單晶矽缺陷的分析

單晶矽缺陷的分析
摘要：晶體矽中的雜質或缺陷會顯著地影響各種矽基器件的性能。用常規化學腐蝕法顯示出單晶矽中的缺陷，觀察典型的位錯。通過實驗發現缺陷分布的一般規律：中間尺寸大，密度小，邊緣尺寸小，密度大，驗證缺陷對雜質的吸收。

矽是全球第一產業--電子信息技術產業以及新能源產業--太陽能光伏電池產業的基礎材料[1]。隨著網絡時代的到來，半導體產業將發展到新的高潮。為適應深亞微米、亞四分之一微米甚至納米級集成電路的要求，矽單晶材料在增大直徑的同時，對其結構、電學、化學特征的研究也將日益深入；缺陷控制、雜質行為、雜質與缺陷的相互作用以及提高晶片的表面質量仍將是工藝技術研究的主攻方向。另外，在光伏工業中廣泛采用太陽能電池用單晶矽和鑄造多品矽，在這些材料中存在著高密度的位錯，金屬雜質或晶界等缺陷，而這些缺陷和雜質的交互作用使得太陽能電池的轉換效率顯著下降，因此觀察這些矽材料中缺陷和雜質的交互作用對於采用合適的吸雜工藝提高太陽能電池的轉化效率有著十分重要的作用[2]。

由於缺陷影響矽單晶的質量，對器件也有不良影響，我們不得不研究其性質、行為。但是，在研究過程中遇到越來越多的問題：對於已發現的主要缺陷，其機制研究一直沒有重大突破；消除和控制方法也還處於探索之中；檢測方法、檢測手段也有待進一步的提高[3]。

1實驗
晶體缺陷的實驗觀察方法有許多種，如透射電子顯微鏡、X光貌相技術、紅外顯微鏡及金相腐蝕顯示等方法[4]。由於金相腐蝕顯示技術設備簡單，操作易掌握，又較直觀，是觀察研究晶體缺陷的最常用的方法之一。在本次實驗中，我們就采用金相腐蝕顯示法，通過使用不同的腐蝕液和腐蝕方法顯示單晶矽中各種不同的缺陷蝕坑，然後用金相顯微鏡來觀察、區分和研究各種蝕坑的形態，定量計數比較缺陷密度大小，並用金相顯微攝影儀拍攝各種缺陷的典型照片。

1.1化學腐蝕機理
樣品在進行光學檢測之前，必須經過腐蝕拋光以顯露其缺陷。腐蝕劑的種類繁多，但組分卻不外乎氧化劑，絡合劑和稀釋劑。常用濃HNO3、CrO3溶液或K2Cr2O溶液作氧化劑，氫氟酸(HF)作絡合劑，去離子水或冰醋酸充當稀釋劑。如果氧化成分多，則拋光作用強；如果絡合和稀釋成分多，則有利於作選擇性腐蝕。

通常用的非擇優腐蝕劑的配方為：自腐蝕劑，適用於化學拋光，配方為：HF(40-42％)：HNO3(65％)=1：2.5

通常用的擇優腐蝕劑主要有以下二種：
(1)Sirtl腐蝕液，先用CrO3與去離子水配成標准液，標准液=50gCrO3+100gH2O，然後配成標准液：HF(40-42％)=1：1
(2)Dash腐蝕液，配方為：HF(40·42％)：HNO3(65％)：CH3COOH(99％以上)=1：2.5：10

1.2金相顯微原理
金相顯微鏡是通過觀察不透明物體的反射光來表征物體的表面特征，不同結構和性能的顯微鏡存在較大差異，其中有以Nomarski式差動幹涉反襯顯微鏡為代表的高級型金相顯微鏡。其關鍵部件是用於分離光束的棱鏡，經棱鏡分離後，光束變成極化向互相垂直，中心不重合的兩束光；由此而引入相差，最後經檢偏器後發生幹涉。幹涉圖樣能夠反映試樣的表面是否平整；且不同材料組成的區域，即使有相同的高度和坡度但由於它們對入射波的延遲作用不同，也會產生附加襯度[5]。

1.3圖象數據采集
將觀察到的缺陷圖形通過與顯微鏡相連的計算機數據采集卡讀入計算機，就可以完成晶體缺陷的在線測量，從而大大提高材料檢測的效率。

2實驗結果及分析
2.1不同腐蝕條件下顯示的各種缺陷的比較
在實驗過程中我們拍攝到一些典型的缺陷圖片，主要包括各種形狀的位錯，層錯及微缺陷等。對於位錯來說，不同晶面上的位錯坑的形態不一樣，例如：位錯腐蝕坑的形狀在矽單晶<111>晶面呈正三角形腐蝕坑，(100>晶面上呈正方形，<110>晶面上是矩形(較難顯示)。下面兩幅圖很好的說明了這一點：

而同一晶面在不同的腐蝕劑中腐蝕，位錯坑的形態也不完全一樣；甚至腐蝕長短也影響到位錯坑的形態。比如在非擇優腐蝕劑(如Dash腐蝕劑)情況下矽單晶<111>面位錯坑為圓形的凹坑；在晶向擇優腐蝕劑中矽單晶<111)面位錯呈三角形錐體，這是由於擇優腐蝕劑在晶體中的各個方向的腐蝕速度不同所造成的。如圖4、圖5所示，矽單晶<111>在被不同的腐蝕液腐蝕後顯示出不同的形狀。

2.2缺陷對雜質的吸收
位錯是一種線狀的高應力區，有吸收雜質原子的能力，引起沿位錯線的局部地區雜質濃度增加。這種作用將嚴重影響到器件工藝的控制，並從而影響到器件性能和成品率的提高等。

從以上兩幅圖中可以明顯的看到，缺陷存在的地方，有明顯的金屬色，這是吸收了金屬雜質的緣故。這兩張圖片很好的說明了缺陷對雜質的吸收作用。
2.3缺陷的分布規律
在實驗中拍攝到下面一組圖片

在矽片的邊緣觀察到了大量的缺陷，如圖8，在矽片的中心則觀察到少量的缺陷，如圖9，這反應出了單晶矽缺陷分布的規律，即：中心缺陷的尺寸大，密度少；邊緣缺陷的尺寸小，密度大。

3結論
應用化學腐蝕矽片然後在金相顯微鏡下觀察，可以對矽片的缺陷做有效的觀察。為了得到清晰的圖象，選擇金相放大400倍最為合適。而化學腐蝕劑的選擇應該根據不同的半導體材料及其晶體學屬性而定，其中Dash試劑對矽片各向都有良好的腐蝕效果，在簡單實驗條件下對位錯仍然有良好的腐蝕放大效果。在實驗過程中我們用常規的化學腐蝕法，顯示了單晶矽中的各種典型缺陷，驗證了缺陷對雜質的吸收作用，還發現了缺陷分布的規律性，即：中心缺陷的尺寸大，密度少；邊緣缺陷的尺寸小，密度大。

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