1、第第2章章 化学腐蚀法检测晶体缺陷化学腐蚀法检测晶体缺陷2.1 半导体晶体的电化学腐蚀机理及常用半导体晶体的电化学腐蚀机理及常用腐蚀剂腐蚀剂2.2 半导体单晶体的缺陷半导体单晶体的缺陷2.3 硅单晶位错的检测硅单晶位错的检测2.4 单晶硅中漩涡缺陷的检测单晶硅中漩涡缺陷的检测2.5 化学工艺中的安全知识化学工艺中的安全知识2.6 金相显微镜简介金相显微镜简介v缺陷检测的意义：缺陷检测的意义：v硅单晶中的各种缺陷对器件的性能有很大的影响，硅单晶中的各种缺陷对器件的性能有很大的影响，它会造成它会造成扩散结面不平整，使晶体管中出现管道，扩散结面不平整，使晶体管中出现管道，引起引起p-n 结的反向漏电
2、流增大等。结的反向漏电流增大等。v而各种缺陷的产生种类和数量的多少与晶体制备工而各种缺陷的产生种类和数量的多少与晶体制备工艺和器件工艺有关。艺和器件工艺有关。v v检测方法检测方法v晶体缺陷的实验观察方法有许多种，如透射电子显晶体缺陷的实验观察方法有许多种，如透射电子显微镜、微镜、X光貌相技术、红外显微镜及金相腐蚀显示光貌相技术、红外显微镜及金相腐蚀显示（电化学腐蚀法电化学腐蚀法）等方法。）等方法。v电化学腐蚀法的特点：电化学腐蚀法的特点：v（1）设备简单，操作易掌握，较直观，设备简单，操作易掌握，较直观，是观察研是观察研究晶体缺陷的最常用的方法之一。究晶体缺陷的最常用的方法之一。v（2）可以
3、揭示）可以揭示缺陷的类型、数量和分布情况缺陷的类型、数量和分布情况，找，找出缺陷形成、增殖和晶体制备工艺及器件工艺的关出缺陷形成、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。善器件性能提供线索。2.1 半导体晶体的电化学腐蚀机理及常用腐蚀剂半导体晶体的电化学腐蚀机理及常用腐蚀剂v一、电化学腐蚀机理一、电化学腐蚀机理v1、化学腐蚀化学腐蚀：指金属或半导体材料与接触到的物质直接发：指金属或半导体材料与接触到的物质直接发生化学反应引起的腐蚀。这类腐蚀不普遍、只有在特殊条生化学反应引起的腐蚀。这类腐蚀不普遍
4、、只有在特殊条件下发生。件下发生。以硅为例，经常在高温以硅为例，经常在高温1200，用，用HCl进行硅进行硅表面气相腐蚀。反应如下表面气相腐蚀。反应如下Si+4HCl SiCl4+2H21200v2、电化学腐蚀电化学腐蚀：指金属或半导体材料在电解质溶液中受到：指金属或半导体材料在电解质溶液中受到的腐蚀，也是指由于形成了原电池而发生电化学作用引起的腐蚀，也是指由于形成了原电池而发生电化学作用引起的腐蚀。如图的腐蚀。如图2-1-1：图图2-1-1 金属的电化学腐蚀的装置金属的电化学腐蚀的装置22ZneZn负极负极正极正极v2、构成硅单晶形成的电化学腐蚀的条件：、构成硅单晶形成的电化学腐蚀的条件：v
5、（1）半导体被腐蚀的各部分或区域之间存在电位差，有正）半导体被腐蚀的各部分或区域之间存在电位差，有正负极。负极。v（2）不同电极电位相互接触。）不同电极电位相互接触。v（3）不同部分处于连通的电解质溶液中，构成许多微电池）不同部分处于连通的电解质溶液中，构成许多微电池。v3、半导体晶体的电化学腐蚀机理、半导体晶体的电化学腐蚀机理:v利用半导体晶体在各种酸或碱性电解质溶液中，表面构成了利用半导体晶体在各种酸或碱性电解质溶液中，表面构成了微电池，由于微电池的电化学作用使晶体表面受到腐蚀，其微电池，由于微电池的电化学作用使晶体表面受到腐蚀，其实质是一种氧化还原反应实质是一种氧化还原反应。v（1）在）
6、在HNO3和和HF溶液电解质溶液中的腐蚀溶液电解质溶液中的腐蚀负极：负极：正极：正极：OHSiFHHFSiOeHSiOpOHSi262222262422pOHNOHHNO32323v总反应：总反应：v无氧化剂时，发生无氧化剂时，发生析氢反应析氢反应，反应速度较慢，反应速度较慢v正极：正极：注：用注：用CrO3或铬酸加在或铬酸加在HF中也可以提高腐蚀速度中也可以提高腐蚀速度 OHNOSiFHHFHNOSi26238431843222HeHv（2）在）在NaOH和和KOH溶液电解质溶液中的腐蚀溶液电解质溶液中的腐蚀v负极：负极：v正极：正极：v总反应：总反应：v添加中性或碱性氧化剂可以提高其腐蚀速
7、度，如添加中性或碱性氧化剂可以提高其腐蚀速度，如eOHSiOOHSi436223222HeH22232346HOHSiOHOHSi22OHNaClO二、影响半导体单晶电化学腐蚀速度的各种因素二、影响半导体单晶电化学腐蚀速度的各种因素v1、腐蚀液成分：、腐蚀液成分：v根本原因根本原因:（能否促进电极反应的顺利进行能否促进电极反应的顺利进行）v（1）强酸）强酸强碱强碱v（2）强氧化剂可以加快腐蚀速度）强氧化剂可以加快腐蚀速度v（3）成分相同的腐蚀液配比不同，腐蚀速度也有别）成分相同的腐蚀液配比不同，腐蚀速度也有别v在纯在纯HNO3和纯和纯HF中的腐蚀速度小。当中的腐蚀速度小。当HNO3：HF=1:
8、4.5时，时，腐蚀速度有最大值。腐蚀速度有最大值。如图所示：如图所示：图图2-1-2 硅在硅在70%（重量）（重量）HNO3+49%(重量）重量）HF混合液中的腐蚀速度与成分的关系混合液中的腐蚀速度与成分的关系v2、电极电位、电极电位:电位低的电极容易被腐蚀，电位高的电位低的电极容易被腐蚀，电位高的电极不容易被腐蚀。电位差越大，腐蚀越快。而电极不容易被腐蚀。电位差越大，腐蚀越快。而对于半导体晶体，决定电极电位高低的因素：对于半导体晶体，决定电极电位高低的因素：v1）腐蚀液成分和导电类型（如）腐蚀液成分和导电类型（如图图2-2-3）v2）载流子浓度（如图）载流子浓度（如图2-2-4）图图2-2-
9、3 n型半导体和型半导体和p型半导体在中腐蚀液中的电极电位型半导体在中腐蚀液中的电极电位返回返回图图2-2-4 硅在硅在90%浓浓HNO3+10%浓浓HF中的电极电位中的电极电位返回返回3、缓冲剂的作用：、缓冲剂的作用：弱酸或弱碱，弱酸或弱碱，H+或或OH-不能完全电离，不能完全电离，降低了其浓度，因此正、负极反应速度变慢。降低了其浓度，因此正、负极反应速度变慢。4、温度和搅拌的速度、温度和搅拌的速度1）温度高腐蚀速度快。）温度高腐蚀速度快。2）搅拌可以提高腐蚀速度、改变腐蚀的择优性。）搅拌可以提高腐蚀速度、改变腐蚀的择优性。v择优性：指晶体的某些晶面优先受到腐蚀，而某些晶面不择优性：指晶体的
10、某些晶面优先受到腐蚀，而某些晶面不容易受到腐蚀而成为裸露面。容易受到腐蚀而成为裸露面。5、光照的影响：、光照的影响：光照的作用产生电子光照的作用产生电子-空穴对，加大了为电空穴对，加大了为电池的作用。池的作用。三、腐蚀在半导体中的应用三、腐蚀在半导体中的应用v1、半导体材料、器具等的清洗、半导体材料、器具等的清洗v常用的清洗剂：常用的清洗剂：各种无机酸、氧化剂和络合剂等。各种无机酸、氧化剂和络合剂等。v（1）盐酸、硝酸盐酸、硝酸：利用其强酸性去除金属杂质；：利用其强酸性去除金属杂质；v（2）浓硫酸浓硫酸：利用碳化作用去除有机杂质；：利用碳化作用去除有机杂质；重铬酸重铬酸钾和浓硫酸钾和浓硫酸可以
11、去除玻璃、金属等各种器皿表面的杂可以去除玻璃、金属等各种器皿表面的杂质；质；v（3）络合物络合物：与金属杂质反应生成可溶性化合物；：与金属杂质反应生成可溶性化合物；v（4）双氧水和氨水双氧水和氨水：可以去除有机颗粒和部分的金：可以去除有机颗粒和部分的金属离子属离子如：美国如：美国RCA超声波清洗剂（硅片清洗）超声波清洗剂（硅片清洗）v（1）SC-1：主要由：主要由NH4OH、H2O2、H2O组成，简称组成，简称APM，浓度比例浓度比例1:1:51:2:7，清洗温度一般为，清洗温度一般为70-80，PH值较值较高。高。v作用：去除硅片表面微粒、有机物颗粒和部分金属杂质（作用：去除硅片表面微粒、有
12、机物颗粒和部分金属杂质（Fe、Zn、Cu、Cr、Ag等）等）v（2）SC-2：主要由：主要由HCl、H2O2、H2O组成，简称组成，简称HPM，浓，浓度比例度比例1:1:51:2:8，清洗温度一般为，清洗温度一般为70-80，PH较低。较低。v作用：去除碱金属离子、作用：去除碱金属离子、Cu、Au等残余金属、等残余金属、Al(OH)3、Fe(OH)3、Zn(OH)2等氧化物。等氧化物。v2、晶体缺陷的显示、晶体缺陷的显示v（1）通过择优腐蚀，得到各种形状的缺陷腐蚀坑。如图所）通过择优腐蚀，得到各种形状的缺陷腐蚀坑。如图所示位错缺陷的显示：示位错缺陷的显示：图图2-2-5 （111）晶面的位错腐
13、蚀坑）晶面的位错腐蚀坑v（2）单晶前沿的显示：掺杂半导体的杂质分凝作）单晶前沿的显示：掺杂半导体的杂质分凝作用引起的电阻率条纹。如图所示：用引起的电阻率条纹。如图所示：图图2-2-6 单晶硅的生长前沿单晶硅的生长前沿v3、抛光腐蚀、抛光腐蚀v缺陷腐蚀前的前工序，有利于缺陷的更好的显示。缺陷腐蚀前的前工序，有利于缺陷的更好的显示。v作用：除去切割等工序产生的机械损伤，将表面抛光成镜面作用：除去切割等工序产生的机械损伤，将表面抛光成镜面v一般情况下抛光腐蚀速度大于缺陷腐蚀的速度一般情况下抛光腐蚀速度大于缺陷腐蚀的速度v抛光腐蚀和缺陷腐蚀的判断：通过速度的大小关系判断，抛光腐蚀和缺陷腐蚀的判断：通过
14、速度的大小关系判断，如如图所示图所示：v4、化学减薄、化学减薄v（1）往样品中央喷射抛光液以形成空洞，用于透）往样品中央喷射抛光液以形成空洞，用于透射电子显微镜来观察空洞周围的薄化区。（射电子显微镜来观察空洞周围的薄化区。（2）也）也可以去除机械损伤可以去除机械损伤,减少和消除热氧化缺陷。减少和消除热氧化缺陷。当当 Vc VsVd 时，为抛光腐蚀时，为抛光腐蚀 当当 Vc VdVs时，为缺陷腐蚀时，为缺陷腐蚀图图2-2-7 腐蚀坑形成的三个速度腐蚀坑形成的三个速度四、半导体硅的常用腐蚀剂四、半导体硅的常用腐蚀剂v1、腐蚀剂中各液体成分的浓度大致：、腐蚀剂中各液体成分的浓度大致：vHF HNO3
15、 H2O2 HCl HAcv49%70%30%36%99%以上以上2、硅单晶的几种典型的腐蚀液、硅单晶的几种典型的腐蚀液v（1）通常用的抛光（非择优）腐蚀剂的配方为：）通常用的抛光（非择优）腐蚀剂的配方为：vHF:HNO3=1:2.5v（2）Sirtl(希尔）希尔）HF溶液溶液+33%CrO3水溶液，根水溶液，根据配比不同可以配制不同速度的腐蚀液。据配比不同可以配制不同速度的腐蚀液。v先用先用CrO3与去离子水配成标准液：与去离子水配成标准液：v标准液标准液50g CrO3+100g H2Ov然后配成下列几种腐蚀液：然后配成下列几种腐蚀液：vA.标准液：标准液：HF=2:1(慢速液慢速液)（用
16、于（用于（100）晶面择优腐蚀）晶面择优腐蚀）vB.标准液：标准液：HF=3:2(中速液中速液)vC.标准液：标准液：HF=1:1(快速液快速液)（用于（用于（111）晶面择优腐蚀）晶面择优腐蚀）vD.标准液：标准液：HF=1:2(快速液快速液)v（3）Dash（达希）腐蚀液（达希）腐蚀液vDash腐蚀液的配方为：腐蚀液的配方为：vHF:HNO3:CH3COOH1:3:8v用于多个晶面腐蚀用于多个晶面腐蚀2.2 半导体单晶硅的缺陷半导体单晶硅的缺陷半导体晶体缺陷的分类：半导体晶体缺陷的分类：1、微观缺陷（点缺陷、位错、层错、微缺陷等）、微观缺陷（点缺陷、位错、层错、微缺陷等）2、宏观缺陷（双晶
17、、星型结构、杂质析出、漩、宏观缺陷（双晶、星型结构、杂质析出、漩涡结构等）涡结构等）3、晶格的点阵应变和表面机械损伤、晶格的点阵应变和表面机械损伤v（一）点缺陷（一）点缺陷v点缺陷的概念点缺陷的概念：由于晶体中空位、填隙原子及杂质由于晶体中空位、填隙原子及杂质原子的存在，引起晶格周期性的破坏，发生在一个原子的存在，引起晶格周期性的破坏，发生在一个或几个晶格常数的限度范围内，这类缺陷统称为点或几个晶格常数的限度范围内，这类缺陷统称为点缺陷。缺陷。v按其对理想晶格的偏离的几何位置及成分来划分：按其对理想晶格的偏离的几何位置及成分来划分：空位、填隙原子、外来杂质原子和复合体（络合体）空位、填隙原子、
18、外来杂质原子和复合体（络合体）等。等。一、一、微观缺陷微观缺陷图图 2-3-1 空位缺陷空位缺陷1、空位空位：晶体中的原子由于：晶体中的原子由于热运动或辐射热运动或辐射离开平衡位置跑离开平衡位置跑到晶格的空隙中或晶体的表面，原来的位置又没被其他的到晶格的空隙中或晶体的表面，原来的位置又没被其他的原子占据而留下的空位。如图所示：原子占据而留下的空位。如图所示：v空位存在的形式：空位存在的形式：v1）晶体由在冷却到室温的过程中，空位来不及扩散直接被）晶体由在冷却到室温的过程中，空位来不及扩散直接被“冻结冻结”在体内。在体内。v2）与杂质原子形成络合体。）与杂质原子形成络合体。v3）在位错附近消失引
19、起位错的攀移。）在位错附近消失引起位错的攀移。v4）形成双空位，凝聚成团而塌蹦形成位错圈。）形成双空位，凝聚成团而塌蹦形成位错圈。v而许多空位聚集成团，当它蹋蹦时形成位错圈时，可以而许多空位聚集成团，当它蹋蹦时形成位错圈时，可以用化学腐蚀法或透射电子显微镜观察。用化学腐蚀法或透射电子显微镜观察。v2、填隙原子（、填隙原子（自间隙原子自间隙原子）：）：晶体中的原子由于热运动或晶体中的原子由于热运动或辐射离开平衡位置跑到晶格的空隙中，这样的原子称为填隙辐射离开平衡位置跑到晶格的空隙中，这样的原子称为填隙原子。如图所示：原子。如图所示：图图 2-3-2 弗仑克尔缺陷弗仑克尔缺陷v填隙原子存在的方式：
20、填隙原子存在的方式：v（1）与空位结合而消失。）与空位结合而消失。v（2）聚集成团形成间隙性位错圈。）聚集成团形成间隙性位错圈。v（3）在生长界面附近凝聚形成微缺陷。）在生长界面附近凝聚形成微缺陷。v3、杂质原子（外来原子）：、杂质原子（外来原子）：由外来原子进入晶体而产生的由外来原子进入晶体而产生的缺陷。杂质原子又分为填隙式和替位式原子。如图所示：缺陷。杂质原子又分为填隙式和替位式原子。如图所示：图图 2-3-3 外来杂质原子外来杂质原子v硅中的杂质氧、碳以及重金属都可能以两种方式存在，并与硅中的杂质氧、碳以及重金属都可能以两种方式存在，并与硅结合成键，如氧与硅形成硅结合成键，如氧与硅形成S
21、i-O-Si键。键。v4、络合体、络合体v杂质原子与空位相结合形成的复合体。杂质原子与空位相结合形成的复合体。v如：空位如：空位-磷原子对（磷原子对（E中心）中心）v 空位空位-氧原子对氧原子对（A中心）中心）v这些络合体具有电活性，因此会影响半导体的载流这些络合体具有电活性，因此会影响半导体的载流子浓度。子浓度。v（二）线缺陷：周期性的破坏局域在线附近（二）线缺陷：周期性的破坏局域在线附近,一般指位错一般指位错。位错主要有位错主要有刃位错、螺型位错以及位错环刃位错、螺型位错以及位错环。如图所示为位错。如图所示为位错的示意图：的示意图：图图 2-3-4 线缺陷线缺陷v1、刃位错：、刃位错：刃位
22、错的构成象似一把刀劈柴似的，把半个原子刃位错的构成象似一把刀劈柴似的，把半个原子面夹到完整晶体中，这半个面似刀刃，因而得名。面夹到完整晶体中，这半个面似刀刃，因而得名。如图所示。如图所示。特点：特点：原子只在刃部的一排原子是错排的，位错线原子只在刃部的一排原子是错排的，位错线垂直垂直于滑移方向。于滑移方向。图图 2-3-5 刃位错刃位错(a)(b)v2、螺位错：、螺位错：当晶体中存在螺位错时，原来的一组晶面就当晶体中存在螺位错时，原来的一组晶面就像像变成单个晶面组成的螺旋阶梯。变成单个晶面组成的螺旋阶梯。图图 2-3-6 刃位错刃位错v特点：特点：位错线和位移方向平行位错线和位移方向平行，螺型
23、位错周围的点阵畸变随离位错螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷线距离的增加而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。v3、混合位错：、混合位错：v除了上面介绍的两种基本型位错外，还有一种形式更为普遍除了上面介绍的两种基本型位错外，还有一种形式更为普遍的位错，其的位错，其滑移矢量既不平行也不垂直于位错线滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而与位错，而与位错线相交成任意角度，这种位错称为混合位错。如图所示线相交成任意角度，这种位错称为混合位错。如图所示:图图 2-3-7 混合位错混合位错v位错环的特点：位错环的特点：v一根位错线不能终止于晶体内部
24、，而只能露头于晶体表一根位错线不能终止于晶体内部，而只能露头于晶体表面（包括晶界）。若它终止于晶体内部，则必与其他位错面（包括晶界）。若它终止于晶体内部，则必与其他位错线相连接，或在晶体内部形成封闭线。形成封闭线的位错线相连接，或在晶体内部形成封闭线。形成封闭线的位错称为位错环（称为位错环（位错的一种增殖机制位错的一种增殖机制），如图所示。），如图所示。图图 2-3-8 位错环位错环v硅单晶的准刃型位错：在金刚石结构中一种位错线与柏格斯硅单晶的准刃型位错：在金刚石结构中一种位错线与柏格斯矢量成矢量成60度角的位错，具有刃型位错的特点，因此成为准刃度角的位错，具有刃型位错的特点，因此成为准刃型位
25、错。如图所示：型位错。如图所示：图图 2-3-9 准刃位错准刃位错4、位错中柏格斯矢量的判断：、位错中柏格斯矢量的判断：如图所示，利用右手螺旋定则如图所示，利用右手螺旋定则沿基矢走，形成一个闭合回路，所有矢量的和即为柏格斯矢沿基矢走，形成一个闭合回路，所有矢量的和即为柏格斯矢量。量。图图 2-3-10 柏格斯矢量柏格斯矢量v5、位错的运动（、位错的运动（滑移与攀移滑移与攀移）v（1）位错的滑移位错的滑移：指位错线在滑移面沿滑移方向运动。其：指位错线在滑移面沿滑移方向运动。其特点：特点：位错线运动方向与柏格斯矢量平行位错线运动方向与柏格斯矢量平行。如图所示：。如图所示：图图 2-3-11 位错的
26、滑移位错的滑移硅单晶的滑移体系：硅单晶的滑移体系：111晶面和晶面和晶向族晶向族滑移方向滑移方向：取原子距离最小的晶列方向，：取原子距离最小的晶列方向，对于硅而言，对于硅而言，晶向族的距离最小晶向族的距离最小，因此为位错的滑移方向。共有，因此为位错的滑移方向。共有12个方向，个方向，如图所示如图所示:v滑移面滑移面：滑移面一般取面密度大，面间距大的晶面，硅晶滑移面一般取面密度大，面间距大的晶面，硅晶体的滑移面为体的滑移面为111晶面族晶面族，所示如图：，所示如图：v（2）位错的攀移位错的攀移：位错线垂直于滑移向量的运动，他是由：位错线垂直于滑移向量的运动，他是由于在一定温度下，晶体中存在空位和
27、填隙原子，在热运动的于在一定温度下，晶体中存在空位和填隙原子，在热运动的作用下，移动位错线，引起半平面的变大或变小。分为正攀作用下，移动位错线，引起半平面的变大或变小。分为正攀移和负攀移。移和负攀移。a)正攀移正攀移：由于吸收空位而使位错向上攀移：由于吸收空位而使位错向上攀移,半原子平面缩短半原子平面缩短.b）负攀移）负攀移:吸收填隙原子，位错向下攀移，半原子平面扩大。吸收填隙原子，位错向下攀移，半原子平面扩大。如图所示：如图所示：图图 2-3-12 位错的攀移位错的攀移v6、位错的显示：、位错的显示：通过化学腐蚀法显示晶体的位错，不同的通过化学腐蚀法显示晶体的位错，不同的晶面上缺陷的腐蚀坑不
28、同。如图所示：晶面上缺陷的腐蚀坑不同。如图所示：（111）晶面）晶面 （110）晶面）晶面 （100）晶面）晶面 图图 2-3-12 刃位错的腐蚀坑图位错的腐蚀坑图像像v三、堆垛层错三、堆垛层错v晶体密堆积结构中正常的排列秩序发生了错误的排列。分本晶体密堆积结构中正常的排列秩序发生了错误的排列。分本征层错和非本征层错征层错和非本征层错,如图所示：如图所示：(a)本征层错本征层错 （b)非本征层非本征层错错图图 2-3-14 堆垛层错示意图立方密堆积立方密堆积（111）面单晶硅中的层错）面单晶硅中的层错图图 2-3-15 堆垛层错图像堆垛层错图像v（四）杂质沉淀（四）杂质沉淀v硅的生产和加工过程
29、中，很容易引入各种杂质，如直拉硅中硅的生产和加工过程中，很容易引入各种杂质，如直拉硅中氧、碳以及各种重金属杂质（氧、碳以及各种重金属杂质（Cu、Fe、Ni、Na等），他们等），他们在高温环境下在硅中的溶解度很高，但在低温及室温条件下，在高温环境下在硅中的溶解度很高，但在低温及室温条件下，其溶解度大大下降，多余的杂质都以沉淀的形式析出。如：其溶解度大大下降，多余的杂质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电子显微镜或电子探针电子显微镜或电子探针进行观察和分进行观察和分析。如图所示为金属杂质沉淀呈枝蔓状析出。析。如图所示为金属杂质沉淀呈枝
30、蔓状析出。图图 2-3-16 杂质沉淀图像杂质沉淀图像二、二、宏观宏观缺陷缺陷v（一）小角晶界（一）小角晶界v1、晶界晶界：多晶体中各晶粒的位向不同，晶粒之间的界面称：多晶体中各晶粒的位向不同，晶粒之间的界面称为晶界。为晶界。v2、小角晶界小角晶界：单晶中存在晶向角度差极小的两个区域，通：单晶中存在晶向角度差极小的两个区域，通常称为亚晶粒，因此他们之间的界面称为亚晶界，也称为小常称为亚晶粒，因此他们之间的界面称为亚晶界，也称为小角晶界。如图所示：角晶界。如图所示：)10(0bDD-位错间距离位错间距离 -柏格斯矢量柏格斯矢量-晶向角度差晶向角度差b图图 2-3-17 小角晶界小角晶界通常用化学
31、腐蚀法显示小角晶界上的位错，其特点：通常用化学腐蚀法显示小角晶界上的位错，其特点：顶与底相顶与底相连排成列。连排成列。如图所示为如图所示为(111)晶面上的腐蚀坑晶面上的腐蚀坑系属结构系属结构：小角晶界局部密集排列：小角晶界局部密集排列图图 2-3-18 小角晶界形成的腐蚀坑图像小角晶界形成的腐蚀坑图像v（二）位错排：（二）位错排：由一系列位错构成，但排列上不同于小角晶由一系列位错构成，但排列上不同于小角晶界，其位错腐蚀坑的底面排列在一条直线上，如图界，其位错腐蚀坑的底面排列在一条直线上，如图(a)所示所示v如图（如图（b）所示，位错滑移的过程中碰到障碍而停止下来，）所示，位错滑移的过程中碰到
32、障碍而停止下来，附近的位错受到前一位错的应力场的作用停止下来，形成了附近的位错受到前一位错的应力场的作用停止下来，形成了位错由密到疏的排列。位错由密到疏的排列。(b)(a)图图 2-3-20 位错排位错排v星形结构的形成：星形结构的形成：当晶体中存在大量位错时，且分布在不同当晶体中存在大量位错时，且分布在不同的的111晶面上时，经过的腐蚀坑排列构成星形结构晶面上时，经过的腐蚀坑排列构成星形结构。如图。如图所示：所示：v（三）杂质的析出与夹杂物（三）杂质的析出与夹杂物v1、由于杂质的分凝作用，单晶硅尾部的杂质浓度过大，常常在过冷时、由于杂质的分凝作用，单晶硅尾部的杂质浓度过大，常常在过冷时出现杂
33、质析出。出现杂质析出。杂质析出严重杂质析出严重时，通过化学腐蚀观察其腐蚀坑，形成六时，通过化学腐蚀观察其腐蚀坑，形成六角网状。如图所示角网状。如图所示(a)(b)v2、夹杂物：单晶硅在、夹杂物：单晶硅在重掺杂重掺杂情况下，会出现一些夹杂物的存在，严重情况下，会出现一些夹杂物的存在，严重时会出现夹杂物的堆积，可以通过化学腐蚀法显示时会出现夹杂物的堆积，可以通过化学腐蚀法显示.三、三、点阵应变与表面机械损伤点阵应变与表面机械损伤v1 1、点阵应变：、点阵应变：晶体中的应力和应变可以由加工损伤、晶体中的应力和应变可以由加工损伤、过量空位、位错应力场、与基体原子半径不同的杂质原过量空位、位错应力场、与
34、基体原子半径不同的杂质原子的存在，以及表面的氧化膜所引起的。晶体切、磨时子的存在，以及表面的氧化膜所引起的。晶体切、磨时应力又可引起薄片的弯曲。应力又可引起薄片的弯曲。v可以依据可以依据X X射线衍射峰的位置、峰高度的变化以及半峰射线衍射峰的位置、峰高度的变化以及半峰宽度来测定单晶中的应力和应变。宽度来测定单晶中的应力和应变。v2 2、表面机械损伤：、表面机械损伤：在器件制造过程中经过机械抛光后，在器件制造过程中经过机械抛光后，表面留下一定的机械损伤和残余应力。不仅可以引入自表面留下一定的机械损伤和残余应力。不仅可以引入自由载流子，增加表面复合，还会在热处理过程中引起各由载流子，增加表面复合，
35、还会在热处理过程中引起各种缺陷种缺陷（如热氧化层错、滑移位错引起的位错圈等）（如热氧化层错、滑移位错引起的位错圈等）v表面损伤的测量方法有多种：表面损伤的测量方法有多种：v（1）腐蚀速率法腐蚀速率法：利用有损伤处与无损伤处的腐蚀速度的：利用有损伤处与无损伤处的腐蚀速度的差别测定损伤层的深度。差别测定损伤层的深度。v（2）截面法截面法：将表面磨成斜角，再抛光斜面后进行腐蚀，：将表面磨成斜角，再抛光斜面后进行腐蚀，呈现表面的损伤。也可以呈现表面的损伤。也可以x形貌观察截面以了解表面损伤情形貌观察截面以了解表面损伤情况。况。v（3）载流子效应法载流子效应法：利用表面损伤对载流子数量和少子寿：利用表面
36、损伤对载流子数量和少子寿命的影响估测损伤层深度。命的影响估测损伤层深度。v（4）铜坠饰法铜坠饰法：利用铜缀饰显示退火后的残余损伤。：利用铜缀饰显示退火后的残余损伤。v（5）x射线双晶光谱仪法射线双晶光谱仪法：利用：利用X射线衍射强度峰的宽度与射线衍射强度峰的宽度与表面机械损伤的联系测定损伤层深度。表面机械损伤的联系测定损伤层深度。v（6）电子顺磁共振法电子顺磁共振法：利用电子顺磁共振线与表面损伤的：利用电子顺磁共振线与表面损伤的关系研究表面损伤情况。关系研究表面损伤情况。v典型的缺陷及及其显示方法典型的缺陷及及其显示方法v晶体硅中的典型缺陷晶体硅中的典型缺陷:位错、层错、微缺陷漩涡花纹、位错、
37、层错、微缺陷漩涡花纹、杂质析出，夹杂物、杂质沉淀杂质析出，夹杂物、杂质沉淀。v 随着生产技术的改进，一些宏观缺陷可以得到消随着生产技术的改进，一些宏观缺陷可以得到消除，如杂质析出、夹杂等缺陷。本节侧重学习位错除，如杂质析出、夹杂等缺陷。本节侧重学习位错两种常见缺陷的检测：两种常见缺陷的检测：位错与漩涡微缺陷位错与漩涡微缺陷。2.3 硅晶体中位错的检测硅晶体中位错的检测v显示方法：显示方法：v 原生硅中的位错用化学腐蚀法使其显露。选定某原生硅中的位错用化学腐蚀法使其显露。选定某一截面，位错线与它相交，在化学腐蚀时，每个位一截面，位错线与它相交，在化学腐蚀时，每个位错露头的地方都会产生腐蚀坑，然后
38、在金相显微镜错露头的地方都会产生腐蚀坑，然后在金相显微镜下观察。下观察。v如图所示为各种位错的显示如图所示为各种位错的显示:2.3.1 位错的显示方法位错的显示方法（111）晶面）晶面 （110）晶面）晶面 （100）晶面）晶面 v工艺过程：工艺过程：v一、硅单晶一、硅单晶(111)晶面上位错的显示晶面上位错的显示v1、样品切割和研磨：、样品切割和研磨：要求观察面偏离（要求观察面偏离（111）晶面不大于）晶面不大于5。再用金刚砂细磨其表面。再用金刚砂细磨其表面。v2、抛光腐蚀：、抛光腐蚀：去除研磨损伤层去除研磨损伤层。采用。采用HF:HNO3=1:(35)的抛光液，时间在的抛光液，时间在2-4
39、min内内v3、缺陷腐蚀：、缺陷腐蚀：用希尔腐蚀液用希尔腐蚀液,腐蚀时间在腐蚀时间在10-15min。vHF:33%的的CrO3水溶液水溶液=1:1v其电化学反应：其电化学反应：负极：负极：正极：正极：4、在光学显微镜下观测硅晶体的腐蚀坑。、在光学显微镜下观测硅晶体的腐蚀坑。5、根据显示的腐蚀坑数目来计算缺陷密度。、根据显示的腐蚀坑数目来计算缺陷密度。v二、硅单晶二、硅单晶(100)和（和（110）晶面上位错的显示）晶面上位错的显示v1、（、（110）晶面上位错的显示工艺跟（）晶面上位错的显示工艺跟（111）相同。显示）相同。显示的位错坑呈菱形。的位错坑呈菱形。v2、（、（100）晶面腐蚀液的
40、配比为）晶面腐蚀液的配比为HF:33%的的CrO3水溶液水溶液=1:2（慢速腐蚀液慢速腐蚀液）v3、（、（100）晶面腐蚀时间比较长。缺陷显示的时间长短）晶面腐蚀时间比较长。缺陷显示的时间长短主要取决于位错纵向腐蚀速度与表面剥蚀速度的差。主要取决于位错纵向腐蚀速度与表面剥蚀速度的差。v4、（、（100）面抛光和腐蚀时容易被氧化，不好观察并出）面抛光和腐蚀时容易被氧化，不好观察并出现腐蚀坑假象，抛光和腐蚀时注意不要暴露在空气中。现腐蚀坑假象，抛光和腐蚀时注意不要暴露在空气中。)100()111()100()111(VVVVVV位错位错v一、硅单晶（一、硅单晶（111）面位错坑的形态）面位错坑的形
41、态v1、硅单晶非择优腐蚀情况下（、硅单晶非择优腐蚀情况下（111）晶面位错腐蚀坑为圆）晶面位错腐蚀坑为圆形的凹坑。如图所示形的凹坑。如图所示2.3.2 关于位错坑形态的分析关于位错坑形态的分析VV111面构成正四面体面构成正四面体2、硅单晶在择优腐蚀中（硅单晶在择优腐蚀中（111）晶面位错腐蚀坑呈三角锥体，）晶面位错腐蚀坑呈三角锥体，由硅单晶的各向异性引起的由硅单晶的各向异性引起的。分析：分析：从硅单晶中取一个正四面体，每个面都为从硅单晶中取一个正四面体，每个面都为111晶面，晶面，如图所示。如图所示。对于切割的（对于切割的（111）面上的位错，由于使用了择优性的腐蚀）面上的位错，由于使用了择
42、优性的腐蚀液，液，111的键密度最小的键密度最小，因此在因此在111晶面族上腐蚀速度很晶面族上腐蚀速度很慢，而在其他晶面上的腐蚀速度很快，位错坑的坑壁都是慢，而在其他晶面上的腐蚀速度很快，位错坑的坑壁都是111晶面，所以腐蚀坑都是三角锥体。如图所示：晶面，所以腐蚀坑都是三角锥体。如图所示：111面腐蚀位错腐蚀坑的形成面腐蚀位错腐蚀坑的形成oEFVEoFV（111）晶面腐蚀坑）晶面腐蚀坑v但但实际的位错坑不是正三角形实际的位错坑不是正三角形。主要有两个原因：。主要有两个原因：v（1）位错线与（）位错线与（111）面不垂直。如图所示：）面不垂直。如图所示：方向的螺型位错线方向的螺型位错线v（2）观
43、察面与（）观察面与（111）晶面有一定的偏离度。）晶面有一定的偏离度。切割面与（切割面与（111）面成三种角度情况下位错腐蚀坑的形态）面成三种角度情况下位错腐蚀坑的形态v二、硅单晶（二、硅单晶（100）面位错坑的形态）面位错坑的形态v（100）面上的腐蚀，采用非择优性腐蚀液，腐蚀坑位圆形）面上的腐蚀，采用非择优性腐蚀液，腐蚀坑位圆形的凹坑。的凹坑。v但采用择优腐蚀时，呈四方形的腐蚀坑，且坑壁都是但采用择优腐蚀时，呈四方形的腐蚀坑，且坑壁都是111晶面。晶面。v分析：在硅单晶的分析：在硅单晶的4个晶胞中取一个八面体，每个面都是个晶胞中取一个八面体，每个面都是111晶面，如图所示。晶面，如图所示。
44、CABDE（100）晶面位错坑）晶面位错坑VxCABDECABDO(E)V)111()111()111()111(（100）晶面腐蚀坑）晶面腐蚀坑 （100）面呈小丘）面呈小丘v而实际（而实际（100）面得到的腐蚀坑有各种形态，影响因素复杂，）面得到的腐蚀坑有各种形态，影响因素复杂，主要取决于主要取决于腐蚀的择优性和氧化剂浓度的高低腐蚀的择优性和氧化剂浓度的高低。因此会出现。因此会出现腐蚀小丘。如图所示。腐蚀小丘。如图所示。v采用稀铬酸腐蚀：采用稀铬酸腐蚀：33%CrO3:HF=1:1时，可以得到条时，可以得到条状、树叶状、蝌蚪状等各种形状的位错坑，对晶向没状、树叶状、蝌蚪状等各种形状的位错坑
45、，对晶向没有择优腐蚀性。有择优腐蚀性。v三、硅单晶（三、硅单晶（110）面位错坑的形态）面位错坑的形态v采用择优腐蚀时，呈菱形的腐蚀坑，且坑壁都是采用择优腐蚀时，呈菱形的腐蚀坑，且坑壁都是111晶面。晶面。v分析：在硅单晶的分析：在硅单晶的4个晶胞中取一个八面体个晶胞中取一个八面体，每个面都是，每个面都是111晶面，并沿晶面，并沿ABCD面截取多面体，如图所示。以面截取多面体，如图所示。以 面为截面，将八面体分成两部分面为截面，将八面体分成两部分.)011(CABDBD（1 0）晶面构成的位错晶面构成的位错CABDAB(B/)D(D/)1CD/B/（110）晶面腐蚀坑）晶面腐蚀坑2.3.3 位
46、错密度的测定位错密度的测定v1、位错的体密度：单位体积中位错线的长度，用、位错的体密度：单位体积中位错线的长度，用Nv表示：表示：v2、位错的面密度：穿过单位截面积的位错线数，用、位错的面密度：穿过单位截面积的位错线数，用ND表示：表示：VLNVSNNDv实际应用中普遍采用实际应用中普遍采用面密度面密度来表示，通过在金相显微镜中来表示，通过在金相显微镜中测量，其视场面积用测量，其视场面积用物镜测微计物镜测微计或刻度均匀的光栅显微镜或刻度均匀的光栅显微镜来测量。来测量。v测量时，一般位错密度大时，放大倍数也应大些，视场的测量时，一般位错密度大时，放大倍数也应大些，视场的面积小些，相反，位错密度小
47、时，放大倍数也应小。在生面积小些，相反，位错密度小时，放大倍数也应小。在生产中的统一规定产中的统一规定:v位错密度在位错密度在104/mm2以下时，视场面积为以下时，视场面积为1mm2；v位错密度在位错密度在104/mm2以上时，视场面积为以上时，视场面积为0.2mm2。v 位错的其他测试方法：位错的其他测试方法：v1、逐层腐蚀对应法。、逐层腐蚀对应法。v2、解理面对应方法。、解理面对应方法。v3、酸、酸-碱碱-酸对应方法。酸对应方法。v4、铜沉淀技术：使铜淀积在位错管道中，用红外、铜沉淀技术：使铜淀积在位错管道中，用红外显微镜进行观察铜缀饰的位错线，如图所示：显微镜进行观察铜缀饰的位错线，如
48、图所示：铜缀饰位错的红外显微像铜缀饰位错的红外显微像2.4 硅单晶漩涡缺陷的检测硅单晶漩涡缺陷的检测v一、微缺陷与漩涡缺陷的概念一、微缺陷与漩涡缺陷的概念 1、微缺陷：、微缺陷：热缺陷中的空位和填隙原子，以及化学杂质原热缺陷中的空位和填隙原子，以及化学杂质原子在一定的条件下都会出现饱和情况，因此会出现凝聚成点子在一定的条件下都会出现饱和情况，因此会出现凝聚成点缺陷团，称之为微缺陷。缺陷团，称之为微缺陷。2、漩涡缺陷：、漩涡缺陷：微缺陷在宏观上呈漩涡状分布。微缺陷在宏观上呈漩涡状分布。二、涡旋缺陷的形态二、涡旋缺陷的形态v1、涡旋缺陷可以通过择优腐蚀显示，、涡旋缺陷可以通过择优腐蚀显示，(111
49、)晶面呈旋涡状的晶面呈旋涡状的三角形浅底腐蚀坑，并靠近生长条纹。宏观上呈现涡旋花纹三角形浅底腐蚀坑，并靠近生长条纹。宏观上呈现涡旋花纹（不连续的同心圆或非同心圆的条纹），如图所示。（不连续的同心圆或非同心圆的条纹），如图所示。图图2-4-1（a)直拉单晶硅直拉单晶硅 （b）区熔单晶硅）区熔单晶硅v2、漩涡缺陷形态与其他缺陷的区别、漩涡缺陷形态与其他缺陷的区别v（1）微观上与位错同样形成三角形腐蚀坑。区别在微缺陷）微观上与位错同样形成三角形腐蚀坑。区别在微缺陷为三角形的浅平底腐蚀坑，显微镜下呈白色芯，尺寸较小；为三角形的浅平底腐蚀坑，显微镜下呈白色芯，尺寸较小；而位错为较深的尖底腐蚀坑，显微镜下
50、显示黑色三角形。如而位错为较深的尖底腐蚀坑，显微镜下显示黑色三角形。如图所示：图所示：图图2-4-2 微缺陷的浅腐蚀坑与位错的深腐蚀坑微缺陷的浅腐蚀坑与位错的深腐蚀坑a)位错位错 b)微缺陷微缺陷v（2）微缺陷宏观上呈涡旋条纹（）微缺陷宏观上呈涡旋条纹（常被碳、重金属杂质所缀常被碳、重金属杂质所缀饰饰），与电阻率条纹相似，但两者产生机理和微观形态不同。），与电阻率条纹相似，但两者产生机理和微观形态不同。v其区别：其区别：va、本质和形成机理不同，涡旋缺陷由热点缺陷的聚集而成，、本质和形成机理不同，涡旋缺陷由热点缺陷的聚集而成，电阻率条纹是由于杂质的电阻率条纹是由于杂质的分凝系数起伏变化分凝系数
