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芯片制造理论基础：半导体单晶激光定向

半导体单晶激光定向

目前，半导体的研究和生产所用的材料仍以硅、锗及化合物半导

体为主。它们的结构主

要是金刚石，闪锌矿和纤维矿结构。晶体的鲜明的特点是各个方

向性质不同。即具有各向异

性的特点。在不同的晶轴方向，它们的物理性能，化学性能差别

非常大。例如：晶面的法向

生长速度，腐蚀速度。杂质的扩散速度，氧化速度，以及晶面的

解理特性等等，都由于晶体

的取向不同而不同。况且在科研和生产中，由于我们制造的器件

使用目的不同。往往也要求

我们所用基片的半导体材料的晶向不同。所以我们需首先对晶轴

进行定向。

测定晶体取向有解理法，X射线劳埃法，X射线衍射法和光学反射

图象法等多种方法。

其中光学反射图象法是目前生产中广泛使用的方法。这个方法较

为简便，能直接进行观测，

而且在测定低指数晶面时精确度相当好。

本实验的目的，就是要了解光学反射图象法测定单晶晶面的原理，

通过使用激光定向仪

掌握测定硅单晶的（111），（100）晶面的定向技术。

【实验原理】

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，

单晶的外表将规律的分布着生长棱线。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于

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度快，垂直生长速度慢。原于密度比较

大的晶切方向上原子间相互联合的键力较强，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，面，面

上的原子间距较小，在面横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｛11l｝晶面是生长速度最慢的原子密排面；晶

体的棱边就是这些｛111｝晶面的交线。由上所述，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

任意连接二棱，将连线向另一棱线方向偏54垂直切下，°44切面即向

当的预处理工艺处理，在金相显微镜下会观察到许多腐蚀坑，即所谓

晶相腐蚀｝面，它们与生长围成。四角截晶面与＜110＞方向的为

{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（a），l（b）所示。

2．光学定

单晶表面经适坑（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。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｛1ll｝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，使得反射光象较弱，图

象不清晰，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。经过腐蚀处理的晶面，不但形状完整，且具有光

泽。当一束细而强的平行光垂直人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相。因为激光束的直径约一毫米左右，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

光相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，经研磨腐和腐蚀处理后，在金向

显微镜下会看到许多如图2（a）所示的三角坑，它实际上是由三个

｛111｝晶面作为侧