單晶硅中可能出現(xiàn)的各種缺陷

1、單晶硅中可能出現(xiàn)的各種缺陷時(shí)間：2021.03.01創(chuàng)作：歐陽語缺陷,是對(duì)于晶體的周期性對(duì)稱的破壞，使得實(shí)際 的晶體偏離了理想晶體的晶體結(jié)構(gòu)。在各種缺陷之中，有著 多種分類方式z如果按照缺陷的維度,可以分為以下幾種缺 陷： 點(diǎn)缺陷：在晶體學(xué)中，點(diǎn)缺陷是指在三維尺度上都 很小的，不超過幾個(gè)原子直徑的缺陷。其在三維尺寸均很小, 只在某些位置發(fā)生”只影響鄰近幾個(gè)原子”有被稱為零維缺 陷。 線缺陷：線缺陷指二維尺度很小而第三維尺度很大 的缺陷，也就是位錯(cuò)。我們可以通過電鏡等來對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)。 面缺陷：面缺陷經(jīng)常發(fā)生在兩個(gè)不同相的界面上，或者同一 晶體內(nèi)部不同晶疇之間。界面兩邊都是周期排列點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)， 而在

2、界面處則出現(xiàn)了格點(diǎn)的錯(cuò)位。我們可以用光學(xué)顯微鏡觀 察面缺陷。 體缺陷：所謂體缺陷,是指在晶體中較大的 尺寸范圍內(nèi)的晶格排列的不規(guī)則，比如包裹體、氣泡、空洞 等。一、點(diǎn)缺陷 點(diǎn)缺陷包括空位、間隙原子和微缺陷等。1、空位、間隙原子 點(diǎn)缺陷包括熱點(diǎn)缺陷（本征點(diǎn)缺陷） 和雜質(zhì)點(diǎn)缺陷（非本征點(diǎn)缺陷 1.1熱點(diǎn)缺陷 其中 熱點(diǎn)缺陷有兩種基本形式:弗侖克爾缺陷和肖特基缺陷。單晶中空位和間隙原子在熱平衡時(shí)的濃度與溫度有關(guān)。溫度愈 高,平衡濃度愈大。高溫生長的硅單晶,在冷卻過程中過飽 和的間隙原子和空位要消失，其消失的途徑是:空位和間隙 原子相遇使復(fù)合消失；擴(kuò)散到晶體表面消失;或擴(kuò)散到位錯(cuò) 區(qū)消失并引起位錯(cuò)攀移

3、。間隙原子和空位目前尚無法觀察。 1.2雜質(zhì)點(diǎn)缺陷A、替位雜質(zhì)點(diǎn)缺陷，如硅晶體中的磷、硼、碳等雜質(zhì)原子氏間隙雜質(zhì)點(diǎn)缺陷,如硅晶體中的氧等 13點(diǎn)缺陷之間相互作用一個(gè)空位和一個(gè)間隙 原子結(jié)合使空位和間隙原子同時(shí)湮滅（復(fù)合），兩個(gè)空位形成 雙空位或空位團(tuán)，間隙原子聚成團(tuán),熱點(diǎn)缺陷和雜質(zhì)點(diǎn)缺陷 相互作用形成復(fù)雜的點(diǎn)缺陷復(fù)合體等。2、微缺陷2.1產(chǎn)生原因如果晶體生長過程中冷卻速度較快，飽和熱點(diǎn)缺陷聚集或者他們與雜質(zhì)的絡(luò)合物凝聚而成間隙型位錯(cuò)環(huán)、 位錯(cuò)環(huán)團(tuán)及層錯(cuò)等。Cz硅單晶中的微缺陷，多數(shù)是各種形態(tài) 的氧化物沉淀,它們是氧和碳等雜質(zhì),在晶體冷卻過程中， 通過均質(zhì)成核和異質(zhì)成核機(jī)理形成。2.2微缺陷觀察

4、方法1）擇優(yōu)化學(xué)腐蝕:擇優(yōu)化學(xué)腐蝕后在橫斷面上呈均勻分布或組成各種形態(tài)的宏觀漩渦花紋（漩渦缺陷X宏 觀上,為一系列同心環(huán)或螺旋狀的腐蝕圖形,在顯微鏡下微 缺陷的微觀腐蝕形態(tài)為淺底腐蝕坑或腐蝕小丘（蝶形蝕坑L 在硅單晶的縱剖面上，微缺陷通常呈層狀分布。2 ）熱氧化處理：由于CZ硅單晶中的微缺陷，其應(yīng)力場(chǎng)太小,往往需熱氧化處理”使微缺陷綴飾長大或轉(zhuǎn)化為氧化層錯(cuò)或 小位錯(cuò)環(huán)后，才可用擇優(yōu)腐蝕方法顯示。3)掃描電子顯微技術(shù),X射線形貌技術(shù)，紅外顯微技術(shù)等方法。2.3微缺陷結(jié)構(gòu)直拉單晶中微缺陷比較復(fù)雜。TEM觀察到在原生直拉硅單晶中”存在著間隙位錯(cuò)環(huán)，位錯(cuò)團(tuán)和啲堆跺 層錯(cuò)等構(gòu)成的微缺陷，以及板片狀SiO

5、2沉積物,退火Cz硅 單晶中的微缺陷為體層錯(cuò)、氧沉淀物及沉淀物位錯(cuò)絡(luò)合物 等。Cz硅中的原生缺陷分別是根據(jù)不同的測(cè)量方法而命名， 有三種：1使用激光散射層析攝影儀檢測(cè)到的紅外(IR)散射中 心(LSTD) ; 2經(jīng)一號(hào)清洗液腐蝕后,在激光顆粒計(jì)數(shù)器下檢 測(cè)為微小顆粒的缺陷(COP) ; 3.流型缺陷(FPD),它是在 Secco腐蝕液擇優(yōu)腐蝕后,用光學(xué)顯微鏡觀察到的形如楔形 或拋物線形的流動(dòng)圖樣的缺陷，在其端部存在有很小的腐蝕 坑?？刂艭Z硅單晶中原生缺陷的途徑是選擇合適的晶體生 長參數(shù)和原生晶體的熱歷史。要調(diào)節(jié)的主要生長參數(shù)是拉速、 固液界面的軸向溫度梯度G(r)(含合適的v/G(r)比值)

6、、冷卻 速率等。另外通過適宜的退火處理可減少或消除原生缺陷。 二、線缺陷 位錯(cuò):包括螺位錯(cuò)和刃位錯(cuò)1、產(chǎn)生原因1)籽晶中位錯(cuò)的延伸；2)晶體生長過程中，固液界面附近落入不溶固態(tài)顆粒,引入位錯(cuò)；3)溫度梯度較大，在晶體中產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力時(shí)，更容易產(chǎn)生位錯(cuò)并增殖。2、位錯(cuò)形態(tài)及分布1 )擇優(yōu)化學(xué)腐蝕:位錯(cuò)蝕坑在100面上呈方形”但其形態(tài)還與位錯(cuò)線走向、晶向偏離度、 腐蝕劑種類、腐蝕時(shí)間、腐蝕液的溫度等因素有關(guān)。硅單晶 橫斷面位錯(cuò)蝕坑的宏觀分布可能組態(tài):A、位錯(cuò)均勻分布 B、位錯(cuò)排是位錯(cuò)蝕坑的某一邊排列在一條直線上的 一種位錯(cuò)組態(tài)，它是硅單晶在應(yīng)力作用下，位錯(cuò)滑移、增殖 和堆積的結(jié)果。位錯(cuò)排沿方向排

7、列。C、星形結(jié)構(gòu)式由一系列位錯(cuò)排沿方向密集排列而成的。在100面上，星形結(jié) 構(gòu)呈井字形組態(tài)。2 ）紅外顯微鏡和X射線形貌技術(shù)3、無位錯(cuò)硅晶體的生長1 ）縮頸2）調(diào)節(jié)熱場(chǎng)，選擇合理的晶體生長參數(shù),維持穩(wěn)定的固液界面形狀3 ）防止不溶固態(tài)顆粒落入固液界面三、面缺陷面缺陷主要有同種晶體內(nèi)的晶界，小角晶界，層錯(cuò)，以及異種晶體間的 相界等。平移界面：晶格中的一部分沿著某一面網(wǎng)相對(duì)于另一部分滑動(dòng)（平移）。堆跺層錯(cuò):晶體結(jié)構(gòu)中周期性的互相平行的堆跺層有其固有的順序。如果堆跺層偏離了原 來固有的順序，周期性改變,則視為產(chǎn)生了堆跺層錯(cuò)。晶界：是扌旨同種晶體內(nèi)部結(jié)晶方位不同的兩晶格間的界面，或 說是不同晶粒之間的

8、界面。按結(jié)晶方位差異的大小可將晶界 分為小角晶界和大角晶界等。小角晶界一般指的是兩晶格間 結(jié)晶方位差小于10度的晶界。偏離角度大于10度就成了李 晶。相界：結(jié)構(gòu)或化學(xué)成分不同的晶粒間的界面稱為相界。 1、小角晶界：硅晶體中相鄰區(qū)域取向差別在幾分之一秒到一分（弧度）的晶粒間界稱為小角度晶界。在 100面上，位錯(cuò)蝕坑則以角頂?shù)追绞街本€排列。2、層錯(cuò)：指晶體內(nèi)原子平面的堆垛次序錯(cuò)亂形成的。硅單晶的層錯(cuò)面為111面。2.1層錯(cuò)產(chǎn)生原因：在目前工藝條件下z原生硅單晶中的層錯(cuò)是不多見的。一般認(rèn)為，在 單晶生長過程中，固態(tài)顆粒進(jìn)入固液界面,單晶體內(nèi)存在較 大熱應(yīng)力,固液界面附近熔體過冷度較大,以及機(jī)械振動(dòng)等

9、 都可能成為產(chǎn)生層錯(cuò)的原因。2.2層錯(cuò)的腐蝕形態(tài)應(yīng)用化學(xué)腐蝕方法顯示硅單晶中的層錯(cuò)時(shí)，有時(shí)可以觀察到沿 方向腐蝕溝槽，它是層錯(cuò)面與觀察表面的交線。在111面上, 層錯(cuò)線互相平行或成60。，120o分布，100面上的層錯(cuò)線 互相平行或者垂直,在層錯(cuò)線兩端為偏位錯(cuò)蝕坑。層錯(cuò)可以 貫穿到晶體表面，也可以終止于晶體內(nèi)的半位錯(cuò)或晶粒間界 處。 2.3氧化誘生層錯(cuò)形成的根本原因： 熱氧化時(shí)硅二氧化硅界面處產(chǎn)生自間隙硅原子,這些自間隙硅原 子擴(kuò)散至張應(yīng)力或晶格缺陷（成核中心）處而形成OSF并長 大。一般認(rèn)為,OSF主要成核十硅片表面的機(jī)械損傷處、金 屬沾污嚴(yán)重處,其它諸如表面或體內(nèi)的旋渦缺陷、氧沉淀也 是O

10、SF的成核中心它與外延層錯(cuò)相區(qū)別也與由體內(nèi)應(yīng)力引 起的體層錯(cuò)（bulkstackingfaul相區(qū)另!I。通常OSF有兩種: 表面的和體內(nèi)的。表面的OSF 般以機(jī)械損傷，金屬沽污、 微缺陷（如氧沉淀等）在表面的顯露處等作為成核中心；體內(nèi)的B-OSF(BulkOSF)則一般成核于氧沉淀。20世紀(jì)70年代末，研究者發(fā)現(xiàn)硅晶體中的OSF常常呈環(huán)欲分布特征 (ring-OSF)后人的研究表明，這與晶體生長時(shí)由生長參數(shù)(生 長速度、固液界面處的溫度梯度)決定的點(diǎn)缺陷的徑向分布相 關(guān)聯(lián)由干空位和自間隙的相互作用，進(jìn)而引起氧的異常沉淀, 從而引發(fā)OSF。3李晶3.1李晶的構(gòu)成李晶是由兩部分取向不同，但具有一

11、個(gè)共同晶面的雙晶體組成。它 們共用的晶面稱為李生面，兩部分晶體的取向以李生面為鏡 面對(duì)稱，且兩部分晶體取向夾角具有特走的值。硅晶體的李 生面為111M3.2李晶生成原因晶體生長過程中,固液界面處引入固態(tài)小顆粒,成為新的結(jié)晶中心，并不斷長 大形成李晶。此外,機(jī)械振動(dòng)、拉晶速度過快或拉速突變也 可促使李晶的形成。四、體缺陷所謂體缺陷,是指在晶體中三維尺度上出現(xiàn)的周期性排列的紊亂,也就是在較大的 尺寸范圍內(nèi)的晶格排列的不規(guī)則。這些缺陷的區(qū)域基本上可 以和晶體或者晶粒的尺寸相比擬，屬于宏觀的缺陷,較大的 體缺陷可以用肉眼就能夠清晰觀察。體缺陷有很多種類,常見的有包裹體、氣泡、空洞、微 沉淀等。這些缺陷區(qū)域在宏觀上與晶體其他位置的晶格結(jié)構(gòu)、 晶格常數(shù)、材料密度、化學(xué)成分以及物理性質(zhì)有所不同，好 像是在整個(gè)晶體中的獨(dú)立王國。1嵌晶 硅晶體內(nèi)部存在與基體取向不同的小晶體(晶粒)稱為嵌晶。嵌晶可為 單晶或多晶。在一般拉晶工藝下，嵌晶很少見。 2夾雜 物 由外界或多晶引入熔硅中的固態(tài)顆粒，在拉晶時(shí)被夾 帶到晶體中形成第二相稱為夾雜物。應(yīng)用電子探針和掃描電 子顯微