)，原來(lái)的一組晶面就像像變成單個(gè)晶面組成的螺旋階梯。變成單個(gè)晶面組成的螺旋階梯。圖圖 2-3-6 刃位錯(cuò)刃位

23、錯(cuò)v特點(diǎn)：特點(diǎn)：位錯(cuò)線和位移方向平行位錯(cuò)線和位移方向平行，螺型位錯(cuò)周?chē)狞c(diǎn)陣畸變隨離位錯(cuò)，螺型位錯(cuò)周?chē)狞c(diǎn)陣畸變隨離位錯(cuò)線距離的增加而急劇減少，故它也是包含幾個(gè)原子寬度的線缺陷線距離的增加而急劇減少，故它也是包含幾個(gè)原子寬度的線缺陷 。v3、混合位錯(cuò)：、混合位錯(cuò)：v除了上面介紹的兩種基本型位錯(cuò)外，還有一種形式更為普遍除了上面介紹的兩種基本型位錯(cuò)外，還有一種形式更為普遍的位錯(cuò)，其的位錯(cuò)，其滑移矢量既不平行也不垂直于位錯(cuò)線滑移矢量既不平行也不垂直于位錯(cuò)線，而與位錯(cuò)，而與位錯(cuò)線相交成任意角度，這種位錯(cuò)稱為混合位錯(cuò)。如圖所示線相交成任意角度，這種位錯(cuò)稱為混合位錯(cuò)。如圖所示: 圖圖 2-3-7 混合位錯(cuò)

24、混合位錯(cuò)v位錯(cuò)環(huán)的特點(diǎn)：位錯(cuò)環(huán)的特點(diǎn)：v一根位錯(cuò)線不能終止于晶體內(nèi)部，而只能露頭于晶體表一根位錯(cuò)線不能終止于晶體內(nèi)部，而只能露頭于晶體表面（包括晶界）。若它終止于晶體內(nèi)部，則必與其他位錯(cuò)面（包括晶界）。若它終止于晶體內(nèi)部，則必與其他位錯(cuò)線相連接，或在晶體內(nèi)部形成封閉線。形成封閉線的位錯(cuò)線相連接，或在晶體內(nèi)部形成封閉線。形成封閉線的位錯(cuò)稱為位錯(cuò)環(huán)（稱為位錯(cuò)環(huán)（位錯(cuò)的一種增殖機(jī)制位錯(cuò)的一種增殖機(jī)制），如圖所示。），如圖所示。 圖圖 2-3-8 位錯(cuò)環(huán)位錯(cuò)環(huán)v硅單晶的準(zhǔn)刃型位錯(cuò)：在金剛石結(jié)構(gòu)中一種位錯(cuò)線與柏格斯硅單晶的準(zhǔn)刃型位錯(cuò)：在金剛石結(jié)構(gòu)中一種位錯(cuò)線與柏格斯矢量成矢量成60度角的位錯(cuò)，具有刃型位

25、錯(cuò)的特點(diǎn)，因此成為準(zhǔn)刃度角的位錯(cuò)，具有刃型位錯(cuò)的特點(diǎn)，因此成為準(zhǔn)刃型位錯(cuò)。如圖所示：型位錯(cuò)。如圖所示：圖圖 2-3-9 準(zhǔn)刃位錯(cuò)準(zhǔn)刃位錯(cuò)4、位錯(cuò)中柏格斯矢量的判斷：、位錯(cuò)中柏格斯矢量的判斷：如圖所示，利用右手螺旋定則如圖所示，利用右手螺旋定則沿基矢走，形成一個(gè)閉合回路，所有矢量的和即為柏格斯矢沿基矢走，形成一個(gè)閉合回路，所有矢量的和即為柏格斯矢量。量。圖圖 2-3-10 柏格斯矢量柏格斯矢量v5、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)（、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)（滑移與攀移滑移與攀移）v（1）位錯(cuò)的滑移位錯(cuò)的滑移：指位錯(cuò)線在滑移面沿滑移方向運(yùn)動(dòng)。其：指位錯(cuò)線在滑移面沿滑移方向運(yùn)動(dòng)。其特點(diǎn)：特點(diǎn)：位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向與柏格斯矢量平行位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)

26、方向與柏格斯矢量平行。如圖所示：。如圖所示：圖圖 2-3-11 位錯(cuò)的滑移位錯(cuò)的滑移硅單晶的滑移體系：硅單晶的滑移體系：111晶面和晶面和晶向族晶向族滑移方向滑移方向：取原子距離最小的晶列方向，：取原子距離最小的晶列方向，對(duì)于硅而言，對(duì)于硅而言，晶向族的距離最小晶向族的距離最小，因此為位錯(cuò)的滑移方向。共有，因此為位錯(cuò)的滑移方向。共有12個(gè)方向，個(gè)方向，如圖所示如圖所示:v滑移面滑移面：滑移面一般取面密度大，面間距大的晶面，硅晶滑移面一般取面密度大，面間距大的晶面，硅晶體的滑移面為體的滑移面為111晶面族晶面族，所示如圖：，所示如圖：v（2）位錯(cuò)的攀移位錯(cuò)的攀移：位錯(cuò)線垂直于滑移向量的運(yùn)動(dòng)，他是

27、由：位錯(cuò)線垂直于滑移向量的運(yùn)動(dòng)，他是由于在一定溫度下，晶體中存在空位和填隙原子，在熱運(yùn)動(dòng)的于在一定溫度下，晶體中存在空位和填隙原子，在熱運(yùn)動(dòng)的作用下，移動(dòng)位錯(cuò)線，引起半平面的變大或變小。分為正攀作用下，移動(dòng)位錯(cuò)線，引起半平面的變大或變小。分為正攀移和負(fù)攀移。移和負(fù)攀移。a)正攀移正攀移：由于吸收空位而使位錯(cuò)向上攀移：由于吸收空位而使位錯(cuò)向上攀移,半原子平面縮短半原子平面縮短.b）負(fù)攀移）負(fù)攀移:吸收填隙原子，位錯(cuò)向下攀移，半原子平面擴(kuò)大。吸收填隙原子，位錯(cuò)向下攀移，半原子平面擴(kuò)大。如圖所示：如圖所示：圖圖 2-3-12 位錯(cuò)的攀移位錯(cuò)的攀移v6、位錯(cuò)的顯示：、位錯(cuò)的顯示：通過(guò)化學(xué)腐蝕法顯示晶體

28、的位錯(cuò)，不同的通過(guò)化學(xué)腐蝕法顯示晶體的位錯(cuò)，不同的晶面上缺陷的腐蝕坑不同。如圖所示：晶面上缺陷的腐蝕坑不同。如圖所示：（111）晶面）晶面 （110）晶面）晶面 （100）晶面）晶面 圖圖 2-3-12 刃位錯(cuò)的腐蝕坑圖位錯(cuò)的腐蝕坑圖像像v三、堆垛層錯(cuò)三、堆垛層錯(cuò)v晶體密堆積結(jié)構(gòu)中正常的排列秩序發(fā)生了錯(cuò)誤的排列。分本晶體密堆積結(jié)構(gòu)中正常的排列秩序發(fā)生了錯(cuò)誤的排列。分本征層錯(cuò)和非本征層錯(cuò)征層錯(cuò)和非本征層錯(cuò),如圖所示：如圖所示：(a)本征層錯(cuò)本征層錯(cuò) （b)非本征層非本征層錯(cuò)錯(cuò)圖圖 2-3-14 堆垛層錯(cuò)示意圖立方密堆積立方密堆積（111）面單晶硅中的層錯(cuò)）面單晶硅中的層錯(cuò)圖圖 2-3-15 堆垛

29、層錯(cuò)圖像堆垛層錯(cuò)圖像v（四）雜質(zhì)沉淀（四）雜質(zhì)沉淀v硅的生產(chǎn)和加工過(guò)程中，很容易引入各種雜質(zhì)，如直拉硅中硅的生產(chǎn)和加工過(guò)程中，很容易引入各種雜質(zhì)，如直拉硅中氧、碳以及各種重金屬雜質(zhì)（氧、碳以及各種重金屬雜質(zhì)（Cu、Fe、Ni、Na等），他們等），他們?cè)诟邷丨h(huán)境下在硅中的溶解度很高，但在低溫及室溫條件下，在高溫環(huán)境下在硅中的溶解度很高，但在低溫及室溫條件下，其溶解度大大下降，多余的雜質(zhì)都以沉淀的形式析出。如：其溶解度大大下降，多余的雜質(zhì)都以沉淀的形式析出。如：SiO2、Cu3Si、Fe3Siv沉淀尺寸的大小可以用沉淀尺寸的大小可以用電子顯微鏡或電子探針電子顯微鏡或電子探針進(jìn)行觀察和分進(jìn)行觀察和分

30、析。如圖所示為金屬雜質(zhì)沉淀呈枝蔓狀析出。析。如圖所示為金屬雜質(zhì)沉淀呈枝蔓狀析出。圖圖 2-3-16 雜質(zhì)沉淀圖像雜質(zhì)沉淀圖像二、二、 宏觀宏觀缺陷缺陷v（一）小角晶界（一）小角晶界v1、晶界晶界：多晶體中各晶粒的位向不同，晶粒之間的界面稱：多晶體中各晶粒的位向不同，晶粒之間的界面稱為晶界。為晶界。v2、小角晶界小角晶界：?jiǎn)尉е写嬖诰蚪嵌炔顦O小的兩個(gè)區(qū)域，通：?jiǎn)尉е写嬖诰蚪嵌炔顦O小的兩個(gè)區(qū)域，通常稱為亞晶粒，因此他們之間的界面稱為亞晶界，也稱為小常稱為亞晶粒，因此他們之間的界面稱為亞晶界，也稱為小角晶界。如圖所示：角晶界。如圖所示：)10(0bDD - -位錯(cuò)間距離位錯(cuò)間距離 - - 柏格斯

31、矢量柏格斯矢量-晶向角度差晶向角度差b圖圖 2-3-17 小角晶界小角晶界通常用化學(xué)腐蝕法顯示小角晶界上的位錯(cuò)，其特點(diǎn)：通常用化學(xué)腐蝕法顯示小角晶界上的位錯(cuò)，其特點(diǎn)：頂與底相頂與底相連排成列。連排成列。如圖所示為如圖所示為(111)晶面上的腐蝕坑晶面上的腐蝕坑系屬結(jié)構(gòu)系屬結(jié)構(gòu)：小角晶界局部密集排列：小角晶界局部密集排列圖圖 2-3-18 小角晶界形成的腐蝕坑圖像小角晶界形成的腐蝕坑圖像v（二）位錯(cuò)排：（二）位錯(cuò)排：由一系列位錯(cuò)構(gòu)成，但排列上不同于小角晶由一系列位錯(cuò)構(gòu)成，但排列上不同于小角晶界，其位錯(cuò)腐蝕坑的底面排列在一條直線上，如圖界，其位錯(cuò)腐蝕坑的底面排列在一條直線上，如圖(a)所示所示v如

32、圖（如圖（b）所示，位錯(cuò)滑移的過(guò)程中碰到障礙而停止下來(lái)，）所示，位錯(cuò)滑移的過(guò)程中碰到障礙而停止下來(lái)，附近的位錯(cuò)受到前一位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)的作用停止下來(lái)，形成了附近的位錯(cuò)受到前一位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)的作用停止下來(lái)，形成了位錯(cuò)由密到疏的排列。位錯(cuò)由密到疏的排列。(b)(a)圖圖 2-3-20 位錯(cuò)排位錯(cuò)排v星形結(jié)構(gòu)的形成：星形結(jié)構(gòu)的形成：當(dāng)晶體中存在大量位錯(cuò)時(shí)，且分布在不同當(dāng)晶體中存在大量位錯(cuò)時(shí)，且分布在不同的的111晶面上時(shí)，經(jīng)過(guò)的腐蝕坑排列構(gòu)成星形結(jié)構(gòu)晶面上時(shí)，經(jīng)過(guò)的腐蝕坑排列構(gòu)成星形結(jié)構(gòu)。如圖。如圖所示：所示：v（三）雜質(zhì)的析出與夾雜物（三）雜質(zhì)的析出與夾雜物v1、由于雜質(zhì)的分凝作用，單晶硅尾部的雜質(zhì)濃度

33、過(guò)大，常常在過(guò)冷時(shí)、由于雜質(zhì)的分凝作用，單晶硅尾部的雜質(zhì)濃度過(guò)大，常常在過(guò)冷時(shí)出現(xiàn)雜質(zhì)析出。出現(xiàn)雜質(zhì)析出。雜質(zhì)析出嚴(yán)重雜質(zhì)析出嚴(yán)重時(shí)，通過(guò)化學(xué)腐蝕觀察其腐蝕坑，形成六時(shí)，通過(guò)化學(xué)腐蝕觀察其腐蝕坑，形成六角網(wǎng)狀。如圖所示角網(wǎng)狀。如圖所示(a)(b)v2、夾雜物：?jiǎn)尉Ч柙凇A雜物：?jiǎn)尉Ч柙谥負(fù)诫s重?fù)诫s情況下，會(huì)出現(xiàn)一些夾雜物的存在，嚴(yán)重情況下，會(huì)出現(xiàn)一些夾雜物的存在，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)夾雜物的堆積，可以通過(guò)化學(xué)腐蝕法顯示時(shí)會(huì)出現(xiàn)夾雜物的堆積，可以通過(guò)化學(xué)腐蝕法顯示.三、三、 點(diǎn)陣應(yīng)變與表面機(jī)械損傷點(diǎn)陣應(yīng)變與表面機(jī)械損傷v1 1、點(diǎn)陣應(yīng)變：、點(diǎn)陣應(yīng)變：晶體中的應(yīng)力和應(yīng)變可以由加工損傷、晶體中的應(yīng)力和應(yīng)變可

34、以由加工損傷、過(guò)量空位、位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)、與基體原子半徑不同的雜質(zhì)原過(guò)量空位、位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)、與基體原子半徑不同的雜質(zhì)原子的存在，以及表面的氧化膜所引起的。晶體切、磨時(shí)子的存在，以及表面的氧化膜所引起的。晶體切、磨時(shí)應(yīng)力又可引起薄片的彎曲。應(yīng)力又可引起薄片的彎曲。v可以依據(jù)可以依據(jù)X X射線衍射峰的位置、峰高度的變化以及半峰射線衍射峰的位置、峰高度的變化以及半峰寬度來(lái)測(cè)定單晶中的應(yīng)力和應(yīng)變。寬度來(lái)測(cè)定單晶中的應(yīng)力和應(yīng)變。v2 2、表面機(jī)械損傷：、表面機(jī)械損傷：在器件制造過(guò)程中經(jīng)過(guò)機(jī)械拋光后，在器件制造過(guò)程中經(jīng)過(guò)機(jī)械拋光后，表面留下一定的機(jī)械損傷和殘余應(yīng)力。不僅可以引入自表面留下一定的機(jī)械損傷和殘余應(yīng)力。

35、不僅可以引入自由載流子，增加表面復(fù)合，還會(huì)在熱處理過(guò)程中引起各由載流子，增加表面復(fù)合，還會(huì)在熱處理過(guò)程中引起各種缺陷種缺陷（如熱氧化層錯(cuò)、滑移位錯(cuò)引起的位錯(cuò)圈等）（如熱氧化層錯(cuò)、滑移位錯(cuò)引起的位錯(cuò)圈等）v表面損傷的測(cè)量方法有多種：表面損傷的測(cè)量方法有多種：v（1） 腐蝕速率法腐蝕速率法：利用有損傷處與無(wú)損傷處的腐蝕速度的：利用有損傷處與無(wú)損傷處的腐蝕速度的差別測(cè)定損傷層的深度。差別測(cè)定損傷層的深度。v（2） 截面法截面法：將表面磨成斜角，再拋光斜面后進(jìn)行腐蝕，：將表面磨成斜角，再拋光斜面后進(jìn)行腐蝕，呈現(xiàn)表面的損傷。也可以呈現(xiàn)表面的損傷。也可以x形貌觀察截面以了解表面損傷情形貌觀察截面以了解表面

36、損傷情況。況。v（3）載流子效應(yīng)法載流子效應(yīng)法：利用表面損傷對(duì)載流子數(shù)量和少子壽：利用表面損傷對(duì)載流子數(shù)量和少子壽命的影響估測(cè)損傷層深度。命的影響估測(cè)損傷層深度。v（4）銅墜飾法銅墜飾法：利用銅綴飾顯示退火后的殘余損傷。：利用銅綴飾顯示退火后的殘余損傷。v（5）x射線雙晶光譜儀法射線雙晶光譜儀法：利用：利用X射線衍射強(qiáng)度峰的寬度與射線衍射強(qiáng)度峰的寬度與表面機(jī)械損傷的聯(lián)系測(cè)定損傷層深度。表面機(jī)械損傷的聯(lián)系測(cè)定損傷層深度。v（6）電子順磁共振法電子順磁共振法：利用電子順磁共振線與表面損傷的：利用電子順磁共振線與表面損傷的關(guān)系研究表面損傷情況。關(guān)系研究表面損傷情況。v典型的缺陷及及其顯示方法典型的缺

37、陷及及其顯示方法v晶體硅中的典型缺陷晶體硅中的典型缺陷:位錯(cuò)、層錯(cuò)、微缺陷漩渦花紋、位錯(cuò)、層錯(cuò)、微缺陷漩渦花紋、雜質(zhì)析出，夾雜物、雜質(zhì)沉淀雜質(zhì)析出，夾雜物、雜質(zhì)沉淀。v 隨著生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)，一些宏觀缺陷可以得到消隨著生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)，一些宏觀缺陷可以得到消除，如雜質(zhì)析出、夾雜等缺陷。本節(jié)側(cè)重學(xué)習(xí)位錯(cuò)除，如雜質(zhì)析出、夾雜等缺陷。本節(jié)側(cè)重學(xué)習(xí)位錯(cuò)兩種常見(jiàn)缺陷的檢測(cè)：兩種常見(jiàn)缺陷的檢測(cè)：位錯(cuò)與漩渦微缺陷位錯(cuò)與漩渦微缺陷。2.3 硅晶體中位錯(cuò)的檢測(cè)硅晶體中位錯(cuò)的檢測(cè)v顯示方法：顯示方法：v 原生硅中的位錯(cuò)用化學(xué)腐蝕法使其顯露。選定某原生硅中的位錯(cuò)用化學(xué)腐蝕法使其顯露。選定某一截面，位錯(cuò)線與它相交，在化學(xué)

38、腐蝕時(shí)，每個(gè)位一截面，位錯(cuò)線與它相交，在化學(xué)腐蝕時(shí)，每個(gè)位錯(cuò)露頭的地方都會(huì)產(chǎn)生腐蝕坑，然后在金相顯微鏡錯(cuò)露頭的地方都會(huì)產(chǎn)生腐蝕坑，然后在金相顯微鏡下觀察。下觀察。v如圖所示為各種位錯(cuò)的顯示如圖所示為各種位錯(cuò)的顯示:2.3.1 位錯(cuò)的顯示方法位錯(cuò)的顯示方法（111）晶面）晶面 （110）晶面）晶面 （100）晶面）晶面 v工藝過(guò)程：工藝過(guò)程：v一、硅單晶一、硅單晶(111)晶面上位錯(cuò)的顯示晶面上位錯(cuò)的顯示v1、樣品切割和研磨：、樣品切割和研磨：要求觀察面偏離（要求觀察面偏離（111）晶面不大于）晶面不大于5。再用金剛砂細(xì)磨其表面。再用金剛砂細(xì)磨其表面 。v2、拋光腐蝕：、拋光腐蝕：去除研磨損傷層

39、去除研磨損傷層 。采用。采用HF:HNO3=1:(35)的拋光液，時(shí)間在的拋光液，時(shí)間在2-4min內(nèi)內(nèi)v3、缺陷腐蝕：、缺陷腐蝕：用希爾腐蝕液用希爾腐蝕液,腐蝕時(shí)間在腐蝕時(shí)間在10-15min。vHF:33%的的CrO3水溶液水溶液=1:1v其電化學(xué)反應(yīng)：其電化學(xué)反應(yīng)：負(fù)極：負(fù)極： 正極：正極：4、在光學(xué)顯微鏡下觀測(cè)硅晶體的腐蝕坑。、在光學(xué)顯微鏡下觀測(cè)硅晶體的腐蝕坑。5、根據(jù)顯示的腐蝕坑數(shù)目來(lái)計(jì)算缺陷密度。、根據(jù)顯示的腐蝕坑數(shù)目來(lái)計(jì)算缺陷密度。v二、硅單晶二、硅單晶(100)和（和（110）晶面上位錯(cuò)的顯示）晶面上位錯(cuò)的顯示v1、（、（110）晶面上位錯(cuò)的顯示工藝跟（）晶面上位錯(cuò)的顯示工藝跟

40、（111）相同。顯示）相同。顯示的位錯(cuò)坑呈菱形。的位錯(cuò)坑呈菱形。v2、（、（100）晶面腐蝕液的配比為）晶面腐蝕液的配比為HF:33%的的CrO3水溶液水溶液=1:2（慢速腐蝕液慢速腐蝕液）v3 、（、（100）晶面腐蝕時(shí)間比較長(zhǎng)。缺陷顯示的時(shí)間長(zhǎng)短）晶面腐蝕時(shí)間比較長(zhǎng)。缺陷顯示的時(shí)間長(zhǎng)短主要取決于位錯(cuò)縱向腐蝕速度與表面剝蝕速度的差。主要取決于位錯(cuò)縱向腐蝕速度與表面剝蝕速度的差。v4、（、（100）面拋光和腐蝕時(shí)容易被氧化，不好觀察并出）面拋光和腐蝕時(shí)容易被氧化，不好觀察并出現(xiàn)腐蝕坑假象，拋光和腐蝕時(shí)注意不要暴露在空氣中。現(xiàn)腐蝕坑假象，拋光和腐蝕時(shí)注意不要暴露在空氣中。)100()111()1

41、00()111(VVVVVV位錯(cuò)位錯(cuò)v一、硅單晶（一、硅單晶（111）面位錯(cuò)坑的形態(tài)）面位錯(cuò)坑的形態(tài)v1、硅單晶非擇優(yōu)腐蝕情況下（、硅單晶非擇優(yōu)腐蝕情況下（111）晶面位錯(cuò)腐蝕坑為圓形）晶面位錯(cuò)腐蝕坑為圓形的凹坑。如圖所示的凹坑。如圖所示2.3.2 關(guān)于位錯(cuò)坑形態(tài)的分析關(guān)于位錯(cuò)坑形態(tài)的分析VV111面構(gòu)成正四面體面構(gòu)成正四面體2、 硅單晶在擇優(yōu)腐蝕中（硅單晶在擇優(yōu)腐蝕中（111）晶面位錯(cuò)腐蝕坑呈三角錐體，）晶面位錯(cuò)腐蝕坑呈三角錐體，由硅單晶的各向異性引起的由硅單晶的各向異性引起的。分析：分析：從硅單晶中取一個(gè)正四面體，每個(gè)面都為從硅單晶中取一個(gè)正四面體，每個(gè)面都為111晶面，晶面，如圖所示。如

42、圖所示。對(duì)于切割的（對(duì)于切割的（111）面上的位錯(cuò)，由于使用了擇優(yōu)性的腐蝕）面上的位錯(cuò)，由于使用了擇優(yōu)性的腐蝕液，液， 111的鍵密度最小的鍵密度最小，因此在因此在111晶面族上腐蝕速度很晶面族上腐蝕速度很慢，而在其他晶面上的腐蝕速度很快，位錯(cuò)坑的坑壁都是慢，而在其他晶面上的腐蝕速度很快，位錯(cuò)坑的坑壁都是111晶面，所以腐蝕坑都是三角錐體。如圖所示：晶面，所以腐蝕坑都是三角錐體。如圖所示：111面腐蝕位錯(cuò)腐蝕坑的形成面腐蝕位錯(cuò)腐蝕坑的形成oEFVEoFV（111）晶面腐蝕坑）晶面腐蝕坑v但但實(shí)際的位錯(cuò)坑不是正三角形實(shí)際的位錯(cuò)坑不是正三角形。主要有兩個(gè)原因：。主要有兩個(gè)原因：v（1）位錯(cuò)線與（）

43、位錯(cuò)線與（111）面不垂直。如圖所示：）面不垂直。如圖所示：方向的螺型位錯(cuò)線方向的螺型位錯(cuò)線v（2）觀察面與（）觀察面與（111）晶面有一定的偏離度。）晶面有一定的偏離度。切割面與（切割面與（111）面成三種角度情況下位錯(cuò)腐蝕坑的形態(tài)）面成三種角度情況下位錯(cuò)腐蝕坑的形態(tài)v二、硅單晶（二、硅單晶（100）面位錯(cuò)坑的形態(tài)）面位錯(cuò)坑的形態(tài)v（100）面上的腐蝕，采用非擇優(yōu)性腐蝕液，腐蝕坑位圓形）面上的腐蝕，采用非擇優(yōu)性腐蝕液，腐蝕坑位圓形的凹坑。的凹坑。v但采用擇優(yōu)腐蝕時(shí)，呈四方形的腐蝕坑，且坑壁都是但采用擇優(yōu)腐蝕時(shí)，呈四方形的腐蝕坑，且坑壁都是111晶面。晶面。v分析：在硅單晶的分析：在硅單晶的4

44、個(gè)晶胞中取一個(gè)八面體，每個(gè)面都是個(gè)晶胞中取一個(gè)八面體，每個(gè)面都是111晶面，如圖所示。晶面，如圖所示。CABDE（100）晶面位錯(cuò)坑）晶面位錯(cuò)坑VxCABDECABDO(E)V)111()111 () 111 () 111 (（100）晶面腐蝕坑）晶面腐蝕坑 （100）面呈小丘）面呈小丘v而實(shí)際（而實(shí)際（100）面得到的腐蝕坑有各種形態(tài)，影響因素復(fù)雜，）面得到的腐蝕坑有各種形態(tài)，影響因素復(fù)雜，主要取決于主要取決于腐蝕的擇優(yōu)性和氧化劑濃度的高低腐蝕的擇優(yōu)性和氧化劑濃度的高低。因此會(huì)出現(xiàn)。因此會(huì)出現(xiàn)腐蝕小丘。如圖所示。腐蝕小丘。如圖所示。v采用稀鉻酸腐蝕：采用稀鉻酸腐蝕：33%CrO3:HF=1:

45、1時(shí)，可以得到條時(shí)，可以得到條狀、樹(shù)葉狀、蝌蚪狀等各種形狀的位錯(cuò)坑，對(duì)晶向沒(méi)狀、樹(shù)葉狀、蝌蚪狀等各種形狀的位錯(cuò)坑，對(duì)晶向沒(méi)有擇優(yōu)腐蝕性。有擇優(yōu)腐蝕性。v三、硅單晶（三、硅單晶（110）面位錯(cuò)坑的形態(tài)）面位錯(cuò)坑的形態(tài)v采用擇優(yōu)腐蝕時(shí)，呈菱形的腐蝕坑，且坑壁都是采用擇優(yōu)腐蝕時(shí)，呈菱形的腐蝕坑，且坑壁都是111晶面。晶面。v分析：在硅單晶的分析：在硅單晶的4個(gè)晶胞中取一個(gè)八面體個(gè)晶胞中取一個(gè)八面體 ，每個(gè)面都是，每個(gè)面都是111晶面，并沿晶面，并沿ABCD面截取多面體，如圖所示。以面截取多面體，如圖所示。以 面為截面，將八面體分成兩部分面為截面，將八面體分成兩部分.)011 (CABDBD（1 0）

46、晶面構(gòu)成的位錯(cuò)晶面構(gòu)成的位錯(cuò)CABDAB(B/)D(D/)1CD/B/（110）晶面腐蝕坑）晶面腐蝕坑2.3.3 位錯(cuò)密度的測(cè)定位錯(cuò)密度的測(cè)定v1、位錯(cuò)的體密度：?jiǎn)挝惑w積中位錯(cuò)線的長(zhǎng)度，用、位錯(cuò)的體密度：?jiǎn)挝惑w積中位錯(cuò)線的長(zhǎng)度，用Nv表示：表示：v2、位錯(cuò)的面密度：穿過(guò)單位截面積的位錯(cuò)線數(shù)，用、位錯(cuò)的面密度：穿過(guò)單位截面積的位錯(cuò)線數(shù)，用ND表示：表示：VLNVSNNDv實(shí)際應(yīng)用中普遍采用實(shí)際應(yīng)用中普遍采用面密度面密度來(lái)表示，通過(guò)在金相顯微鏡中來(lái)表示，通過(guò)在金相顯微鏡中測(cè)量，其視場(chǎng)面積用測(cè)量，其視場(chǎng)面積用物鏡測(cè)微計(jì)物鏡測(cè)微計(jì)或刻度均勻的光柵顯微鏡或刻度均勻的光柵顯微鏡來(lái)測(cè)量。來(lái)測(cè)量。v測(cè)量時(shí)，一

47、般位錯(cuò)密度大時(shí)，放大倍數(shù)也應(yīng)大些，視場(chǎng)的測(cè)量時(shí)，一般位錯(cuò)密度大時(shí)，放大倍數(shù)也應(yīng)大些，視場(chǎng)的面積小些，相反，位錯(cuò)密度小時(shí)，放大倍數(shù)也應(yīng)小。在生面積小些，相反，位錯(cuò)密度小時(shí)，放大倍數(shù)也應(yīng)小。在生產(chǎn)中的統(tǒng)一規(guī)定產(chǎn)中的統(tǒng)一規(guī)定:v位錯(cuò)密度在位錯(cuò)密度在104/mm2以下時(shí)，視場(chǎng)面積為以下時(shí)，視場(chǎng)面積為1mm2；v位錯(cuò)密度在位錯(cuò)密度在104/mm2以上時(shí)，視場(chǎng)面積為以上時(shí)，視場(chǎng)面積為0.2mm2。v 位錯(cuò)的其他測(cè)試方法：位錯(cuò)的其他測(cè)試方法：v1、逐層腐蝕對(duì)應(yīng)法。、逐層腐蝕對(duì)應(yīng)法。 v2、解理面對(duì)應(yīng)方法。、解理面對(duì)應(yīng)方法。v3、酸、酸-堿堿-酸對(duì)應(yīng)方法。酸對(duì)應(yīng)方法。v4、銅沉淀技術(shù)：使銅淀積在位錯(cuò)管道中，用

48、紅外、銅沉淀技術(shù)：使銅淀積在位錯(cuò)管道中，用紅外顯微鏡進(jìn)行觀察銅綴飾的位錯(cuò)線，如圖所示：顯微鏡進(jìn)行觀察銅綴飾的位錯(cuò)線，如圖所示：銅綴飾位錯(cuò)的紅外顯微像銅綴飾位錯(cuò)的紅外顯微像2.4 硅單晶漩渦缺陷的檢測(cè)硅單晶漩渦缺陷的檢測(cè)v一、微缺陷與漩渦缺陷的概念一、微缺陷與漩渦缺陷的概念 1、微缺陷：、微缺陷：熱缺陷中的空位和填隙原子，以及化學(xué)雜質(zhì)原熱缺陷中的空位和填隙原子，以及化學(xué)雜質(zhì)原子在一定的條件下都會(huì)出現(xiàn)飽和情況，因此會(huì)出現(xiàn)凝聚成點(diǎn)子在一定的條件下都會(huì)出現(xiàn)飽和情況，因此會(huì)出現(xiàn)凝聚成點(diǎn)缺陷團(tuán)，稱之為微缺陷。缺陷團(tuán)，稱之為微缺陷。 2、漩渦缺陷：、漩渦缺陷：微缺陷在宏觀上呈漩渦狀分布。微缺陷在宏觀上呈漩渦

49、狀分布。二、渦旋缺陷的形態(tài)二、渦旋缺陷的形態(tài)v1、渦旋缺陷可以通過(guò)擇優(yōu)腐蝕顯示，、渦旋缺陷可以通過(guò)擇優(yōu)腐蝕顯示，(111)晶面呈旋渦狀的晶面呈旋渦狀的三角形淺底腐蝕坑，并靠近生長(zhǎng)條紋。宏觀上呈現(xiàn)渦旋花紋三角形淺底腐蝕坑，并靠近生長(zhǎng)條紋。宏觀上呈現(xiàn)渦旋花紋（不連續(xù)的同心圓或非同心圓的條紋），如圖所示。（不連續(xù)的同心圓或非同心圓的條紋），如圖所示。圖圖2-4-1 （a)直拉單晶硅直拉單晶硅 （b）區(qū)熔單晶硅）區(qū)熔單晶硅v2、漩渦缺陷形態(tài)與其他缺陷的區(qū)別、漩渦缺陷形態(tài)與其他缺陷的區(qū)別v（1）微觀上與位錯(cuò)同樣形成三角形腐蝕坑。區(qū)別在微缺陷）微觀上與位錯(cuò)同樣形成三角形腐蝕坑。區(qū)別在微缺陷為三角形的淺平底

50、腐蝕坑，顯微鏡下呈白色芯，尺寸較??；為三角形的淺平底腐蝕坑，顯微鏡下呈白色芯，尺寸較?。欢诲e(cuò)為較深的尖底腐蝕坑，顯微鏡下顯示黑色三角形。如而位錯(cuò)為較深的尖底腐蝕坑，顯微鏡下顯示黑色三角形。如圖所示：圖所示：圖圖2-4-2 微缺陷的淺腐蝕坑與位錯(cuò)的深腐蝕坑微缺陷的淺腐蝕坑與位錯(cuò)的深腐蝕坑a)位錯(cuò)位錯(cuò) b) 微缺陷微缺陷v（2）微缺陷宏觀上呈渦旋條紋（）微缺陷宏觀上呈渦旋條紋（常被碳、重金屬雜質(zhì)所綴常被碳、重金屬雜質(zhì)所綴飾飾），與電阻率條紋相似，但兩者產(chǎn)生機(jī)理和微觀形態(tài)不同。），與電阻率條紋相似，但兩者產(chǎn)生機(jī)理和微觀形態(tài)不同。v其區(qū)別：其區(qū)別：va、本質(zhì)和形成機(jī)理不同，渦旋缺陷由熱點(diǎn)缺陷的聚集而

51、成，、本質(zhì)和形成機(jī)理不同，渦旋缺陷由熱點(diǎn)缺陷的聚集而成，電阻率條紋是由于雜質(zhì)的電阻率條紋是由于雜質(zhì)的分凝系數(shù)起伏變化分凝系數(shù)起伏變化而引起。而引起。vb、微觀上微缺陷為三角形平底腐蝕坑或小丘，電阻率條紋、微觀上微缺陷為三角形平底腐蝕坑或小丘，電阻率條紋腐蝕時(shí)無(wú)微缺陷腐蝕坑，腐蝕面成鏡面。腐蝕時(shí)無(wú)微缺陷腐蝕坑，腐蝕面成鏡面。v三、漩渦缺陷分布的特點(diǎn)：三、漩渦缺陷分布的特點(diǎn)：v1、兩種淺腐蝕坑帶、兩種淺腐蝕坑帶A和和B缺陷缺陷 （1）A缺陷為大的腐蝕丘或腐蝕坑（缺陷為大的腐蝕丘或腐蝕坑（3-10m） （2）B缺陷為很小的腐蝕坑（缺陷為很小的腐蝕坑（1 m ） （3）A缺陷的分布比缺陷的分布比B缺陷

52、小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，兩者均呈條紋狀缺陷小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，兩者均呈條紋狀分布，但局部分布位置不同。（分布，但局部分布位置不同。（B缺陷主要分布在四周缺陷主要分布在四周,中心中心部分較小，部分較小，A只分布在晶體中心只分布在晶體中心）v2、晶體中漩渦缺陷的橫向和縱向分布、晶體中漩渦缺陷的橫向和縱向分布v（1）縱向分布）縱向分布-呈螺旋條紋分層分布，左右兩側(cè)的條紋相呈螺旋條紋分層分布，左右兩側(cè)的條紋相間。如圖所示（間。如圖所示（a）a )縱向分布縱向分布 b)橫向分布橫向分布1 c)橫向分布橫向分布2 圖圖2-4-4 渦旋缺陷的橫向和縱向分布渦旋缺陷的橫向和縱向分布v（2）漩渦）漩渦缺陷的橫截面分布缺陷的橫截

53、面分布v1）當(dāng)切割面與生長(zhǎng)軸垂直時(shí)，同時(shí)顯示幾個(gè)層次的腐蝕坑，）當(dāng)切割面與生長(zhǎng)軸垂直時(shí)，同時(shí)顯示幾個(gè)層次的腐蝕坑，形成如圖形成如圖2-4-4（b）的漩渦條紋。）的漩渦條紋。v2） 當(dāng)切割不垂直生長(zhǎng)軸時(shí)，切割面與漩渦缺陷的幾個(gè)層次當(dāng)切割不垂直生長(zhǎng)軸時(shí)，切割面與漩渦缺陷的幾個(gè)層次相交割，顯示了每個(gè)層次的一段弧線。如圖相交割，顯示了每個(gè)層次的一段弧線。如圖2-4-4 （c）所示。）所示。在位錯(cuò)單晶四周情況下過(guò)飽和熱點(diǎn)缺陷被位錯(cuò)吸收，而不在位錯(cuò)單晶四周情況下過(guò)飽和熱點(diǎn)缺陷被位錯(cuò)吸收，而不會(huì)發(fā)現(xiàn)微缺陷存在。位錯(cuò)的正、負(fù)攀移實(shí)質(zhì)就是對(duì)填隙原會(huì)發(fā)現(xiàn)微缺陷存在。位錯(cuò)的正、負(fù)攀移實(shí)質(zhì)就是對(duì)填隙原子核空位的吸收。

54、子核空位的吸收。v3、漩渦缺陷分布的其他特點(diǎn)、漩渦缺陷分布的其他特點(diǎn)v（1）在有位錯(cuò)的硅單晶中沒(méi)有漩渦缺陷的出現(xiàn)，而無(wú)位錯(cuò)）在有位錯(cuò)的硅單晶中沒(méi)有漩渦缺陷的出現(xiàn)，而無(wú)位錯(cuò)的硅單晶中會(huì)出現(xiàn)這種微缺陷。的硅單晶中會(huì)出現(xiàn)這種微缺陷。v（2）在晶體表面）在晶體表面1-2cm范圍內(nèi)微缺陷的濃度比內(nèi)部要低。范圍內(nèi)微缺陷的濃度比內(nèi)部要低。v四、漩渦缺陷的腐蝕方法四、漩渦缺陷的腐蝕方法v顯示漩渦缺陷的主要方法：顯示漩渦缺陷的主要方法：擇優(yōu)腐蝕，銅綴飾后擇優(yōu)腐蝕，銅綴飾后X射線透射射線透射形貌、掃描電子顯微術(shù)和透射電子顯微術(shù)。形貌、掃描電子顯微術(shù)和透射電子顯微術(shù)。v擇優(yōu)腐蝕法顯示漩渦缺陷擇優(yōu)腐蝕法顯示漩渦缺陷v

55、1、擇優(yōu)腐蝕法擇優(yōu)腐蝕法：將樣品在：將樣品在1100時(shí)濕氧氧化，以放大或綴時(shí)濕氧氧化，以放大或綴飾硅片中的缺陷，再用希爾液按飾硅片中的缺陷，再用希爾液按HF:33%CrO3=1:1配比進(jìn)行配比進(jìn)行腐蝕。檢測(cè)各種缺陷（微缺陷、沉積、位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)、電腐蝕。檢測(cè)各種缺陷（微缺陷、沉積、位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)、電阻率條紋等阻率條紋等)v2、檢測(cè)工藝：、檢測(cè)工藝：v（1）采樣）采樣:在晶錠頭、尾、中部各取一片。在晶錠頭、尾、中部各取一片。v（2）試樣制備：研磨、化學(xué)拋光等表面處理。）試樣制備：研磨、化學(xué)拋光等表面處理。v（3）樣品清洗：兩種清洗液）樣品清洗：兩種清洗液(RCA公司清洗液）公司清洗液）va) N

56、H4OH:H2O2:H2O=1:1:4vb) HCl:H2O2:H2O=1:1:4v（4）熱氧化處理）熱氧化處理:在在1100左右，濕氧化氣氛中進(jìn)行氧化。左右，濕氧化氣氛中進(jìn)行氧化。如圖如圖2-4-5所示為熱氧化的裝置。所示為熱氧化的裝置。v（5）缺陷腐蝕顯示，用金相顯微鏡進(jìn)行觀察并計(jì)算密度。）缺陷腐蝕顯示，用金相顯微鏡進(jìn)行觀察并計(jì)算密度。圖圖2-4-5 熱氧化裝置熱氧化裝置返回v五、漩渦缺陷密度的計(jì)算五、漩渦缺陷密度的計(jì)算v1、任意厚度法、任意厚度法v對(duì)樣品腐蝕一定厚度，然后計(jì)算在這一厚度出現(xiàn)的微缺對(duì)樣品腐蝕一定厚度，然后計(jì)算在這一厚度出現(xiàn)的微缺陷腐蝕坑的平均體密度。用如下公式計(jì)算：陷腐蝕坑

57、的平均體密度。用如下公式計(jì)算：t其中其中-觀觀察到的微缺陷腐察到的微缺陷腐蝕蝕坑的面密度，坑的面密度， t- t-腐腐蝕蝕掉的表面掉的表面層層厚度（小于厚度（小于200200微米）。微米）。v2、層間厚度法、層間厚度法v漩渦缺陷與生長(zhǎng)條紋具有相同的形式和曲率，因此縱向呈漩渦缺陷與生長(zhǎng)條紋具有相同的形式和曲率，因此縱向呈分層分布，且層與層之間的厚度同生長(zhǎng)條紋相同。生長(zhǎng)條分層分布，且層與層之間的厚度同生長(zhǎng)條紋相同。生長(zhǎng)條紋是由于晶體生長(zhǎng)時(shí)生長(zhǎng)速度變化引起雜質(zhì)的紋是由于晶體生長(zhǎng)時(shí)生長(zhǎng)速度變化引起雜質(zhì)的分凝作用分凝作用，反映了雜質(zhì)分凝起伏的周期。反映了雜質(zhì)分凝起伏的周期。v層間厚度即為生長(zhǎng)率條紋的間距

58、層間厚度即為生長(zhǎng)率條紋的間距式中，式中，T為微觀生長(zhǎng)速率變化的周期，為微觀生長(zhǎng)速率變化的周期，為轉(zhuǎn)速，為轉(zhuǎn)速，f f為拉速為拉速fTfd.v同一層的微缺陷不是同時(shí)出現(xiàn)在同一個(gè)面上，有先有后，同一層的微缺陷不是同時(shí)出現(xiàn)在同一個(gè)面上，有先有后，當(dāng)腐蝕達(dá)到漩渦條紋與下一條紋之間的地方，淺腐蝕坑密當(dāng)腐蝕達(dá)到漩渦條紋與下一條紋之間的地方，淺腐蝕坑密度達(dá)到飽和不再增加，此時(shí)為微缺陷的飽和密度度達(dá)到飽和不再增加，此時(shí)為微缺陷的飽和密度 0 0。v所以微缺陷的平均體密度：所以微缺陷的平均體密度：fd.00六、漩渦缺陷的影響六、漩渦缺陷的影響:旋渦缺陷的尺寸比較小，但硅片在旋渦缺陷的尺寸比較小，但硅片在熱氧熱氧

59、化化過(guò)程中，由于受應(yīng)力的影響，其容易形成過(guò)程中，由于受應(yīng)力的影響，其容易形成氧化層錯(cuò)氧化層錯(cuò)，對(duì)器，對(duì)器件性能有影響。件性能有影響。七、漩渦缺陷的消除：漩渦缺陷的形成是與單晶生長(zhǎng)條件、熱七、漩渦缺陷的消除：漩渦缺陷的形成是與單晶生長(zhǎng)條件、熱場(chǎng)對(duì)稱性和其生長(zhǎng)過(guò)程中晶體回熔有關(guān)。因此可以調(diào)整晶體場(chǎng)對(duì)稱性和其生長(zhǎng)過(guò)程中晶體回熔有關(guān)。因此可以調(diào)整晶體生長(zhǎng)參數(shù)生長(zhǎng)參數(shù)(熔融溫度、晶錠直徑、拉速和轉(zhuǎn)速熔融溫度、晶錠直徑、拉速和轉(zhuǎn)速），盡量避免，盡量避免晶體回熔，在采用比較高的拉速的同時(shí)，并保持平坦而微凹晶體回熔，在采用比較高的拉速的同時(shí)，并保持平坦而微凹的生長(zhǎng)界面，使渦旋缺陷消除。的生長(zhǎng)界面，使渦旋缺陷消

60、除。2.5 金相顯微鏡金相顯微鏡v 在現(xiàn)代金相顯微分析中，使用的主要儀器有在現(xiàn)代金相顯微分析中，使用的主要儀器有光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡和和電子顯微鏡電子顯微鏡兩大類。這里主要對(duì)常用的光學(xué)金相顯微鏡作一兩大類。這里主要對(duì)常用的光學(xué)金相顯微鏡作一般介紹。般介紹。v一、光學(xué)顯微鏡的組成：一、光學(xué)顯微鏡的組成：光源系統(tǒng)、載物臺(tái)、物鏡系統(tǒng)、目光源系統(tǒng)、載物臺(tái)、物鏡系統(tǒng)、目鏡或投影屏幕及攝影系統(tǒng)鏡或投影屏幕及攝影系統(tǒng)等組成。通過(guò)變換物鏡和目鏡可使等組成。通過(guò)變換物鏡和目鏡可使儀器放大率由幾十倍調(diào)到儀器放大率由幾十倍調(diào)到2000倍，點(diǎn)分辨率可達(dá)倍，點(diǎn)分辨率可達(dá)0.3微米微米左左右。右。 vv二、光學(xué)顯微鏡的分