半導(dǎo)體材料的測(cè)試技術(shù)課件

1、半導(dǎo)體材料的測(cè)試技術(shù)半導(dǎo)體單晶材料性能的評(píng)價(jià)晶體的結(jié)構(gòu)完整性：晶向，晶格缺陷（位錯(cuò)密度）組分分析：材料的化學(xué)成分，摻雜原子濃度及其分布，氧碳含量，重金屬雜質(zhì)等導(dǎo)電性能：導(dǎo)電類(lèi)型，電阻率，少子壽命等光學(xué)性能：薄膜材料的折射率，吸收系數(shù)，光電導(dǎo)特性，發(fā)光特性等 工業(yè)生產(chǎn)中，一般檢測(cè)的參數(shù)有：晶向，位錯(cuò)密度，氧碳含量，導(dǎo)電類(lèi)型，電阻率，少子壽命等1、 定向：光學(xué)定向法； X光定向法2、缺陷：金相觀察法（與半導(dǎo)體專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)相同）掃描電子顯微鏡（SEM）透射電子顯微鏡（TEM）原子力顯微鏡（AFM）X射線形貌技術(shù)3、組分分析1）摻雜濃度分析霍爾測(cè)量C-V測(cè)量二次離子質(zhì)譜儀（Secondary Ion

2、Mass Spectrometry）2）氧碳含量紅外吸收光譜技術(shù)3）重金屬等痕量雜質(zhì)分析俄歇電子能譜技術(shù)（AES）X光發(fā)射譜（XES）X光電子發(fā)射譜（XPS）中子活化分析（NAA）質(zhì)譜分析原子吸收光譜技術(shù)三探針?lè)ǎ〒舸╇妷悍ǎ?yīng)用：測(cè)試n/n+或p/p+外延層電阻率原理：金屬-半導(dǎo)體接觸具有類(lèi)似于突變pn結(jié)的特性，pn結(jié)雪崩擊穿電壓與材料電阻率之間存在經(jīng)驗(yàn)關(guān)系UB=An。若測(cè)出肖特基結(jié)的擊穿電壓則可求出材料的電阻率。導(dǎo)電類(lèi)型的測(cè)量冷熱探針?lè)y(cè)導(dǎo)電型號(hào)熱探針和N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，傳導(dǎo)電子將流向溫度較低的區(qū)域，使得熱探針處電子缺少，因而其電勢(shì)相對(duì)于同一材料上的室溫觸點(diǎn)而言將是正的。同樣道理，P型半導(dǎo)

3、體熱探針觸點(diǎn)相對(duì)于室溫觸點(diǎn)而言將是負(fù)的。此電勢(shì)差可以用簡(jiǎn)單的微伏表測(cè)量。熱探針的結(jié)構(gòu)可以是將小的熱線圈繞在一個(gè)探針的周?chē)?，也可以用小型的點(diǎn)烙鐵。在太陽(yáng)電池制造工藝中，通常使用熱電動(dòng)勢(shì)法進(jìn)行導(dǎo)電類(lèi)型的測(cè)量XRD、XPS、SEM等現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)簡(jiǎn)介電子和物質(zhì)的相互作用背散射電子：被固體樣品中的原子核反彈回來(lái)的一部分入射電子；二次電子：被入射電子轟擊出來(lái)的核外電子；吸收電子：進(jìn)入樣品的入射電子，經(jīng)多次非彈性散射，能量損失殆盡，被樣品吸收的電子。透射電子；特征X射線：原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)后，在能級(jí)躍遷過(guò)程中直接釋放的具有特征能量和波長(zhǎng)的電磁輻射；俄歇電子：原子內(nèi)層電子躍遷過(guò)程中釋放的能量，不以X射線的

4、形式釋放，而是使用該能量將核外另一電子打出成二次電子，該二次電子稱為俄歇電子。光學(xué)顯微鏡的分辨率：光學(xué)顯微鏡的最大分辨率：0.2m；人眼的分辨本領(lǐng)是大約0.2mm；故光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)一般最高在10001500倍。欲提高分辨率，只有降低光源的波長(zhǎng)。掃描電子顯微術(shù)放大倍數(shù)：2020萬(wàn)倍；分辨率：5nm10nm；透射電子顯微術(shù)分辨率：0.2nm；放大倍數(shù)：150萬(wàn)倍。XRD （X-ray Diffraction）X射線本質(zhì)電磁波X射線波長(zhǎng)很短（其波長(zhǎng)范圍為10nm-0.001nm）、能量極高、具有很強(qiáng)的穿透能力。X射線從發(fā)現(xiàn)至今已經(jīng)有100多年的歷史，現(xiàn)已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)影像、地質(zhì)勘探和材

5、料科學(xué)研究中，發(fā)揮著巨大的作用 30kV高壓加速的電子與物質(zhì)碰撞時(shí)產(chǎn)生的射線X射線的產(chǎn)生XRD技術(shù)的應(yīng)用粉末x射線衍射高分辨率X射線雙晶衍射 高分辨率X射線雙晶衍射是指測(cè)量樣品的搖擺曲線（rocking curve）。搖擺曲線是指衍射強(qiáng)度隨X射線入射角（X射線入射線與樣品表面的夾角）變化的曲線。研究材料的結(jié)晶完整性、均勻性、層厚、組分、應(yīng)變、缺陷和界面等信息時(shí)，高分辨率X射線雙晶衍射方法具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì) 。從樣品的X射線搖擺曲線主要可獲知外延層晶格質(zhì)量、失配度的正負(fù)及大小、各層厚度及量子阱結(jié)構(gòu)材料的周期特性等信息 （DCXRD: Double crystal X-ray diffraction）主

6、要測(cè)量單晶的材料特性單晶，多晶粉末，或固體片X光衍射測(cè)量中最主要的參數(shù)是衍射峰的角位置和半高寬FWHM (Full width at half maximum)X射線衍射技術(shù)XRD （X-ray Diffraction）Bragg定律2dhklsin =n是入射X射線的波長(zhǎng)，是晶面族的面間距，是布喇格衍射角，表示衍射級(jí)數(shù)的整數(shù)對(duì)某一晶體來(lái)說(shuō)dhkl是確定不變的，當(dāng)一定時(shí)只有特定的值才能滿足以上方程，也就是說(shuō)只有晶體處于某一方位時(shí)才能產(chǎn)生衍射。晶面間距(d)公式：立方晶系：四方晶系：正交晶系：X射線衍射儀測(cè)試原理示意圖 XRD測(cè)試結(jié)果實(shí)例1自碳飽和硅熔體中生長(zhǎng)-SiC晶體 看出在2掃描范圍內(nèi),

7、出現(xiàn)了分別與6H-SiC(101)、-SiC(111)、6H-SiC(110)、-SiC (220)和-SiC(311) 五個(gè)最強(qiáng)的衍射晶面對(duì)應(yīng)的衍射峰，表明所制備的-SiC樣品中含有6H-SiC的成分 僅出現(xiàn)-SiC的三個(gè)衍射峰，進(jìn)一步的分析表明對(duì)應(yīng)于-SiC(111)、 -SiC (220)和-SiC(311) 衍射晶面，表明樣品為-SiC多晶體 XRD測(cè)試結(jié)果實(shí)例2X射線衍射儀基本構(gòu)成常用的高分辨率X射線雙晶衍射設(shè)備，其主要組成部分包括：X光機(jī)，提供穩(wěn)定的X光源；測(cè)角儀，衍射儀的核心，起支撐作用，并使試樣與探測(cè)器相關(guān)地轉(zhuǎn)動(dòng)，支持狹縫系統(tǒng)，限制X射線光路；探測(cè)器，檢測(cè)X射線的部件，主要有蓋

8、格計(jì)數(shù)管，正比計(jì)數(shù)管，閃爍探測(cè)器和Si（Li）探測(cè)器等；記錄器，放大探測(cè)器輸出的電脈沖信號(hào)并傳送給后繼的分析系統(tǒng)；電腦控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行機(jī)械化的精確控制，并對(duì)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、輸出和模擬分析X射線光電子譜(XPS)X-ray Photoelectron Spectroscopy俄歇能譜儀（AES）Auger photoelectron spectroscopyX射線光電子能譜儀（XPS）/ 俄歇能譜儀（AES）儀器型號(hào)：AXIS ULTRA 生產(chǎn)廠家：英國(guó)KRATOS ANALYTICAL Ltd.基本原理hX射線光電子能譜eAuger電子能譜單色X射線光子的能量

9、在10001500ev之間，不僅可使分子的價(jià)電子電離而且也可以把內(nèi)層電子激發(fā)出來(lái)， 同一原子的內(nèi)層電子結(jié)合能在不同分子中相差很小，不同能級(jí)上的電子,結(jié)合能不同，故它是特征的。光子入射到固體表面激發(fā)出光電子，產(chǎn)生由一系列峰組成的電子能譜圖，每個(gè)峰對(duì)應(yīng)于一個(gè)原子能級(jí)（s、p、d、f）；利用能量分析器對(duì)光電子進(jìn)行分析的實(shí)驗(yàn)技術(shù)稱為光電子能譜。電子能譜分析儀示意圖（多功能）激發(fā)源試樣裝置電子能量分析器檢測(cè)器計(jì)算機(jī)XPS 簡(jiǎn)介X射線光電子能譜是瑞典Uppsala大學(xué)K.Siegbahn及其同事經(jīng)過(guò)近20年的潛心研究而建立的一種分析方法。他們發(fā)現(xiàn)了內(nèi)層電子結(jié)合能的位移現(xiàn)象，解決了電子能量分析等技術(shù)問(wèn)題，測(cè)

10、定了元素周期表中各元素軌道結(jié)合能，并成功地應(yīng)用于許多實(shí)際的化學(xué)體系。 X射線光電子譜是重要的表面分析技術(shù)之一。它不僅能探測(cè)表面的化學(xué)組成，而且可以確定各元素的化學(xué)狀態(tài)，因此，在化學(xué)、材料科學(xué)及表面科學(xué)中得以廣泛地應(yīng)用。K.Siegbahn給這種譜儀取名為化學(xué)分析電子能譜(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)，簡(jiǎn)稱為“ESCA”，這一稱謂仍在分析領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用。XPS 簡(jiǎn)介基本原理：光電效應(yīng)基本組成：真空室、X射線源、電子能量分析器輔助組成：離子槍主要功能：成分分析、化學(xué)態(tài)分析采譜方法：全譜、高分辨率譜分析方法：定性分析、定量分析X射線光電子發(fā)

11、射的3步驟X射線照射樣品入射光子和樣品原子相互作用，光致電離產(chǎn)生光電子光電子輸運(yùn)到表面，克服逸出功發(fā)射理論基礎(chǔ)光電效應(yīng)根據(jù)Einstein的能量關(guān)系式有： h = EB + EK其中 為光子的頻率，EB 是內(nèi)層電子的軌道結(jié)合能，EK 是入射光子所激發(fā)出的光電子的動(dòng)能。X射線光電子譜儀的能量校準(zhǔn)X射線光電子能譜分析的首要任務(wù)是譜儀的能量校準(zhǔn)。一臺(tái)工作正常的X射線光電子譜儀應(yīng)是經(jīng)過(guò)能量校準(zhǔn)的。X射線光電子譜儀的能量校準(zhǔn)工作是經(jīng)常性的，一般地說(shuō)，每工作幾個(gè)月或半年，要重新校準(zhǔn)一次。 荷電效應(yīng)用XPS測(cè)定絕緣體或半導(dǎo)體時(shí)，由于光電子的連續(xù)發(fā)射而得不到足夠的電子補(bǔ)充，使得樣品表面出現(xiàn)電子“虧損”，這種現(xiàn)

12、象稱為“荷電效應(yīng)”。荷電效應(yīng)將使樣品出現(xiàn)一穩(wěn)定的表面電勢(shì)VS，它對(duì)光電子逃離有束縛作用。 荷電效應(yīng)的來(lái)源主要是樣品的導(dǎo)電性能差。荷電電勢(shì)的大小同樣品的厚度、X射線源的工作參數(shù)等因素有關(guān)。實(shí)際工作中必須采取有效的措施解決荷電效應(yīng)所導(dǎo)致的能量偏差。荷電效應(yīng)的中和制備超薄樣品；測(cè)試時(shí)用低能電子束中和試樣表面的電荷，使Ec0.1eV，這種方法一方面需要在設(shè)備上配置電子中和槍，另一方面荷電效應(yīng)的消除要靠使用者的經(jīng)驗(yàn)。 XPS定性分析同AES定性分析一樣，XPS分析也是利用已出版的XPS手冊(cè)。定性分析-譜線的識(shí)別因C, O是經(jīng)常出現(xiàn)的，所以首先識(shí)別C, O的光電子譜線，利用X射線光電子譜手冊(cè)中的各元素的峰

13、位表確定其他強(qiáng)峰，并標(biāo)出其相關(guān)峰，注意有些元素的峰可能相互干擾或重疊。識(shí)別所余弱峰。在此步，一般假設(shè)這些峰是某些含量低的元素的主峰。若仍有一些小峰仍不能確定，可檢驗(yàn)一下它們是否是某些已識(shí)別元素的“鬼峰”。 在XPS的應(yīng)用中，化合態(tài)的識(shí)別是最主要的用途之一。識(shí)別化合態(tài)的主要方法就是測(cè)量X射線光電子譜的峰位位移。對(duì)于半導(dǎo)體、絕緣體，在測(cè)量化學(xué)位移前應(yīng)首先決定荷電效應(yīng)對(duì)峰位位移的影響?；蠎B(tài)識(shí)別由于元素所處的化學(xué)環(huán)境不同，它們的內(nèi)層電子的軌道結(jié)合能也不同，即存在所謂的化學(xué)位移。其次，化學(xué)環(huán)境的變化將使一些元素的光電子譜雙峰間的距離發(fā)生變化，這也是判定化學(xué)狀態(tài)的重要依據(jù)之一。 元素化學(xué)狀態(tài)的變化有時(shí)還

14、將引起譜峰半峰高寬的變化。 Ti及TiO2中2p3/2峰的峰位及2p1/2和2p3/2之間的距離 XPS測(cè)試實(shí)例硅的熱氧化薄膜的深度分析的檢測(cè)表面為SiO2Si2p和O1s單質(zhì)內(nèi)部為SiAuger電子能譜分析法 Auger photoelectron spectroscopy入射電子能量約為210kev，在樣品中只能穿透很薄的表層，俄歇電子能量比較低202000ev，在固體中自由程很短，1nm左右，因而俄歇譜不能揭示樣品內(nèi)部信息只能給出表層信息。和XPS一樣，如果結(jié)合濺射離子槍對(duì)樣品進(jìn)行剝層技術(shù)，則可以得到材料的組分和雜質(zhì)元素的縱向分布。法國(guó)科學(xué)家Auger1926年發(fā)現(xiàn)俄歇電子的，但是由于它

15、在眾多的二次電子中所占比例很小，對(duì)它的探測(cè)比較困難。1967年利用電學(xué)微分方法使俄歇電子的譜峰在緩慢變化的二次電子流背景中鮮明顯現(xiàn)出來(lái)，俄歇能譜才開(kāi)始用于表面分析。Auger電子能譜原理原子處于基態(tài)時(shí)，核外電子依次排列在具有一定能量的能級(jí)K、L、M、N上。在入射電子的作用下，K能級(jí)上的電子被激發(fā)電離留下空位，原子處于不穩(wěn)定的狀態(tài)要達(dá)到穩(wěn)定，假定L1層上的電子躍遷到K層填補(bǔ)空位，這時(shí)將釋放多余能量EKEL1兩種釋放方式：發(fā)射特征X射線XES探測(cè)的對(duì)象將L23層上的電子激發(fā)電離產(chǎn)生俄歇電子KL1L23MEF1839ev149ev99ev13ev0ev入射電子X(jué)ES俄歇電子Auger電子能量與元素序

16、數(shù)和產(chǎn)生的能級(jí)有關(guān)，具有特征性； 對(duì)于 3 14 的元素， Auger峰類(lèi)型為：KLL 型； 對(duì)于14 40的元素， Auger峰類(lèi)型為：LMM 型；Auger電子能譜分析實(shí)例XPS和AES的比較XPSAES對(duì)樣品表面損傷小，定量分析最好。XPS不會(huì)對(duì)樣品充電，可分析絕緣材料可分析價(jià)態(tài)和化學(xué)鍵類(lèi)型X射線難于聚焦XPS橫向分辨率差靈敏度0.1%入射電子束斑可以很小很好的微區(qū)分析能力，很高的橫向與深度分辨率性能指標(biāo)適中、分析速度較快特別適合分析原子序數(shù)小的元素可鑒別元素的化學(xué)狀態(tài)結(jié)合剝層技術(shù)可進(jìn)行深度分布分析靈敏度0.1%隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，XPS也在不斷地完善。目前，已開(kāi)發(fā)出的小面積X射線光電子

17、能譜，大大提高了XPS的空間分辨能力。二次離子質(zhì)譜儀SIMS （Secondary Ion Mass Spectrometry） 它主要是用質(zhì)譜方法分析由一定能量的一次離子打在樣品靶上濺射產(chǎn)生的正、負(fù)二次離子來(lái)獲取樣品的信息。二次離子最早是由Thomson 在1910年發(fā)現(xiàn)，1949 年Herzog和Viekbock首次將二次離子發(fā)射與質(zhì)譜聯(lián)系起來(lái)，到上世紀(jì)六十年代便正式出現(xiàn)了SIMS測(cè)試儀器。70年代，SIMS形成了兩個(gè)發(fā)展方向：Benninghoven及其合作者采用大束斑、低密度的離子束，即靜態(tài)二次離子質(zhì)譜(Static secondary ion mass spectrometry，SS

18、IMS)，進(jìn)行有機(jī)樣品的表面分析；Wittmaack和Magee等采用高密度的一次束，即動(dòng)態(tài)二次離子質(zhì)譜(Dynamic secondary ion mass spectrometry，DSIMS)，獲取無(wú)機(jī)樣品沿縱向方向的濃度剖面和進(jìn)行痕量雜質(zhì)鑒定。 二次離子質(zhì)譜儀測(cè)試原理 二次離子發(fā)射的機(jī)制極為復(fù)雜，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)它就是一次離子轟擊樣品產(chǎn)生的一種特殊粒子。當(dāng)一次離子轟擊樣品表面微區(qū)時(shí)，表層的一部分原子得到較多的能量，它們能克服表面勢(shì)壘而逸出。一次離子能夠穿透上面一些原子層到達(dá)固體樣品中的一定深度，在穿透過(guò)程中產(chǎn)生一系列的級(jí)聯(lián)碰撞。一次離子把它的部分能量傳遞給晶格原子。這些原子中有一部分向表面運(yùn)動(dòng)

19、，并把能量的一部分傳遞給表面粒子使它發(fā)射，這種過(guò)程稱為粒子濺射過(guò)程。濺射出的粒子大部分為中性原子或分子，小部分為帶正、負(fù)電荷的原子離子和分子離子。這些二次離子由浸沒(méi)透鏡引出，進(jìn)入二次離子光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)靜電分析器和磁質(zhì)譜儀后，按其質(zhì)荷比Me的大小分離，對(duì)二次離子進(jìn)行質(zhì)譜分析便可獲得關(guān)于樣品表面元素、同位素、化合物的組分及分子結(jié)構(gòu)和一定的晶格信息；通過(guò)逐層剝離便可獲得各種成分的深度分布及樣品成分的三維分布信息 SIMS主機(jī)結(jié)構(gòu)圖 二次離子質(zhì)譜儀結(jié)構(gòu)一個(gè)基本的二次離子質(zhì)譜儀主要包括以下五部分：（1）樣品架和送樣系統(tǒng)，（2）主真空系統(tǒng)，主真空系統(tǒng)保證了樣品室和質(zhì)譜室都處于相當(dāng)高的真空度。（3）離子槍系統(tǒng)，離子槍用來(lái)產(chǎn)生SIMS分析所需的一次離子束，并同時(shí)