晶體材料亞表面損傷檢測第1頁幾個(gè)常見晶體材料及其應(yīng)用亞表面損傷檢測意義常見亞表面損傷檢測方法第2頁幾個(gè)常見晶體材料及其應(yīng)用SiC晶片第3頁SiC單晶作為第三代半導(dǎo)體材料,以其化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱性能好、不吸收可見光、特有大禁帶寬度、高臨界擊穿場強(qiáng)、高電子遷移率等特征,成為國際上制作半導(dǎo)體照明器件、微電子器件等理想襯底材料。SiC單晶應(yīng)用高溫和高功率半導(dǎo)體元件2.微涉及高頻半導(dǎo)體元件3.短波長發(fā)光元件4.紫外光敏二極體—在各種發(fā)動機(jī)內(nèi)部工作5.藍(lán)色鐳射二極體第4頁藍(lán)寶石（Al2O3）晶片藍(lán)寶石（Al2O3）晶棒第5頁當(dāng)前藍(lán)寶石主要有兩大用途：

一類是襯底材料，其中主要是LED半導(dǎo)體襯底材料，LED照明用藍(lán)寶石襯底占藍(lán)寶石襯底應(yīng)用百分比達(dá)90%以上；

另一類就是窗口材料，如手表表盤、航空、航天、精密制造、特殊制造等。藍(lán)寶石晶體應(yīng)用藍(lán)寶石晶體是一個(gè)集優(yōu)良光學(xué)、物理和化學(xué)性能于一體多功效晶體材料，含有硬度高、熔點(diǎn)高、透光性好、電絕緣性優(yōu)異、熱傳導(dǎo)性良好、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在光電子、微電子、國防、超導(dǎo)等領(lǐng)域含有廣泛應(yīng)用。第6頁多晶Si片單晶Si片第7頁單晶硅與多晶硅應(yīng)用單晶硅和多晶硅都是主要半導(dǎo)體材料，用于制造半導(dǎo)體器件、太陽能電池等。單晶硅太陽電池生產(chǎn)需要消耗大量高純硅材料，而制造這些材料工藝復(fù)雜，電耗很大，在太陽電池生產(chǎn)總成本中己超二分之一，加之拉制單晶硅棒呈圓柱狀，切片制作太陽電池也是圓片，組成太陽能組件平面利用率低。所以，80年代以來，歐美一些國家投入了多晶硅太陽能電池研制。多晶硅是生產(chǎn)單晶硅直接原料。多晶硅太陽電池制作工藝與單晶硅太陽電池差不多，其光電轉(zhuǎn)換效率約12%左右，稍低于單晶硅太陽電池，不過材料制造簡便，節(jié)約電耗，總生產(chǎn)成本較低，所以得到大量發(fā)展。伴隨技術(shù)得提升，當(dāng)前多晶硅轉(zhuǎn)換效率也能夠到達(dá)14%左右。第8頁亞表面損傷檢測意義當(dāng)代短波光學(xué)、強(qiáng)光光學(xué)、電子學(xué)及薄膜科學(xué)等學(xué)科發(fā)展對所需材料表面質(zhì)量要求越來越高，尤其是強(qiáng)激光技術(shù)對光學(xué)元件表面粗糙度要求極為苛刻，要求表面到達(dá)超光滑表面標(biāo)準(zhǔn)。所謂超光滑表面是指均方根表面粗糙度小于lnm表面，其特征為表面無任何破損和劃痕、亞表層無破壞、無表層應(yīng)力。超光滑表面加工對象為晶體、玻璃和陶瓷等硬脆性材料。普通來說，大部分硬脆材料不能經(jīng)過類似金屬鑄造或塑性加工方法來加工，只有采取超精密加工方法，才能夠到達(dá)很好超光滑表面。生產(chǎn)器件，要求晶片是拋光面，即鏡面。其表面好壞，如缺點(diǎn)、損傷等都直接影響器件性能，有些缺點(diǎn)是致命，從而造成后道工序成品率低。第9頁常見亞表面損傷檢測方法破壞性檢測非破壞性檢測截面顯微法TEM法錐度拋光法X射線衍射法激光散射法顯微拉曼光譜法第10頁破壞性檢測破壞性檢測方法在檢測過程中會部分或全部破壞試件，以使所要檢測損傷在表面顯示出來,再經(jīng)過適當(dāng)顯微觀察技術(shù)得到所需要損傷檢測結(jié)果。破壞性檢測方法缺點(diǎn)：會破壞晶片，檢測后晶片將不能再繼續(xù)應(yīng)用。但破壞性檢測含有檢測結(jié)果直觀、方便優(yōu)勢，所以在當(dāng)前晶片質(zhì)量控制及損傷檢測研究過程中，該種方法還是一個(gè)不可替換檢測伎倆。第11頁截面顯微法截面顯微法是觀察晶體亞表面損傷層深度和微裂紋構(gòu)形主要方法，樣品制備質(zhì)量直接影響試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，其制備步驟以下：切片粘片研磨拋光腐蝕觀察用解理刀將待檢測晶片解理成適當(dāng)大小矩形本；將待測片與一樣大小拋光片粘結(jié)，盡可能確保各片待測截面平齊。以去除解理時(shí)產(chǎn)生損傷，同時(shí)確保待測面與晶片加工面垂直；對待測截面進(jìn)行拋光，以確保待測截面無加工損傷；采取適當(dāng)腐蝕條件對待測面進(jìn)行腐蝕；對制備好試樣進(jìn)行觀察分析，取得晶片損傷層深度及微裂紋構(gòu)型。第12頁樣品粘結(jié)示意圖ZYP300型旋轉(zhuǎn)擺動重力式研磨拋光機(jī)截面顯微法第13頁截面顯微法1.樣品制作2.能將不一樣加工工藝對單晶藍(lán)寶石晶體造成亞

表面損傷顯現(xiàn)出來腐蝕液配方腐蝕液配方為KOH:K2CO3=20g:1g，在420oC下腐蝕3min經(jīng)過試驗(yàn)確定SiC晶片試驗(yàn)樣品制備相對簡單，輕易實(shí)現(xiàn)，但檢測準(zhǔn)確度不高，適合用于大損傷基片檢測。第14頁SiC晶片截面顯微圖像第15頁（a）斜線狀（b）垂線狀（c）叉狀（d）鉤狀（e）人字狀（f）橫線狀（g）樹枝狀SiC晶片亞表面微裂紋構(gòu)型第16頁第17頁錐度拋光法錐度拋光法是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)亞表面損傷檢測方法，在常規(guī)損傷檢測中含有一定地位，它也是一個(gè)慣用破壞性檢測伎倆，其中錐度相當(dāng)于一個(gè)損傷“放大器”，它將原來在截面上損傷信息以腐蝕坑形式在一個(gè)小角度斜面上顯示出來。普通情況下，因?yàn)樾泵娣糯笞饔茫冉孛骘@微法含有更高分辨率，誤差更小，適合于檢測損傷深度較小晶片。

晶體缺點(diǎn)部分引發(fā)局部應(yīng)力場會促使腐蝕速率加緊，進(jìn)而在晶片損傷區(qū)域形成一定形狀腐蝕坑，經(jīng)過測量腐蝕坑分布就能夠得到單晶亞表面損傷深度。錐度拋光法樣品制備相對簡單，輕易實(shí)現(xiàn)，但在損傷深度過小(＜0.1um)時(shí)不宜采取。第18頁錐度拋光法原理圖第19頁錐度拋光樣品夾具圖最終樣品示意圖第20頁腐蝕前(800×)腐蝕后(800×)游離磨料研磨SiC晶片錐度拋光顯微圖像第21頁腐蝕前(800×)腐蝕后(800×)固結(jié)磨料研磨SiC晶片錐度拋光顯微圖像第22頁四種硅片錐度拋光法檢測結(jié)果第23頁透射電鏡（TEM）法截面顯微法檢測精度較低。透射電子顯微鏡(TEM)檢測與截面顯微法相比，能夠愈加清楚地觀察亞表面損傷層深度，并能夠深入分辨出非晶層、破碎層和位錯(cuò)分布，但同時(shí)樣品制作更為復(fù)雜。透射電鏡樣品制備在電子顯微學(xué)研究中起著非常主要作用。當(dāng)前已發(fā)展了各種制備方法，傳統(tǒng)透射電鏡樣品制備方法有：電解雙噴、超薄切片、聚焦離子束（FIB）、離子減薄等。第24頁透射電子顯微鏡樣品分類粉末樣品2.塊體樣品3.薄膜樣品4.高分子、生物樣品脆性材料塑性材料平面樣品截面樣品第25頁塊體樣品為何要制樣？透射電子束普通能穿透厚度為100nm以下薄層樣品透射電鏡樣品臺只能夠放入直徑3mm圓片TEM塊體樣品制備其實(shí)是個(gè)材料加工成型過程，要充分考慮材料本身特征第26頁陶瓷、半導(dǎo)體等脆性材料，輕易開裂，磨樣時(shí)要輕柔，用超聲切割獲得φ3mm圓片送樣要求：厚度0.2~0.3mm，10mm見方薄片，能夠?qū)悠酚镁€切割、砂紙磨等方式處理成上述薄片Gatan601超聲波圓片切割機(jī)塊體樣品第27頁塊體樣品脆性樣品制樣流程示意圖（如硅片、陶瓷等）圓片切割單面拋光凹坑 離子減薄樣品情況

φ3mm單面拋光中心厚度10~30μm 幾納米到幾十納米薄區(qū) 第28頁塊體樣品-凹坑Gatan656凹坑儀要求：對拋光后樣品另一面進(jìn)行機(jī)

械預(yù)減薄至80~80μm，對圓片

中間凹坑，使樣品中間厚度減

至10~30μm。優(yōu)點(diǎn)：增大薄區(qū)面積；準(zhǔn)備定位減薄位置。第29頁凹坑示意圖塊體樣品-凹坑第30頁塊體樣品-離子減薄Gatan691精密離子減薄儀目標(biāo)：TEM樣品最終減薄，

以取得電子束透明觀

察區(qū)域。原理：在電場作用下氬氣被電

離成帶Ar+氬離子，

帶著一定能量氬離子

從陽極飛向陰極，經(jīng)過

陰極孔，打在樣品表面，

使樣品表面濺射。第31頁截面樣品制備1.選樣品2.樣品清洗處理3.加陪片（慣用硅片）粘樣品按照塊體樣品制備步驟第32頁第33頁非破壞性檢測與破壞性檢測相比，非破壞性檢測在樣品檢測過程中不會給晶片造成破壞，也不會引入新?lián)p傷，這一突出優(yōu)點(diǎn)使得其在一些場所下取得了極為廣泛應(yīng)用。顯微拉曼光譜法第34頁拉曼光譜分析法是基于1928年印度物理學(xué)家C.V.Raman等發(fā)覺基于光非彈性散射拉曼效應(yīng)。入射光與樣品分子之間并非都發(fā)生彈性碰撞，也會以一定幾率出現(xiàn)方向、頻率均改變非彈性碰撞，即拉曼散射。人射光與拉曼散射光頻率之間差值即為拉曼偏移。拉曼光譜分析法是一個(gè)對與入射光頻率不一樣散射光譜進(jìn)行分析以得到檢測樣品分子振動、轉(zhuǎn)動方面信息，并應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)研究一個(gè)分析方法。當(dāng)前，顯微Raman光譜儀被廣泛應(yīng)用于晶體材料相位轉(zhuǎn)換及殘余應(yīng)力檢測分析中。顯微拉曼光譜法第35頁傳統(tǒng)顯微拉曼光譜儀激光束光斑尺寸相對較大(10mm×2mm)，分辨率低，在當(dāng)前超精密加工晶片殘余應(yīng)力分析中采取顯微拉曼光譜儀激光束直徑為1μm。英國雷尼紹inVia激光拉曼光譜儀其原理是將入射激光經(jīng)過顯微鏡聚焦到樣品上，從而能夠在不受周圍物質(zhì)干擾情況下準(zhǔn)確地取得樣品微區(qū)相關(guān)化學(xué)成份、晶體結(jié)構(gòu)、分子相互作用及分子取向等各種拉曼光譜信息。并能夠經(jīng)過改變?nèi)肷浼す馐ㄩL來改變檢測深度，從而獲取0.1~10μm深度范圍內(nèi)應(yīng)力和相位信息。第36頁應(yīng)用顯微拉曼光譜法在測量晶體材料殘余應(yīng)力時(shí)，材料在受到應(yīng)力作用時(shí)，與之對應(yīng)拉曼光譜會發(fā)生一定改變：當(dāng)材料受壓應(yīng)力時(shí)，拉曼峰位會向高波數(shù)移動；當(dāng)材料受拉應(yīng)力時(shí)，拉曼峰位會向低波數(shù)移動。

材料受力前拉曼波數(shù)為ωj0(j=1,2,3),受力后拉曼波數(shù)為ωj,受力前后波數(shù)存在以下關(guān)系：式中λj是Secular方程特征根，對于含有金剛石結(jié)構(gòu)材料晶體材料來說，其Secular方程為：拉曼頻移與殘余應(yīng)力對應(yīng)關(guān)系第37頁其中，p、q