激光晶轴定向仪及其应用

1、激光晶轴定向仪及其应用温明生 陈宪在集成电路的生产中，往往出现隐埋图形畸变的问题。据认为，这是山于硅片的切 割方向不当引起的。为了解决这个问题，在切片怆先定出硅单晶的方向，使之能按般佳 的方向切片，是十分必要的。激光晶轴定向仪是一种结构閒单、便于操作、精度可靠、 不需暗室的晶轴定向仪器，是一种可直接用于集成电路生产的、应用14趋广泛的仪器。 下面加以介绍。（一）工作原理众所周知，硅.错单晶具有如图（1）所示之金刚石结构，它是由两个面心立方布喇菲原胞相互沿对角线移动v-a4的距离套构而成的复式格子。其 三个晶面的面间距和面密度，根 据图（1所示，计算如下： 面间脱门，0, 0面的间距；a41.0

2、,1 F面的间距：2a41,1,】面的间距：11,1,0的面间距有两种： 曲和?二 面间距为警的124121, 1, 1面之间结合很紧，而面间距离为空的1, 1, 1面之间结合最松，所以可 4以把1, 1, 1看成是双层面，且认为双层面之间的面间距为匕3a。原子而密度计算如下：U, 0, 0而的而密度：原子个数：4x-+l = 2 相应的面积：axa = a2 面密度,召12吉首大学学报（试刊）一九八一年 第一期1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 0而的面密度:原子

3、个数：4X、2X寺+ 2“4Z相应的面积：y2axa = /7a2面密度:1, 1, 1面的面密度：原子个数：3x* + 3x* = 2相应的面积：fxv/2ax|a = vL3_a计算详见图（2）面密度：单层,22462山以上的计算可见：1,1,1面的原子面密度最大，晶面间共价犍的面密度以1, p 1面的相邻双层原子面间为最小，且面间距故大。因此，1, 1, 1晶而的相邻双层 原子面间的原子联结最不牢固，即1, 1, 1而为硅的解理面。1, b 1面是最容易被 腐蚀成琢而暴露于外表的晶面。此外，在硅晶体中，共价键是从正四面体的中心原子出发指向它的四个顶角原子， 共价键之间的夹角为10928这

4、种正四而体，通常称为共价四面体。如图（3）所示。 其中原于间的二条线表示共有一对电子；虚线给出了一个共价四面体。而在图（1）中 画出了由四个正四而体所组成的一个基本单元。图（1）能充分反映出整个硅晶体结构 的特点。整块硅单晶，就是由许多这样的基本单元周期性地重复堆砌而成的。正四面体由四个U, 1, 1面构成，如果正四面体中的一个面表露于硅单晶的外表 面，则其余三个倾斜的1,1,1面就是最容易被腐蚀而去除 的面。所以，经过择优腐蚀剂腐蚀后，就容易形成正三角锥 体状或平底三角锥体状的腐蚀坑舉露于其外表。在集成电路和结型器件的生产中，由于沿（1,1,1）方向 扩散较容易得到平整而均匀的Pn结的结面，

5、故通常硅单 晶的生长基本上是沿（1,1,1方向进行的，而切片基本上是 沿1,1,1面进行的。（除生产MOS器件和MOS电路外。）但是，实践又进一步地证明，如果完全按1,1,1面切 片，即扩散准确地沿（1,1,1）方向进行*却又很容易造成隐埋图形畸变（或称图形偏 移、图样冲溃），以及划道、损伤等缺陷传播的现象，容易产生二次缺陷，造成成品率下 降，这对生产是十分不利的。经过实践的摸索发现：如果備离U,l,“面一定的鲜切 片，则可较好地解决上述问题。人们得出切片的最佳方向是I 1，1，1方向在（1,亍，0） 平面内向1,1, 0方向偏a角度（a-般为35。）。如图（4 ）所示。垂直于“最 佳取向”切

6、片是最有利的。3hina Academic Journal Ek菽光晶 轴定角 仪及 其应用 lts reserved http：/wwfnki.nct一般而言，在材料厂中硅单品的 生长也是沿上述的最佳方向进行的。 但由于各材料厂不一定完全如此，加 上使用的厂家单晶无法用目测来判断 （1,1,1）的具林偏转方向如何。如果 集成电路工厂不在切片前再次定向， 往往造成盲目切片，以致偏离最佳方 向，引起图形畸变等现象发生，使成 品率下降。因比，切片前的定向是十 分必要的。激光晶轴定向的原理如图（5）所 zKoII。册也*站側剧珊由氫一氛激光器发出的红色（波 长为6328A）平行光束经过准直器的 光孔

7、后，成一细小的平行光束基本上 沿（1,1,1）方向投射于硅单晶的端 面，由于端面上有很多三角锥形的腐 蚀坑，所以入射光被许多光亮的腐蚀 坑面定向反射。如果腐蚀得当,各腐蚀 坑的形状基本相似，其取向也是一致的，所以，各个坑上的反射光束的取向也完全一致。如果腐蚀得当，使11这类的反射是主要的，在反射光中占优势，就可在圆惟形光 屏上得到如图（7）所示的明显的特征背反射光图样。如果调节硅单晶锭的方位，使入射光束垂直于坑底的1,1,1面，则反射光的中心C|na Academic Journal Electronic層更竽竽报（试刊）一九八丰第一期这样，可在圆锥形光屏上得到规则形状的特征背反射光图样。图（

8、6）给出了沿（1,1,1） 方向入四面正体在平射底腐蚀坑的光线的反射悄况示意图。00,是垂直入射于坑底的光 线，沿原路反射回来。11代表投射在斜面上而经坑底反射出来的光线。显然，在其他 两个斜面上的这类反射与IV相似，结果可形成三个方向的定向反射光束。22,和33,的反 射情况则比校复杂。此外，还有不规则的腐蚀坑上的反射光就更素乱了。光束是沿入射光路反射回来的，从斜而反射的实际光束上（光是带）之间的夹角互为 120,这时反射光束的中心与准直器上圆锥形光屏的顶端重合，如图（7 b）所示。 可以断定，在这种情况下，激光入射的方向就是单晶的（1,1,1）方向。此即定出了 1， 1,1面和（1,1,1

9、）方向。（二）激光晶轴定向仪激光品轴定向仪简图如图（8）所示。机械装置组成。下面分别加以介绍 C3、C。组成的兀型滤波器滤波，绘后经限流电阻Rs输出加于氮一氛激光管上。在C3和C。上还并联了均压电阻，以防止两个电容的不一致引起单个击穿。限 流电阻还可起到自动降压的作用。激光晶轴定向仪及其应用15 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/Aki.nct该激光ill源的技术指标为：输出电压范围，06KV输出电流范围：010mA连缓工作时间；大于八小时使用时的电源

10、工作条件：，起辉电压：3.5KV4KV匸作电压：1.2KV工作电流：5mAU）氨一须滋光管：激光优采用通常的长约25cm的小型氮一鼠激光管。激光管置于固定支架上的圆环 N中，在圆环上互为120。处装有调节螺丝，用以调节激光管的方位，使激光光束与准 克霍的小孔同轴，II严格与导轨平行。激光管支架配以上盖，以防漏光，便于对反射图 象的观察测量。-（3）准直器：准直器形如图（5）所示。在其轴上钻有Imm直经的小孔，粗的一端有一圆锥形的 凹槽 槽面上刻有互为120的划线。划线可涂以彩色以便观察。如图（7）所示。准査器的作用育二，一是进一步使激光滤成平直的细束投射于单晶端面；二是锥形 槽面作为反射光屏，

11、划线作为反射图样的对准线。准玄器设计得可以绕其轴旋转，以便 干调节得使划线与反射图样的三条线重合。（4）单晶锭支架：单晶锭支架就是切片机上的单晶夹具。单晶可以在夹具上绕垂直轴作水平旋转，也 可以绕水平轴作垂直旋转（俯仰，其转角可由游标刻度盘读出。（5）导轨：导轨的作用是把激光器和单晶夹具联系起来。导轨横断面的形状及大小都与切片机 上凶定夹具的导紈槽相同，导轨与夹具形成滑配合。（三）定向的方法（1）单晶锭端面的虜损和腐蚀：单晶锭肉端血般是没有腐蚀坑的，因此在定向前先用5（110u的金刚砂磨损打毛, 这祚容易腐蚀成坑。然后用浓度为10%左右的氢氧化钠溶液（即10MC去离子水中溶入1呃 址氧化钠），

12、倒入烧杯中在电炉上加热至60*0左右，再把磨损的端面放入，腐蚀510 分钟左右（Wut可观察到小气泡冒出，也可用冒出气泡的 快慢来倍计腐蚀速度是否恰当），取出后可看到端面有密布 闪亮的星点（即腐蚀坑面的反光），一般即可进行下一步工 作。（2）单晶锭的粘结：團;0）山0能钛制飜沿1,1,1方向生长的单晶锭具有三条互为120左右的 生O,如图（10）所示。任意两棱的连线就是图（4）中而与（1,1,0）面的交线。为了实现最佳的切片方Jcmic Journal ELlie P号 首大学学报（试刊）址址卷d卑 jjttp：M|WWcnkinct1994-2013向,根船图（1）所示应按 图（11）所示的

13、两种方位把 硅单晶锭粘结在切片机夹具 的粘结板上。图（11一小 是打算作水平旋转来实现最 佳取向的粘结方位。图（11 一b）是打算作垂垃旋转来 实现最佳取向的粘结方位。（b宜直翩册概战（3 ）定向方法图（“）不同的旋转方法对应的单晶粘结方位把粘结板固结于切片机的单晶夹具上，再把夹具放在定向仪的导轨J首先可把单 晶锭稍作水平旋转和垂直旋转，使光屏槽面上得到完全与划线垂合的反射图样，如图 （7 b）所示,由于激光束与导轨严格平行,所以这时硅单晶的（1,1,1）方向就是导轨 的方向，即为切片机进刀的方向，若这肘拿去切割，则完全是沿1,1,1而切割的。但是，为了按最佳方向切片，必须在如上所述定出1,1

14、,1方向的业础上再按预计偏 转a角度（3。5）,旋转度数可由夹具上的圆盘刻度读出，然后固紧Z,即可送去切片。（4）应该注竄的两个问题 在定向前，必须调节激光管连同冷直器的方位，使之与导轨严格平行。否则，定 出1,1,1方向并不是切片时进刀的方向，在此基础上。再侷转a角度后，切片方向当 然就不是最佳方向了。一般地，一次调“平行”后就固定不动，不需每次定向前都调“平 行” 0 由于腐蚀坑的形状可能是各种各样的复杂图形，所以，不一定每次腐蚀都能得到 图（7）所示的持征背反射图象。如果出现这种情况，就不能急于拿来定向；这时硅单 晶端面必须再行腐恤，直到能明显看出图（7）所示的特征背反射图象后才能进行定向 工作。否则，将造成校大的定向误差。由图（6）所示，希塑大部分腐蚀坑呈浅的平底 三角锥形腐蚀坑方能得到明显的图（7）所示的特征背反射图样。（四）激光晶轴定向仪的使用效果：（1）我们把定向后切下的硅片，用x射线衍射仪检验硅片的取向，证实了切片是 按最佳方向进行的。定向的误差在05以内，符合设计的要求。（2）这几年来用此仪器定向后，在集成电路生产中就不再出现隐埋图形畸变的现 象了，有效地提髙了成品率。（说明：本仪器是1976年5月作者在国营