第二章(之二)--晶体缺陷检测.ppt

1、第二章晶体取向和晶体缺陷检测。晶体缺陷检测(1)晶体缺陷检测的重要性(2)晶体缺陷的类型、点缺陷空位、填隙杂质原子(主)线缺陷、位错(主)面缺陷、堆垛层错、孪晶界、晶界和其它半导体加工中的体缺陷、空穴、夹杂物和其它次级缺陷，(1)点缺陷、晶格中点。单晶硅的中点缺陷包括：有意掺杂电活性杂质(如磷、硼)以控制电导率和导电类型，气体生长产生的氧、碳和硼杂质，化学试剂、应时玻璃成为硅中的自填隙原子，以及诱发位错和堆垛层错等缺陷，这些缺陷影响晶体的整体完整性、载流子浓度和少数载流子寿命，容易导致器件泄漏。重金属杂质(铁、铜、镍、金、铝、钴等)。)来自硅晶片生长、加工(不锈钢)、清洗和金属电极制造过程，这

2、些过程影响载流子浓度和少数载流子寿命，导致器件失效。线缺陷位错是半导体中最重要的缺陷。位错的根本原因是晶体中存在应力。例如，在晶体制备、后热处理等过程中，由于不均匀的加热或冷却，晶体中的应力会导致位错。此外，杂质原子会导致位错。边缘错位后会发生滑移。边缘位错后的滑移、附加原子或不均匀加热、一系列位错、透射电子显微镜照片、(3)平面缺陷、a .堆垛层错：由位错相关原子组成的冗余原子平面。堆垛层错发生在螺旋位错之后，在外延生长层中通常观察到堆垛层错。通常，外延层中的堆垛层错密度小于102/cm2。孪晶：两种不同方向晶体从同一界面生长。晶界：当它们结合时产生取向差异很大的晶体块，硅圆柱晶锭的晶界，孪

3、晶，(3)晶体缺陷的检测方法1。检测点缺陷测量电性能测定有意掺杂的原子浓度如电阻率测量、霍尔效应测量、少数载流子寿命测试对应于N型或P型掺杂浓度金属杂质分析二次离子质谱金属杂质分析原子吸收光谱金属杂质分析红外光谱吸收法碳和氧杂质红外光谱：测量碳、氧和氮的杂质含量，使用模拟人生进行器件故障分析、 杂质碳(替代物)的最强红外吸收峰波长为336016.4米，杂质氧(间隙)的红外吸收峰波长为9.1米，碳的吸收最强，吸收次强，2、位错和堆垛层错的检测腐蚀金相显微镜观察(简单常用的方法)x光衍射法(精密方法)电子显微镜，(1)检测的基本原理在合适的腐蚀剂中， 晶体表面位错附近区域的腐蚀速率高于其他区域，腐

4、蚀一定时间后会形成凹坑，称为腐蚀坑。 位错和堆垛可以利用这种特征2.1腐蚀金相观察方法进行，因为位错是一种线状缺陷，晶格畸变沿着一条线延伸，贯穿整个晶体，终止于表面或形成一个闭合的环，所以表面上的交点是一个小点。硅晶片表面上的(100)位错，(111)硅晶片表面上的(111)位错，(111)平面(100)平面(110)蚀刻坑是倒四棱锥，从表面看是实心正方形。蚀刻坑是两个相对的三角形金字塔。(2)从位错蚀坑和堆垛层错的观察，位错密度是垂直于位错线穿过单位截面面积的位错线的数量。多点平均法。图2.21五点平均图2.22分区标绘法(3)堆垛层错和位错密度的测量，2.2 X光衍射法(XRD)，在几乎完

5、整的晶体中，缺陷和畸变仅在几十弧秒内反映在x光光谱中，而半导体材料的外延生长需要10-4或更小的晶格失配。有了这样精细的要求，双晶X射线衍射技术已经成为测量仪器发展的必要手段纯谱线的形状和宽度由样品的平均晶粒尺寸和尺寸分布以及晶格中的主要缺陷决定。因此，通过适当地分析线条形状，原则上可以获得关于上述影响因素的性质和规模的信息。检测的基本原理当电子束照射在晶体上时，它不仅会产生透射光束(零级衍射)，还会产生各级衍射光束。经物镜会聚后，在后焦平面上形成电子衍射光谱图像。电子衍射的原理与x光衍射相同，遵循布拉格衍射定律，但电子能量高，波长很短(电子能量越大，电子波长越短)。当加速电压为100千伏时，

6、电子的波长只有0.0037纳米；当E=30KeV，0.007nm)时，衍射角很小，因此电子衍射是晶体的二维倒易晶格结构的放大显示，并且根据显示图案可以识别观察到的晶体的类型、结构和晶格常数。2.3电子显微镜，1937年诺贝尔物理学奖：电子衍射，戴维森，唐木孙，背景：20世纪20年代中期物理学发展的关键时期。波动力学是薛定谔在德布罗意物质波假设的基础上建立起来的，它与海森堡从不同角度创立的矩阵力学一起构成了微观系统的基本理论。这一巨大变化的实验基础自然成为人们关心的话题，这激发了许多物理学家致力于验证粒子的易变性。直到1927年，美国的戴维森和英国的唐木孙才分别进行了电子衍射实验。虽然此时量子力

7、学已经得到了广泛的应用，但是电子衍射实验的成功已经引起了全世界的关注。英国伦敦大学贝尔电话实验室，最简单的电子衍射设备。从阴极k发射的电子被加速，然后通过阳极a的孔和透镜l到达样品s，并被样品衍射，在荧光屏或照相平板p上形成电子衍射图案.因为物质(包括空气)强烈吸收电子，所以上述所有部分都放在真空中。电子的加速电压一般在几万伏到几十万伏之间，这叫做高能电子的衍射传输。为了研究表面结构，电子加速电压可以低至几千伏甚至几十伏。这种装置称为低能电子衍射装置，称为反射电子衍射(RHEED)。自20世纪60年代以来，所有商用透射电子显微镜都具有电子衍射功能(见电子显微镜)，样品后面的透镜可以用来选择小到

8、1微米的区域进行衍射观察，这就是所谓的选区电子衍射。(a)非晶(b)单晶(c)多晶(d)会聚束硅单晶图6.16典型的电子衍射图，在位错存在的区域附近，晶格畸变，所以衍射强度也会改变，所以位错附近区域形成的图像将与周围区域形成对比，这是用透射电镜观察位错的基本原理。由上述原因引起的对比度差异称为衍射对比度。电子衍射比x光和物质之间的相互作用强得多，因此它特别适用于含有少量原子的样品的结构分析，如薄膜、颗粒、表面等。半导体异质结构中的位错透射电子显微镜照片中稍亮区域(晶粒)的黑线是观察到的位错图像。光学显微镜(教学辅助内容)，光学显微镜的结构和原理性能参数，1。显微镜结构、光学系统：物镜、目镜、反

9、射镜、聚光器、可变光阑、机械系统：透镜架、柱、壁、镜筒、物镜转换器、载物台、聚焦螺钉、聚光器调节螺钉、2。显微镜的性能参数放大几何光学缺陷显微镜分辨率显微镜景深物镜和目镜测微计金相显微镜是一种专门用来观察金属和矿物等不透明物体的金相结构的显微镜，即反射式显微镜。i3、金相显微镜、电子显微镜(自学)、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、原力电子显微镜、真空系统、光学显微镜、透射电子显微镜、电泳系统、分辨率、放大倍数、0.10.2纳米、106个数量级以上。透射电子显微镜照片、扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜和电子显微镜性能比较、显微镜分辨率：d 0.61/(nsin)、扫描隧道电子显微镜(STM)

10、、扫描隧道电子显微镜(STM)是一种利用量子理论中的隧道效应来探测物质表面结构的仪器。扫描隧道显微镜(STM)可以定位单个原子，这使得人类首次能够实时观察单个原子在材料表面的排列状态以及与表面电子行为相关的物理化学性质。它在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中具有重大意义和广阔的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成果之一。它是由两名研究人员于1981年在IBM苏黎世实验室发明的，两位发明者于1986年获得了诺贝尔物理学奖。此外，在低温(4K)下，探针尖端可用于精确操纵原子，直接写入、光刻、诱导沉积和蚀刻可在各种样品表面进行，因此它是纳米技术的重要测量工具和加工工具。

11、用扫描隧道显微镜拍摄了氙原子在扫描隧道显微镜下运动放电的“IBM”图形的电子图像，扫描隧道显微镜主体的主要部分是极薄的探针针尖。工作时，探针尖端和样品表面是两个电极，因此样品表面非常靠近探针尖端。当给两个电极施加一定的电压时，将形成隧道电流。两个电极之间的距离不同，隧道电流的大小也不同。隧道电流由电子反馈电路控制，探头在计算机控制下扫描样品表面，同时记录扫描样品表面的原子排列图像。4。原子力显微镜最初来自原子力显微镜，由国际商用机器公司的宾尼格和斯坦福大学的夸特于1985年发明。其目的是使非导体也能被SPM观察到。原子力显微镜是一种新的实验技术，它利用原子和分子之间的相互作用力来观察物体表面的

12、微观形态。这是一个表面轮廓机，可以扫描表面的三维图像。显微镜有一个纳米大小的探针，它被固定在一个微米大小的弹性悬臂上，可以被灵敏地操纵。当探针非常靠近样品时，探针顶部的原子和样品表面的原子之间的作用力会使悬臂弯曲并偏离其原始位置。根据探针扫描样品时的偏差或振动频率，可以间接获得样品表面的形貌或原子组成。用激光检测探针悬臂弯曲量的方法如图所示。激光器发出的激光束通过光学系统聚焦在微悬臂梁的背面，并从微悬臂梁的背面反射到光斑位置检测器。微悬臂梁将随着样品的表面形貌而弯曲和波动，反射光束也将移动。因此，通过检测光斑位置的变化，可以获得被测样品的表面形貌信息。原子力显微镜、探针、原子力显微镜的工作原理，复习本章中的问题(请做序号4、5、6、7、10、11、13)，1。有什么方法可以测量晶体取向？有什么方法可以测量晶体取向的偏离程度？2.画出图片来解释光斑定位检测方法的原理。3.用什么原理通过x光衍射来检测晶体取向？绘图说明。4.什么是点缺陷？原因是什么？5.什么是错位？原因是什么？6.什么是位错密度？如何计算硅片上的位错密度？7.腐蚀金相法检测位错的原理。8.绘制并理解(100)、(110)和(111)晶面对应的位