实验1　半导体的晶面光学定向

一、实验目的

1.学会使用激光测定硅单晶的＜111＞、＜110＞、＜100＞晶轴，并标定观察到的反射光斑所对应的晶面。

2.掌握X射线法测定硅单晶取向的原理和方法。

二、实验原理

硅单晶中原子按金刚石结构排列。在不同方向上，原子的排列和原子间距不同，原子间键合情况也不一样，因此，其物理化学性质也各不相同。例如：晶面的法向生长速度、腐蚀速度、氧化速度、杂质扩散速度以及晶面的解理特性等都和晶体取向有关。在科研和生产中测定半导体单晶晶轴方向常常是必不可少的。通常可以用晶体外形、X射线衍射法或光学方法测定硅单晶轴，激光测定硅单晶晶面方向。

1.从晶体外形确定晶向

由于硅、锗的金刚石结构以及GaAs的闪锌矿结构的特点，晶体在沿某一晶向生长时，单晶的外表将规律地分布着生长棱线。沿（111）方向生长的硅单晶锭有六个或三个对称分布的棱线。沿（010）方向生长的硅单晶锭有四个对称分布的棱线。（110）方向生长的硅单晶锭则有四个不对称分布的棱线。晶体表面的这些棱线都是由晶体生长过程中生长最慢的{111}晶面族中各晶面在交界处形成的。这是由于{111}晶面是金刚石晶体的密排面，晶体表面有取原子密排面的趋势。也就是说，在晶体生长过程中不同晶面的生长速率不同。即原子沿晶面横向生长速率快，垂直生长速率慢。

原子密度比较大的晶面，面上的原子间距较小，在面横切方向上，原子间相互联合的键能较强，容易拉取介质中的原子沿横向生长。而晶面与晶面之间的距离较大，相互吸引较弱，因此介质中的原子在这样的面上生长新的晶面相对要困难。

所以{111}晶面是生长速率最慢的原子密排面，晶体的棱边就是这些{111}晶面的交线。综上所述，我们很容易由晶体的外形判定它们的晶向，如沿（111）晶向直拉生长的硅单晶体有三条对称分布的棱。单晶的生长方向为：若将籽晶对着自己，眼睛看过去的方向为（111）；反之为（111）晶向。在＜111＞硅单晶横截面上任意连接两棱，将连线向另一棱线方向偏54°44'垂直切下，为{100}。而若向另一棱线相反的方向偏36°16'垂直切下，切面为{110}，如图1-1（a）、图1-1（b）所示。

2.光学反射图像法定向

单晶表面经适当的预处理工艺，在金相显微镜下会观察到许多腐蚀坑，即所谓晶相腐蚀坑（或称晶相的光像小坑）。这些腐蚀坑是由与晶格主要平面平行的小平面组成的。它们是一些有特定晶向的晶面族，构成各具特殊对称性的腐蚀坑，这是晶体各向异性的结果。锗、硅单晶的{111}晶面是原子密排面，也是解理面（或称劈裂面）。当用金刚砂研磨晶体时，其研磨表面将被破坏，出现许多由低指数晶面围成的小坑。这些小坑对于不同晶面具有不同的形状，可以利用这些小坑进行光学定向。但由于光的散射和吸收较严重，使得反射光像较弱，图像不清晰，分辨率低。为获得满意的效果，可在晶体研磨后进行适当腐蚀，使小坑加大。在进行腐蚀之前，应先将晶体端面用80^#金刚砂在平板玻璃上湿磨，使端面均匀打毛，洗净后，按指定的腐蚀工艺条件（表1-1）进行腐蚀。

经过腐蚀的硅单晶的{111}或{100}、{110}截面上会出现许多腐蚀坑，腐蚀坑底的平面平行于上述截面，而其边缘上的几个侧面是另一些具有特定的结晶学指数的晶面族，这些侧面按轴对称的规律围绕着腐蚀坑的底面，就构成各种具有特殊对称性的腐蚀坑构造。

经过腐蚀处理的晶面，不但形状完整，而且具有光泽。当一束细而强的平行光垂直入射到具有这种小坑的表面时，在光屏上就能得到相应的反射光像。因为激光束的直径约1mm，而小坑的大小一般为微米量级，因而激光束可投射到众多小坑上。这个光像就是由众多小坑上相同取向的晶面反射的光线朝相同的方向汇聚在光屏上而成的光瓣。

例如，测定沿＜111＞轴方向生长的直拉硅单晶时，我们知道还有三个{111}面，它们与生长面的夹角均为70°22'，组成一个正四面体。又因为{111}的特点，这三个斜{111}面在交会处产生三个间隔120°的生长棱线。垂直晶轴切片，经研磨和腐蚀处理后，在金相显微镜下会看到许多如图1-2（a）上所示的三角坑，它实际上是由三个{111}晶面作为侧面的三角截顶锥形坑，其截顶面也是{111}面。当一束平行光束垂直入射至被测的{111}晶面上时，这三个侧面和截项面将反射成如图1-2（a）下所示的光像；这三条主反射线外，有时也可以看到另外三条次要的反射线，它们与主反射线的图像在光屏上呈60°相位差。

对于{100}晶面，其腐蚀坑形状如图1-2（b）所示。它由四个{111}晶面所围成。四角截顶锥形坑，其截顶面是{100}晶面。其反射光图为对称的四叶光瓣。

对于{110}晶面，其腐蚀坑形状如图1-2（c）所示。它有两个{111}晶面与（110）方向的夹角为5°44'，它们是光像的主要反射面；另有两个{111}晶面族与（110）方向平行或与（110）面垂直。当一束平行光束垂直入射到被测的{110}晶面上时，一般情况形成由主反射面反射的光像，近似为一直线。如果样品做得好，入射光又足够强，则可能得到如图1-2（c）下所示的光像。

实际上，光像图的对称性反映了晶体的对称性。光像图的中心光斑是由特征蚀坑的底面反射光束形成的，这底面又与相应的低指数晶面一致。因而使光束与相应的低指数晶面垂直，那么样品晶轴与入射光平行。我们立即可以用光像图中的对称性直观地识别出晶向。

在定向操作中，光像图对称性的判别可以在光屏上同时使用同心圆和极坐标来衡量，如图1-3（a）、（b）所示。

当将光像图调整到光瓣高度对称，也就是每一个光瓣都落在极坐标刻度线上，而且处于同心圆上时，这时光轴就给出相应的晶向。如果反射光图中几个光瓣不对称（光瓣大小不同，光瓣之间的夹角偏离理论值），说明被测晶面与基准晶面（或晶轴）有偏离。适当调整定向仪夹具各个方位的调整机构（如俯仰角、水平角等），直至获得对称分布的反射光图，使得基准晶面垂直于入射光轴，由此可以测出晶面与基准面的偏离。

定向夹具有六个可调方位，它们分为两类：一类是改变激光在晶体端面投射部位的三维可调，它被用来调整被测晶轴与激光光轴之间的偏离角度；另一类是沿X导向、Y导向和Z导向的平移，用来调整光屏与晶体端面的相对距离。

上面介绍的定向方法称为直接定向法，它有一定的局限性。对于偏离度大于9°的待测表面和一些指数较高的晶面，如{331}等晶面难以直接定向。

间接定向是在直接定向的基础上运用晶带理论来实现的。

在晶体中，如果若干个晶面族同时平行于某一根晶轴时，则前者总称为一个晶带，后者称为一个晶带轴。例如图1-4中的（001）、（113）、（112）、（111）、（221）、（331）、（110）等晶面都和［10］晶轴平行。因此上述晶面构成一个以［10］为晶带轴的晶带，它们相互存在简单的几何关系。如果将一个晶面绕晶带轴转动某一角度，就可以将一个已直接定好方向的低指数晶面的空间位置由同一晶带的另一个晶面所取代。确定后一个晶面的方法就是用间接定向法。

所以可以先用直接定向法使（111）晶面垂直于入射光轴，在光屏上得到三叶光图（见图1-5）。然后使晶体绕光轴旋转，使三叶光图中的一个光瓣与极坐标的0°度线重合，此时［10］晶带轴处于水平位置，即与晶体夹具上的俯仰轴相平行。转动俯仰轴，前倾35.26°，使（110）晶面垂直于光轴；若使晶体后仰54.74°，即使（001）晶面垂直于光轴。这时垂直于光轴分别切割出的晶面即为（110）晶面或（001）晶面。

3.X射线衍射法定向

当用一固定波长的X射线（或称单色X射线）入射到一块晶体上时，晶体中某一定晶面便会对射线发生衍射，这时就可以通过测定衍射线的方位来确定晶体的取向。因为X射线被晶体衍射时，入射线、衍射线和衍射面的法线之间必须遵守布拉格定律，另外不同结构的晶体和不同晶面的衍射线所出现的方位不同，所以定向时必须事先知道晶体的某些重要晶面的布拉格角，以便确定衍射线的方位。

当波长为λ的单色X射线照射晶体时，入射线与晶体中某一晶面之间的掠射角为θ，在符合布拉格定律时

　　（1-1）

便在与入射线之间角度为2θ的位置上出现衍射线。

用X射线定向仪测定晶体取向时，一般使用铜靶阳极，经过薄镍片滤光可以得到单色X射线Κ_α，其波长λ=0.1542nm。立方晶系的面间距d与点阵常数α有如下关系

　　（1-2）

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

　　（1-3）

上式适用于n=1的一级衍射的情况。硅晶体属于金刚石型结构，是立方晶系，点阵常数a=0.543073nm。对于（111）晶面和（220）晶面来说，由式（1-3）可以算出用铜靶K_α辐射衍射时的布拉格角分别为14°14'和23°40'。用完全类似的方法可以计算出锗、硅、砷化镓晶体的几个常用晶面对铜靶K_α辐射衍射的布拉格角，如表1-2所示。

通常，单晶的横截面或单晶切割片表面与其一低指数结晶平面如（100）或者（111）会有几度的偏离，用结晶平面与机械加工平面的最大角度偏差加以体现，并可以通过测量两个相互垂直的偏差分量而获得。

三、实验设备与材料

1.JCD-Ⅲ型激光晶轴定向仪

如图1-6所示，JCD-Ⅲ型激光晶轴定向仪上有6个方位调整机构，可以分为两类：一类是只做平移，即x轴导轨，z轴垂直升降立柱以及y轴导轨。前二者设计在夹具上，用于改变激光投射在晶体端面上的部位，后者设计在光源底座下面，用以改变晶体端面至光屏的相对距离，可调节光图的大小。第二类是用以调整被测晶轴的方位角度，即俯仰角度、水平角度和轴向角度，前二者可使被测晶轴与激光光轴同轴，并垂直对准光屏平面，以获得严格对称的光图；调整后者，可使光图绕激光光轴转动，以与极坐标刻度线重合。由于光屏本身设计成可以转动，因此，在“直接定向”时可以转动光屏，使刻线去重合光图。但在“间接定向”时必须将光屏的极坐标线置于零位，并调节轴向角度调节机构，使晶带轴与水平轴平行，转动水平角即能间接定出其他的晶轴方向。

2.MiniFlex 600台式X射线衍射仪

图1-7为MiniFlex 600台式X射线衍射仪，该设备技术特点有：①功率600W，强度大大提高（上一代产品MiniFlexⅡ最大功率450W）。②测角仪精度高、放置样品方便。③测角仪配程序式可变狭缝，改善低角度P/B，提高高角度强度。④安全设计，放置样品时自动关闭X射线。

四、实验内容与步骤

1.光学反射图像法定向

（1）接上220V、50Hz的交流电源，开启激光管，调整光屏，使激光束对准光屏上的透光孔射出。

（2）硅单晶＜111＞晶向的确定。

①将端面用80^#金刚砂在平板玻璃上湿磨，用清水冲洗。

②先将5%NaOH水溶液煮沸，将待检晶体浸入，勿使被检端面贴到烧杯底部，让腐蚀液不断腐蚀端面，并使产生的气泡能迅速逸出。在沸腾的溶液中腐蚀7min（在通风橱中进行）后取出，用清水冲洗、烘干。在金相显微镜下观察腐蚀坑的形貌。

③按直接定向方式，将预处理过的晶锭置于定向仪上。在晶体夹具端面贴一画有“+”标记的纸卡，使“+”中心对准激光光点。调节晶体夹具底座的轴向水平移动旋钮，使晶体夹具朝向激光光轴来回移动，并使激光照射在没有样品和蜡的载玻片表面部分。如果晶体夹具底座导轨与光轴平行，则光点位置始终不变；如果不平行，则光偏离“+”中心，这时可调节夹具的角度（水平角、仰俯角）或垂直升降，使光点移至“+”中心点，使在光屏上获得严格对称的三叶形光圈。记下俯仰角度及水平角度的刻度α₁、β₁。

（3）晶锭端面晶向偏离度的测定。在晶锭端面上紧贴一小块平面镜，调整俯仰角，使光束在小镜表面的反光点与出射光重合。记下刻度α₂、β₂，这时可得晶向的垂直偏离度α₁-α₂和水平偏离度β₁-β₂。然后按照式（1-4）计算被测晶面与主晶面的偏离角。

　　（1-4）

其中，α=α₁-α₂；β=β₁-β₂。

（4）按间接定向的方法观察（111）、（110）、（100）的相互方位与特征光图的关系。

（5）判别在特征光图中所有显示出来的斑点所对应的晶面。

2.X射线衍射法定向

（1）根据需定向晶体的晶体结构和所需定向晶面的晶面指数，利用式（1-2）和式（1-3）分别算出该晶面的面间距和布拉格衍射角θ，或从有关资料查出。

（2）按照定向仪使用要求校准θ角。

（3）在定向仪的2θ位置处放置计数管。

（4）将待测晶片吸附在样品台上，样品上可用十字线标记四个方位。

（5）转动定向仪的主轴即θ角，使计数管的衍射强度指示达到极大值，此时记录转角δ₁，求得水平偏离角α₁=δ₁-θ。将样品方位转动180°后，按照相同的方法求得水平偏离角α₂=δ₂-θ。由两次测量结果，求得水平偏离角平均值

　　（1-5）

（6）将样品方位转动90°，按照和第（5）步相同的方法，即转动定向仪的θ角，使计数管的衍射强度指示达到极大值，此时记录转角δ₁，求得垂直偏离角β₁=δ₁-θ。将样品方位转动180°后，按照相同的方法求得垂直偏离角β₂=δ₂-θ。由两次测量结果，求得垂直偏离角平均值

　　（1-6）

（7）按照式（1-4）计算晶向偏离角。

五、注意事项

1.激光管的正、负极不能接反，激光管电流应在规定的电流下工作（一般小于5mA），否则容易损坏激光管或缩短其使用寿命。

2.腐蚀好的样品应具有许多光洁明亮的小坑。如果表面发暗，小坑不明显，可能被氧化了，须重新处理。

3.实验样品轻拿轻放，严防损坏。

4.仔细阅读仪器说明书，严格按照使用说明操作，确保人身和设备安全。

六、数据记录及处理

1.采用光学反射图像定向法测定硅单晶端面的晶向偏离度，记下（111）、（110）、（100）三晶面特征光圈方位的相互关系，标出所有光斑对应的反射晶面的面指数。

2.采用X射线衍射定向法测定硅晶片的晶向偏离度。

七、思考题

1.腐蚀时间过长或腐蚀时间反射光圈会出现什么情况？

2.解理法得到的特征光图中反射光斑对应什么晶面？（111）、（110）、（100）晶面的三个特征光图之间的相互方位如何？