實驗1　半導體的晶面光學定向

一、實驗目的

1.學會使用激光測定硅單晶的＜111＞、＜110＞、＜100＞晶軸，并標定觀察到的反射光斑所對應的晶面。

2.掌握X射線法測定硅單晶取向的原理和方法。

二、實驗原理

硅單晶中原子按金剛石結構排列。在不同方向上，原子的排列和原子間距不同，原子間鍵合情況也不一樣，因此，其物理化學性質也各不相同。例如：晶面的法向生長速度、腐蝕速度、氧化速度、雜質擴散速度以及晶面的解理特性等都和晶體取向有關。在科研和生產中測定半導體單晶晶軸方向常常是必不可少的。通常可以用晶體外形、X射線衍射法或光學方法測定硅單晶軸，激光測定硅單晶晶面方向。

1.從晶體外形確定晶向

由于硅、鍺的金剛石結構以及GaAs的閃鋅礦結構的特點，晶體在沿某一晶向生長時，單晶的外表將規律地分布著生長棱線。沿（111）方向生長的硅單晶錠有六個或三個對稱分布的棱線。沿（010）方向生長的硅單晶錠有四個對稱分布的棱線。（110）方向生長的硅單晶錠則有四個不對稱分布的棱線。晶體表面的這些棱線都是由晶體生長過程中生長最慢的{111}晶面族中各晶面在交界處形成的。這是由于{111}晶面是金剛石晶體的密排面，晶體表面有取原子密排面的趨勢。也就是說，在晶體生長過程中不同晶面的生長速率不同。即原子沿晶面橫向生長速率快，垂直生長速率慢。

原子密度比較大的晶面，面上的原子間距較小，在面橫切方向上，原子間相互聯合的鍵能較強，容易拉取介質中的原子沿橫向生長。而晶面與晶面之間的距離較大，相互吸引較弱，因此介質中的原子在這樣的面上生長新的晶面相對要困難。

所以{111}晶面是生長速率最慢的原子密排面，晶體的棱邊就是這些{111}晶面的交線。綜上所述，我們很容易由晶體的外形判定它們的晶向，如沿（111）晶向直拉生長的硅單晶體有三條對稱分布的棱。單晶的生長方向為：若將籽晶對著自己，眼睛看過去的方向為（111）；反之為（111）晶向。在＜111＞硅單晶橫截面上任意連接兩棱，將連線向另一棱線方向偏54°44'垂直切下，為{100}。而若向另一棱線相反的方向偏36°16'垂直切下，切面為{110}，如圖1-1（a）、圖1-1（b）所示。

2.光學反射圖像法定向

單晶表面經適當的預處理工藝，在金相顯微鏡下會觀察到許多腐蝕坑，即所謂晶相腐蝕坑（或稱晶相的光像小坑）。這些腐蝕坑是由與晶格主要平面平行的小平面組成的。它們是一些有特定晶向的晶面族，構成各具特殊對稱性的腐蝕坑，這是晶體各向異性的結果。鍺、硅單晶的{111}晶面是原子密排面，也是解理面（或稱劈裂面）。當用金剛砂研磨晶體時，其研磨表面將被破壞，出現許多由低指數晶面圍成的小坑。這些小坑對于不同晶面具有不同的形狀，可以利用這些小坑進行光學定向。但由于光的散射和吸收較嚴重，使得反射光像較弱，圖像不清晰，分辨率低。為獲得滿意的效果，可在晶體研磨后進行適當腐蝕，使小坑加大。在進行腐蝕之前，應先將晶體端面用80^#金剛砂在平板玻璃上濕磨，使端面均勻打毛，洗凈后，按指定的腐蝕工藝條件（表1-1）進行腐蝕。

經過腐蝕的硅單晶的{111}或{100}、{110}截面上會出現許多腐蝕坑，腐蝕坑底的平面平行于上述截面，而其邊緣上的幾個側面是另一些具有特定的結晶學指數的晶面族，這些側面按軸對稱的規律圍繞著腐蝕坑的底面，就構成各種具有特殊對稱性的腐蝕坑構造。

經過腐蝕處理的晶面，不但形狀完整，而且具有光澤。當一束細而強的平行光垂直入射到具有這種小坑的表面時，在光屏上就能得到相應的反射光像。因為激光束的直徑約1mm，而小坑的大小一般為微米量級，因而激光束可投射到眾多小坑上。這個光像就是由眾多小坑上相同取向的晶面反射的光線朝相同的方向匯聚在光屏上而成的光瓣。

例如，測定沿＜111＞軸方向生長的直拉硅單晶時，我們知道還有三個{111}面，它們與生長面的夾角均為70°22'，組成一個正四面體。又因為{111}的特點，這三個斜{111}面在交會處產生三個間隔120°的生長棱線。垂直晶軸切片，經研磨和腐蝕處理后，在金相顯微鏡下會看到許多如圖1-2（a）上所示的三角坑，它實際上是由三個{111}晶面作為側面的三角截頂錐形坑，其截頂面也是{111}面。當一束平行光束垂直入射至被測的{111}晶面上時，這三個側面和截項面將反射成如圖1-2（a）下所示的光像；這三條主反射線外，有時也可以看到另外三條次要的反射線，它們與主反射線的圖像在光屏上呈60°相位差。

對于{100}晶面，其腐蝕坑形狀如圖1-2（b）所示。它由四個{111}晶面所圍成。四角截頂錐形坑，其截頂面是{100}晶面。其反射光圖為對稱的四葉光瓣。

對于{110}晶面，其腐蝕坑形狀如圖1-2（c）所示。它有兩個{111}晶面與（110）方向的夾角為5°44'，它們是光像的主要反射面；另有兩個{111}晶面族與（110）方向平行或與（110）面垂直。當一束平行光束垂直入射到被測的{110}晶面上時，一般情況形成由主反射面反射的光像，近似為一直線。如果樣品做得好，入射光又足夠強，則可能得到如圖1-2（c）下所示的光像。

實際上，光像圖的對稱性反映了晶體的對稱性。光像圖的中心光斑是由特征蝕坑的底面反射光束形成的，這底面又與相應的低指數晶面一致。因而使光束與相應的低指數晶面垂直，那么樣品晶軸與入射光平行。我們立即可以用光像圖中的對稱性直觀地識別出晶向。

在定向操作中，光像圖對稱性的判別可以在光屏上同時使用同心圓和極坐標來衡量，如圖1-3（a）、（b）所示。

當將光像圖調整到光瓣高度對稱，也就是每一個光瓣都落在極坐標刻度線上，而且處于同心圓上時，這時光軸就給出相應的晶向。如果反射光圖中幾個光瓣不對稱（光瓣大小不同，光瓣之間的夾角偏離理論值），說明被測晶面與基準晶面（或晶軸）有偏離。適當調整定向儀夾具各個方位的調整機構（如俯仰角、水平角等），直至獲得對稱分布的反射光圖，使得基準晶面垂直于入射光軸，由此可以測出晶面與基準面的偏離。

定向夾具有六個可調方位，它們分為兩類：一類是改變激光在晶體端面投射部位的三維可調，它被用來調整被測晶軸與激光光軸之間的偏離角度；另一類是沿X導向、Y導向和Z導向的平移，用來調整光屏與晶體端面的相對距離。

上面介紹的定向方法稱為直接定向法，它有一定的局限性。對于偏離度大于9°的待測表面和一些指數較高的晶面，如{331}等晶面難以直接定向。

間接定向是在直接定向的基礎上運用晶帶理論來實現的。

在晶體中，如果若干個晶面族同時平行于某一根晶軸時，則前者總稱為一個晶帶，后者稱為一個晶帶軸。例如圖1-4中的（001）、（113）、（112）、（111）、（221）、（331）、（110）等晶面都和［10］晶軸平行。因此上述晶面構成一個以［10］為晶帶軸的晶帶，它們相互存在簡單的幾何關系。如果將一個晶面繞晶帶軸轉動某一角度，就可以將一個已直接定好方向的低指數晶面的空間位置由同一晶帶的另一個晶面所取代。確定后一個晶面的方法就是用間接定向法。

所以可以先用直接定向法使（111）晶面垂直于入射光軸，在光屏上得到三葉光圖（見圖1-5）。然后使晶體繞光軸旋轉，使三葉光圖中的一個光瓣與極坐標的0°度線重合，此時［10］晶帶軸處于水平位置，即與晶體夾具上的俯仰軸相平行。轉動俯仰軸，前傾35.26°，使（110）晶面垂直于光軸；若使晶體后仰54.74°，即使（001）晶面垂直于光軸。這時垂直于光軸分別切割出的晶面即為（110）晶面或（001）晶面。

3.X射線衍射法定向

當用一固定波長的X射線（或稱單色X射線）入射到一塊晶體上時，晶體中某一定晶面便會對射線發生衍射，這時就可以通過測定衍射線的方位來確定晶體的取向。因為X射線被晶體衍射時，入射線、衍射線和衍射面的法線之間必須遵守布拉格定律，另外不同結構的晶體和不同晶面的衍射線所出現的方位不同，所以定向時必須事先知道晶體的某些重要晶面的布拉格角，以便確定衍射線的方位。

當波長為λ的單色X射線照射晶體時，入射線與晶體中某一晶面之間的掠射角為θ，在符合布拉格定律時

　?。?-1）

便在與入射線之間角度為2θ的位置上出現衍射線。

用X射線定向儀測定晶體取向時，一般使用銅靶陽極，經過薄鎳片濾光可以得到單色X射線Κ_α，其波長λ=0.1542nm。立方晶系的面間距d與點陣常數α有如下關系

　?。?-2）

其中h、k、l為晶面的晶面指數。將上式代入式（1-1）中便可以得到布拉格角θ

　?。?-3）

上式適用于n=1的一級衍射的情況。硅晶體屬于金剛石型結構，是立方晶系，點陣常數a=0.543073nm。對于（111）晶面和（220）晶面來說，由式（1-3）可以算出用銅靶K_α輻射衍射時的布拉格角分別為14°14'和23°40'。用完全類似的方法可以計算出鍺、硅、砷化鎵晶體的幾個常用晶面對銅靶K_α輻射衍射的布拉格角，如表1-2所示。

通常，單晶的橫截面或單晶切割片表面與其一低指數結晶平面如（100）或者（111）會有幾度的偏離，用結晶平面與機械加工平面的最大角度偏差加以體現，并可以通過測量兩個相互垂直的偏差分量而獲得。

三、實驗設備與材料

1.JCD-Ⅲ型激光晶軸定向儀

如圖1-6所示，JCD-Ⅲ型激光晶軸定向儀上有6個方位調整機構，可以分為兩類：一類是只做平移，即x軸導軌，z軸垂直升降立柱以及y軸導軌。前二者設計在夾具上，用于改變激光投射在晶體端面上的部位，后者設計在光源底座下面，用以改變晶體端面至光屏的相對距離，可調節光圖的大小。第二類是用以調整被測晶軸的方位角度，即俯仰角度、水平角度和軸向角度，前二者可使被測晶軸與激光光軸同軸，并垂直對準光屏平面，以獲得嚴格對稱的光圖；調整后者，可使光圖繞激光光軸轉動，以與極坐標刻度線重合。由于光屏本身設計成可以轉動，因此，在“直接定向”時可以轉動光屏，使刻線去重合光圖。但在“間接定向”時必須將光屏的極坐標線置于零位，并調節軸向角度調節機構，使晶帶軸與水平軸平行，轉動水平角即能間接定出其他的晶軸方向。

2.MiniFlex 600臺式X射線衍射儀

圖1-7為MiniFlex 600臺式X射線衍射儀，該設備技術特點有：①功率600W，強度大大提高（上一代產品MiniFlexⅡ最大功率450W）。②測角儀精度高、放置樣品方便。③測角儀配程序式可變狹縫，改善低角度P/B，提高高角度強度。④安全設計，放置樣品時自動關閉X射線。

四、實驗內容與步驟

1.光學反射圖像法定向

（1）接上220V、50Hz的交流電源，開啟激光管，調整光屏，使激光束對準光屏上的透光孔射出。

（2）硅單晶＜111＞晶向的確定。

①將端面用80^#金剛砂在平板玻璃上濕磨，用清水沖洗。

②先將5%NaOH水溶液煮沸，將待檢晶體浸入，勿使被檢端面貼到燒杯底部，讓腐蝕液不斷腐蝕端面，并使產生的氣泡能迅速逸出。在沸騰的溶液中腐蝕7min（在通風櫥中進行）后取出，用清水沖洗、烘干。在金相顯微鏡下觀察腐蝕坑的形貌。

③按直接定向方式，將預處理過的晶錠置于定向儀上。在晶體夾具端面貼一畫有“+”標記的紙卡，使“+”中心對準激光光點。調節晶體夾具底座的軸向水平移動旋鈕，使晶體夾具朝向激光光軸來回移動，并使激光照射在沒有樣品和蠟的載玻片表面部分。如果晶體夾具底座導軌與光軸平行，則光點位置始終不變；如果不平行，則光偏離“+”中心，這時可調節夾具的角度（水平角、仰俯角）或垂直升降，使光點移至“+”中心點，使在光屏上獲得嚴格對稱的三葉形光圈。記下俯仰角度及水平角度的刻度α₁、β₁。

（3）晶錠端面晶向偏離度的測定。在晶錠端面上緊貼一小塊平面鏡，調整俯仰角，使光束在小鏡表面的反光點與出射光重合。記下刻度α₂、β₂，這時可得晶向的垂直偏離度α₁-α₂和水平偏離度β₁-β₂。然后按照式（1-4）計算被測晶面與主晶面的偏離角。

　　（1-4）

其中，α=α₁-α₂；β=β₁-β₂。

（4）按間接定向的方法觀察（111）、（110）、（100）的相互方位與特征光圖的關系。

（5）判別在特征光圖中所有顯示出來的斑點所對應的晶面。

2.X射線衍射法定向

（1）根據需定向晶體的晶體結構和所需定向晶面的晶面指數，利用式（1-2）和式（1-3）分別算出該晶面的面間距和布拉格衍射角θ，或從有關資料查出。

（2）按照定向儀使用要求校準θ角。

（3）在定向儀的2θ位置處放置計數管。

（4）將待測晶片吸附在樣品臺上，樣品上可用十字線標記四個方位。

（5）轉動定向儀的主軸即θ角，使計數管的衍射強度指示達到極大值，此時記錄轉角δ₁，求得水平偏離角α₁=δ₁-θ。將樣品方位轉動180°后，按照相同的方法求得水平偏離角α₂=δ₂-θ。由兩次測量結果，求得水平偏離角平均值

　　（1-5）

（6）將樣品方位轉動90°，按照和第（5）步相同的方法，即轉動定向儀的θ角，使計數管的衍射強度指示達到極大值，此時記錄轉角δ₁，求得垂直偏離角β₁=δ₁-θ。將樣品方位轉動180°后，按照相同的方法求得垂直偏離角β₂=δ₂-θ。由兩次測量結果，求得垂直偏離角平均值

　　（1-6）

（7）按照式（1-4）計算晶向偏離角。

五、注意事項

1.激光管的正、負極不能接反，激光管電流應在規定的電流下工作（一般小于5mA），否則容易損壞激光管或縮短其使用壽命。

2.腐蝕好的樣品應具有許多光潔明亮的小坑。如果表面發暗，小坑不明顯，可能被氧化了，須重新處理。

3.實驗樣品輕拿輕放，嚴防損壞。

4.仔細閱讀儀器說明書，嚴格按照使用說明操作，確保人身和設備安全。

六、數據記錄及處理

1.采用光學反射圖像定向法測定硅單晶端面的晶向偏離度，記下（111）、（110）、（100）三晶面特征光圈方位的相互關系，標出所有光斑對應的反射晶面的面指數。

2.采用X射線衍射定向法測定硅晶片的晶向偏離度。

七、思考題

1.腐蝕時間過長或腐蝕時間反射光圈會出現什么情況？

2.解理法得到的特征光圖中反射光斑對應什么晶面？（111）、（110）、（100）晶面的三個特征光圖之間的相互方位如何？