半導(dǎo)體缺陷測量一、概述在半導(dǎo)體晶體的生長過程和器件的制造過程中，會產(chǎn)生許多晶體缺陷。有些缺陷在適量的程度內(nèi)是有益的。如必要的外來摻雜原子以及均勻而少量的位錯等。然而，人多數(shù)，晶體缺陷是有害的。有些缺陷的存在，直接影響晶體的物理化學(xué)性質(zhì)，從而使半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能和光學(xué)性能發(fā)生顯著的變化，影響器件的可靠性和成品率。因此研究晶體缺陷的產(chǎn)生、分布及數(shù)量，找出其形成、發(fā)展和制備工藝與器件參數(shù)的關(guān)系是極其有用的。所謂晶格缺陷是指在實(shí)際晶體中，由于各種原因，會使晶格的周期發(fā)生錯亂。這些原因包扌舌范性形變引起的晶格變形和滑移、晶體生長時產(chǎn)生的原子排列錯亂以及雜質(zhì)等。這種晶格的不完整性就稱為晶格缺陷。晶格缺陷分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。點(diǎn)缺陷最簡單的點(diǎn)缺陷是空位?？瘴皇蔷Ц顸c(diǎn)陣上的原子失去后留下的，一般稱為肖特基缺陷。另一種點(diǎn)缺陷是間隙原子，它是占據(jù)在晶體空隙處的額外原子。如果一個間隙原子和一個空位同時發(fā)生在臨近的地方，則將這種間隙原子一空位統(tǒng)稱為川倫克爾缺陷?？瘴缓烷g隙原子一般稱為單原子缺陷。單原子缺陷還可以產(chǎn)生更復(fù)雜的復(fù)合缺陷或集合團(tuán)，或形成沉積團(tuán),被稱為為缺陷。線缺陷位錯屬于線缺陷，是半導(dǎo)體中最主要的缺陷。位錯是由于晶體中部分原子滑移生成晶格排列“錯亂”形成的。它于晶體范性形變密切相關(guān)。位錯分為螺位錯、刃位錯以及兩者兼有的混合位錯。位錯的存在，增強(qiáng)對載流子的散射，從而影響載流子遷移率；位錯在禁帶中形成施主、受主能級，起復(fù)合中心作用，而影響載流子的壽命；位錯還可以引起PN結(jié)結(jié)面不整，而影響晶體管擊穿電壓和放大倍數(shù)。面位錯層錯屬于面缺陷，它是由于原子層次排布次序錯誤形成的，也稱為堆垛層錯。就是在正常的層次中缺少一層原子或插入一層原子。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)了解金相顯微鏡構(gòu)造極其操作(2)了解晶體缺陷，及位錯的特點(diǎn)及測量⑶了解顯微鏡放大原理三、實(shí)驗(yàn)儀器大型金相顯微鏡XJG-05四、實(shí)驗(yàn)原理位錯極其檢測（1）位錯的一般特點(diǎn)：位錯是半導(dǎo)體中最主要的缺陷，它屬于線缺陷，一般稱為位錯線。位錯線有一定的長度,它的一端必須終止于晶體的表面或界面上，也可以頭尾自己相接構(gòu)成位錯壞。晶體往往沿某些晶面發(fā)生滑移，通常把這些晶面稱為滑移面。構(gòu)成滑移面的條件是該面上原子的面密度大，面間距大，晶面間原子的相互約束力弱，這些平面也就容易相對滑移。如

金剛石型結(jié)構(gòu)晶體的（111）面，其位錯線一般都躺在（M2）面上?；茣r除了沿某一滑移面外，滑移方向也是一定的?；品较蛞话愣际侨≡泳嚯x最小的晶列方向，因?yàn)槊恳苿右淮伪仨氁苿右粋€院子距離或原子間距的整數(shù)倍。在原子距離小的晶列方向滑移，所需要的能量最小。所以這樣的景彖晶向是最容易滑移的方向。（2） 硅中位錯線的特點(diǎn)及觀察：位錯線一般開II在晶體表面上，在位錯管道附近存在著應(yīng)力場。原子排列受到破壞，內(nèi)能較高，化學(xué)活性較強(qiáng)，往往比其他地方低，較易失去電子而導(dǎo)致優(yōu)先腐蝕，且往往因有活性雜質(zhì)聚集于管道周I制，更加強(qiáng)了位錯區(qū)的優(yōu)先腐蝕。適當(dāng)選擇腐蝕劑就會在晶體表面位錯露頭處顯出化學(xué)腐蝕凹坑。硅（111）面是雙層原子，相鄰雙層的面間距最小，共價鍵面密度最人，腐蝕速度最慢。故在位錯露頭處出現(xiàn)的蝕坑一般以（1口）面系為其側(cè)面，｛111｝面系在硅中組成四面體，所以蝕坑應(yīng)該是正四面體與所觀察的晶面交線的圖形。顯然，（口2）面蝕坑為三角形，（100）面為正方形，（M0）面為菱形。如晶面偏離，則該面與正四面體的交線形狀也會改變，蝕坑形狀發(fā)生偏移。位錯腐坑在腐蝕過程中沿著位錯線長度方向發(fā)展，腐蝕坑始終是尖底形的。顯微鏡明場觀察時，真實(shí)的位錯腐蝕坑是照的，因?yàn)榧獾孜g坑的微細(xì)臺階側(cè)面不能將反射光反射回物鏡中。在高溫下，位錯在滑移中遇到障礙受阻時，后面接連而來的滑移位錯也依次停下來，排成一排，出現(xiàn)位錯排，高密度的位錯排構(gòu)成系屬結(jié)構(gòu)，它沿（110）晶向，大量的系屬結(jié)構(gòu)組成三角形或六角結(jié)構(gòu)。腐蝕液的配制要求蝕坑出現(xiàn)率高、特征性強(qiáng)、再現(xiàn)性好。硅的常用腐蝕液的配方有多重,我們采用的是1961提出的Sirtl腐蝕液，其配方是50克GrO3加100亳升出0組成標(biāo)準(zhǔn)液,使用時再以標(biāo)準(zhǔn)液：HF"：1的比例現(xiàn)配先用。為了控制腐蝕速率，可增減HF量（2:1到1:2之間）基本原理（1）透鏡及其放大原理透鏡分為凸透鏡和凹透鏡，如圖二所示。0點(diǎn)稱透鏡的廣信。凡過光心的光線不改變方向,過光心的任意直線叫透鏡的光軸。過兩個球心又過光心的直線叫主光軸。其他光軸叫副光軸。光軸附近的光線叫近軸光線。__ ■k ▼'?■4W三一' ■A ??>mi~.it、gg. m<rnjir.mm平行主軸的近軸光線經(jīng)過凸透鏡折射，會聚于焦點(diǎn)F處。位于焦點(diǎn)F處的點(diǎn)光源經(jīng)凸透鏡后變成平行光軸的光線。近軸平行光通過凹透鏡折射并不使光線會聚，而成發(fā)散狀。這些發(fā)散光線反方向的延長線交于焦點(diǎn)。若物體AB處于凸透鏡的焦點(diǎn)之外，兩倍焦點(diǎn)以內(nèi)的位置，通過透鏡折射，在兩倍焦距以外,形成一個放大的倒立實(shí)像。如圖三所示。若物體AB在凸透鏡焦點(diǎn)以內(nèi)，則成像的特點(diǎn)如圖四所示。彖AjB]與物體AB在凸透鏡的同一側(cè)，是A1B1/AB=S/F（S為人眼的明視距離，一般取250mm：F為焦距）AaBi/AB透鏡的放大倍數(shù)，用M表示，則M=S/F=250/F由上式可見，似乎減小F可隨意增犬透鏡的放大倍數(shù)。其實(shí)不然，由于單片透鏡尋在像差,放人倍數(shù)不能無限增人。況且物體也不能離眼睛太近。因?yàn)槌饺搜鄣恼{(diào)節(jié)能力將無法成像。透鏡公式還可以寫為：1/U+1/V=1/F（U為物體至透鏡的距離：V為像至透鏡的距離）物距和焦距恒為正值，而像距可正可負(fù)。正值為倒立實(shí)像。普通放人鏡的放人倍數(shù)冇限，不能用來觀察微小的物體，因此需要用顯微鏡。最簡單的顯微鏡可看作是由兩片凸透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)。如圖五所示?？拷矬w有透鏡L】叫物鏡，靠近眼睛的透鏡叫目鏡。被觀察的物體AB放在物鏡的焦點(diǎn)之外，通過物鏡后可獲得一個倒立的實(shí)像A]B】,它恰好位于目鏡的焦點(diǎn)之內(nèi)，目鏡將此像再次放人，在明視距離S處成虛像A2B2,A2B2為眼睛這一光學(xué)系統(tǒng)的目標(biāo)，在視網(wǎng)膜上成的像便是物體通過顯微鏡獲得的最終圖像,相對于物體是倒立的?？汕蟮梦镧R的放大倍數(shù)M傷為M滬A1B/AB=A/Fi目鏡的放大倍數(shù)M冃為 Mb=A2B2/A1B1=250/F2顯微鏡觀察時總的放大倍數(shù)M為M=Mt5j?M目=A/Fi?250/F23.XJG-O5型金相顯微鏡極其光學(xué)系統(tǒng)原理XJG-05型金相顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)采用優(yōu)質(zhì)創(chuàng)系光學(xué)玻璃設(shè)計(jì)的負(fù)目鏡，平場人視場的物鏡，及雙目觀察系統(tǒng)，能再明場、暗場及偏光卞進(jìn)行觀察、投影和攝像。圖六是其光學(xué)系統(tǒng)的光路圖：

五、實(shí)驗(yàn)步驟（1） 獲取樣品，并置之于腐蝕液中，15ndn以上。（2） 將樣品正確的按裝在載物臺上。（3） 打開總電源及毎燈電源，觸發(fā)毎燈使之處于照明狀態(tài)。（4） 按需要的放大倍數(shù)選擇物鏡和目鏡（5） 調(diào)節(jié)孔徑光闌和視覺光闌，使之目鏡中觀察到視場大小合適，強(qiáng)度適中。（6） 調(diào)焦：先用粗動手輪調(diào)至物鏡工作距離，出現(xiàn)模糊的圖像，再用微動手輪進(jìn)一步精確調(diào)焦，使圖像清晰可辨。（7） 記錄此時明視場直徑人小及其中位錯個數(shù)，并重復(fù)測量至5次。（8） 記錄此時目鏡、物鏡的放大倍數(shù)。（9） 關(guān)閉電源，整理實(shí)驗(yàn)儀器。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理目鏡放人倍數(shù)為M目二10物鏡放人倍數(shù)為M物二40明視場直徑D二5.lmm位錯個數(shù)為Ni=llN2=12N$=7Ni=10Ns=12所以，顯微鏡總放大倍數(shù)為M二14目?M?=10*40=400則視場真正的半徑為r=D/（2M）=5.4/（2*400）=6.75*10_，mm所以視場面積為S二=4*3.14*（6.75*10_，）2=5.723*10-4nun2又平均位錯個數(shù)為N二（Ni+N2+Ns+N.1+N$）/5=（11+12+7+10+12）/5=10.4則位錯密度。=N/S二10.4/（5.723*1（?）=1.82*10*個/nun'七、 實(shí)驗(yàn)總結(jié)通過本實(shí)驗(yàn)，我了解到了半導(dǎo)體晶體缺陷的相關(guān)知識，也學(xué)會了測量半導(dǎo)體晶體位錯個數(shù)或者位錯密度的方法以及原理