第三章--半导体晶体定向精讲.ppt
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1、第三章第三章 半导体晶体定向半导体晶体定向3.1 半导体晶体取向的表示方法半导体晶体取向的表示方法3.2 光图定向光图定向3.3 X射线定向射线定向一、半导体晶体定向在生产中的应用一、半导体晶体定向在生产中的应用1、生产工艺的要求,晶体的生长方向与晶向之间存在一定、生产工艺的要求,晶体的生长方向与晶向之间存在一定的偏离角度。的偏离角度。2、切籽晶时,要求有一定晶向的偏离度。、切籽晶时,要求有一定晶向的偏离度。(无位错生长无位错生长)3、晶体在制造器件或进行外延时,要求按一定的晶向切片、晶体在制造器件或进行外延时,要求按一定的晶向切片4、制造小器件时,按一定方向进行切片可以减少碎片,提、制造小器
2、件时,按一定方向进行切片可以减少碎片,提高成品率。高成品率。按国家质量技术监督检验检疫总局,半导体单晶晶向测定方法有按国家质量技术监督检验检疫总局,半导体单晶晶向测定方法有两种:两种:(适用于测定半导体单晶材料大致平行于低指数原子面的适用于测定半导体单晶材料大致平行于低指数原子面的表面取向表面取向)(1)X射线衍射定向法射线衍射定向法:该方法可用于所有半导体单晶的定向;:该方法可用于所有半导体单晶的定向;(2)光图定向法光图定向法:该方法目的主要用于单一元素半导体单晶的:该方法目的主要用于单一元素半导体单晶的定向。定向。二、定向方法二、定向方法 1、通过晶体的外观判断晶体的生长方向。、通过晶体
3、的外观判断晶体的生长方向。2、通过解理面或破碎面判断。、通过解理面或破碎面判断。3、通过腐蚀坑的形态判断。、通过腐蚀坑的形态判断。4、通过仪器测量定向、通过仪器测量定向。1、晶体定向(广义)、晶体定向(广义):在晶体上建立一个坐标系,由在晶体上建立一个坐标系,由X,Y,Z 轴组成。轴组成。X,Y,Z 轴也称为晶轴也称为晶轴或结晶主轴。三根晶轴上分别轴或结晶主轴。三根晶轴上分别有轴单位矢量有轴单位矢量a,b,c,还有轴角还有轴角,。晶轴的方向以在原点晶轴的方向以在原点的的前方、右方、上方为正,反之前方、右方、上方为正,反之为负为负。如右图所示。如右图所示。3.1 半导体晶体取向的表示方法半导体晶
4、体取向的表示方法一、晶面指数和晶向指数的确定一、晶面指数和晶向指数的确定七大晶系七大晶系立方立方 三方三方 六方六方 四方四方正交正交 单斜单斜 三斜三斜 对立方体和八面体来说,对立方体和八面体来说,X,Y,Z是对称的,性质相同的,是对称的,性质相同的,所以所以abc,而且,三根晶轴是相互垂直的,所以,而且,三根晶轴是相互垂直的,所以902、晶体定向的作用:、晶体定向的作用:(1)晶体定向后就可以对晶体上所有的面、线等进行标定,)晶体定向后就可以对晶体上所有的面、线等进行标定,给出这些面、线的晶体学方向性符号;给出这些面、线的晶体学方向性符号;(2)晶体定向是研究晶体各种物理性质方向性的基础。
5、)晶体定向是研究晶体各种物理性质方向性的基础。3、晶向指数和晶面指数、晶向指数和晶面指数(1)定义:在晶体中存在着一系列的原子列或原子平面,)定义:在晶体中存在着一系列的原子列或原子平面,晶体中原子组成的平面叫晶体中原子组成的平面叫晶面晶面,原子列表示的方向称原子列表示的方向称为为晶向晶向。为了便于表示各种晶向和晶面,需要确定一种统一的为了便于表示各种晶向和晶面,需要确定一种统一的标号,称为标号,称为晶向指数和晶面指数晶向指数和晶面指数,国际上通用的是密国际上通用的是密勒(勒(Miller)指数。)指数。(2)晶向指数的确定:)晶向指数的确定:(如图(如图3-1-2)图图3-1-2 晶向指数的
6、确定晶向指数的确定在晶胞建立坐标系(在晶胞建立坐标系(确定原点,坐标轴,单位基矢确定原点,坐标轴,单位基矢)过晶胞原点作一直线过晶胞原点作一直线OP,使其平行于待标定的晶向,使其平行于待标定的晶向AB;在直线在直线OP上选取距原点上选取距原点O最近的一个阵点最近的一个阵点P,确定,确定P点的点的坐标值;坐标值;将此值乘以最小公倍数化为最小整数将此值乘以最小公倍数化为最小整数u、v、w,加上方括,加上方括号,号,uvw 即为即为AB晶向的晶向指数。如晶向的晶向指数。如u、v、w中某一数中某一数为负值,则将负号标注在该数的上方。为负值,则将负号标注在该数的上方。晶体中因对称关系而等同的各组晶向可归
7、并为一个晶体中因对称关系而等同的各组晶向可归并为一个晶向族晶向族,用用表示。表示。例例1:已知简单立方结已知简单立方结构中的晶格常数构中的晶格常数a,AA1=BB1=a/3,试确试确定定BA的晶向指数的晶向指数.ZXYoA1AA2BB1P答案:答案:301 例例2 2:如图在立方体中,:如图在立方体中,D是是BC的中点,求的中点,求BE,AD的晶的晶向向指数指数。ABCEDBE的晶的晶向向指数指数:AD的晶的晶向向指数指数:abco(3)晶面指数的确定)晶面指数的确定 建立坐标系建立坐标系,对晶胞作晶轴对晶胞作晶轴X、Y、Z,以晶胞的边长(,以晶胞的边长(a、b、c)作为晶轴上的单位长度;作为
8、晶轴上的单位长度;求出待定晶面在三个晶轴上的截距求出待定晶面在三个晶轴上的截距r、s、t(如该晶面与某如该晶面与某轴平行,则截距为轴平行,则截距为)取这些截距数的倒数取这些截距数的倒数1/r、1/s、1/t。将上述倒数化为最小的简单整数,并加上圆括号,即表将上述倒数化为最小的简单整数,并加上圆括号,即表示该晶面的指数,一般记为示该晶面的指数,一般记为(hkl)在晶体中有些晶面具有共同的特点在晶体中有些晶面具有共同的特点(其上原子排列和分布规律是完全其上原子排列和分布规律是完全相同的,晶面间距也相同相同的,晶面间距也相同)唯一不)唯一不同的是晶面在空间的位向,这样的同的是晶面在空间的位向,这样的
9、一组等同晶面称为一组等同晶面称为一个晶面族一个晶面族,用,用符号符号hkl表示。表示。例例1:如图所示为立方晶系,:如图所示为立方晶系,I和和H分别是分别是BC,EF的中的中点,试求晶面点,试求晶面DOF,ABCD,AIHO的米勒指数。的米勒指数。晶面晶面DOF:晶面晶面ABCD:晶面晶面AIHO:DACOGFEBHI例例2:在立方晶系中画出(:在立方晶系中画出(210)()()晶面。晶面。oXYZ如图所示,立方晶系中的晶面与晶向:如图所示,立方晶系中的晶面与晶向:(指数相同的指数相同的晶面和晶向相互垂直晶面和晶向相互垂直)4、晶面间距与晶面夹角、晶面间距与晶面夹角不同的不同的hkl晶面,其面
10、间距晶面,其面间距(即相邻的两个平行晶面之间的即相邻的两个平行晶面之间的距离距离)各不相同。其特点:各不相同。其特点:低指数的晶面其面间距较大,而低指数的晶面其面间距较大,而高指数面的面间距小。高指数面的面间距小。如图所示:如图所示:正交晶系的面间距公式:正交晶系的面间距公式:简单立方晶系面间距计算式:简单立方晶系面间距计算式:注意:注意:以上对简单晶胞而言;以上对简单晶胞而言;复杂晶胞应考虑层面增加的影响。如,在体心立方或面心复杂晶胞应考虑层面增加的影响。如,在体心立方或面心立方晶胞中间有一层,故实际晶面间距应为立方晶胞中间有一层,故实际晶面间距应为 d001/2。立方晶系,两个晶面(立方晶
11、系,两个晶面(h1k1l1)和(和(h2k2l2)之间的夹之间的夹角:角:各个晶面之间的夹角如书中表格各个晶面之间的夹角如书中表格3-1(p69)5、晶带定理及应用、晶带定理及应用(1)晶带定理:)晶带定理:相交于同一直线相交于同一直线(或平行于同一或平行于同一直线直线)的所有晶面的组合称为的所有晶面的组合称为晶带,该直线称为晶带,该直线称为晶带轴晶带轴,同,同一晶带轴中的所有晶面的共同一晶带轴中的所有晶面的共同特点是,特点是,所有晶面的法线都与所有晶面的法线都与晶带轴垂直晶带轴垂直(如图如图1-23所示所示)。C1C2设有一晶带其晶带轴为设有一晶带其晶带轴为uvw晶向,该晶带中任一晶面为晶向
12、,该晶带中任一晶面为(hkl),则由矢量代数可以证明晶带轴,则由矢量代数可以证明晶带轴uvw与该晶带的任一与该晶带的任一晶面晶面(hkl)之间均具有下列关系:之间均具有下列关系:hu+kv+lw=0这就是晶带定理。凡满足此关系的晶面都属于以这就是晶带定理。凡满足此关系的晶面都属于以uvw为晶为晶带轴的晶带。如图所示带轴的晶带。如图所示属晶带轴属晶带轴001的晶带。的晶带。包括晶面(包括晶面(100)()(010)(110)等晶面)等晶面(2)晶带定理的应用:)晶带定理的应用:a)已知某晶带中任意两个晶面已知某晶带中任意两个晶面(h1k1l1)和和(h2k2l2),则可通过,则可通过下式求出该晶
13、带的晶带轴方向下式求出该晶带的晶带轴方向uvw:u=k1.l2k2.l1 v=l1.h2l2.h1w=h1.k2h2.k1b)已知某晶面同属于两个晶带已知某晶面同属于两个晶带u1v1w1和和u2v2w2,则可通,则可通过下式求出该晶面的晶面指数过下式求出该晶面的晶面指数(hkl):h=v1 w2v2 w1k=w1 u2w2 u1l=u1 v2u2 v1 课后作业:课后作业:1、判断、判断(100)、(、(111)是否属于晶向轴为)是否属于晶向轴为001的的晶带。晶带。2、已知某晶带中任意两个晶面、已知某晶带中任意两个晶面(100)和和(110),计算,计算该晶带的晶带轴方向该晶带的晶带轴方向u
14、vw。3、已知某晶面同属于两个晶带、已知某晶面同属于两个晶带010和和001,计算,计算该晶面的晶面指数该晶面的晶面指数(hkl)。二、晶面的投影表示二、晶面的投影表示1、球面投影、球面投影(立方晶系立方晶系)(1)概念:将立方晶体晶面模型放在参考球中心,对晶体)概念:将立方晶体晶面模型放在参考球中心,对晶体的的每个晶面作法线并和球表面相交于一点每个晶面作法线并和球表面相交于一点,这些交点称为,这些交点称为“极点极点”。所有极点的集合称为晶体的球面投影。所有极点的集合称为晶体的球面投影。晶面与极点晶面与极点成一一对应关系成一一对应关系。如图所示。如图所示立方晶系的立体模型立方晶系的立体模型立方
15、晶系的球面投影立方晶系的球面投影a)过球心的平面与球相交于一过球心的平面与球相交于一大圆,大圆,直径等于参考球的;直径等于参考球的;不过球心的平面与球相交于一不过球心的平面与球相交于一小圆小圆,直径小于参考球直,直径小于参考球直径。径。b)任意两个晶面的任意两个晶面的交角交角等于它们的极点在参考球上的等于它们的极点在参考球上的角角距离距离。c)属于属于同一晶带同一晶带的许多晶面,它们的极点必定位于同一的许多晶面,它们的极点必定位于同一大圆大圆上,晶带轴的上,晶带轴的投影点投影点则在与此大圆成则在与此大圆成90度角的度角的圆上圆上。(2)球面投影的特点)球面投影的特点2、极射赤面投影、极射赤面投
16、影(1)概念:取通过参考球中心的赤道平面为投影面,与参考)概念:取通过参考球中心的赤道平面为投影面,与参考球相交的大圆为边界,此大圆称为球相交的大圆为边界,此大圆称为基圆基圆。再选取参考球的南。再选取参考球的南极或北极作为投影点。假设上半球的某一个晶面的球面投影极或北极作为投影点。假设上半球的某一个晶面的球面投影点与点与S的连线与基圆的交点即为该晶面的极射赤面投影点。的连线与基圆的交点即为该晶面的极射赤面投影点。所有晶面的极射赤面投影点的集合构成整个晶体的极射赤面所有晶面的极射赤面投影点的集合构成整个晶体的极射赤面投影。投影。001SN101O12345(001)的极射赤面投影)的极射赤面投影
17、立方晶系的球面投影立方晶系的球面投影(2)极射赤面投影的特点)极射赤面投影的特点a)参考球上的参考球上的大圆大圆的极射赤面投影为的极射赤面投影为大圆弧大圆弧,它以基圆直径,它以基圆直径的的两个端点为起始点两个端点为起始点;若大圆经过;若大圆经过南北极南北极时为基圆上的一直时为基圆上的一直径;垂直于南北极的大圆(基圆)的极射赤面投影为基圆本径;垂直于南北极的大圆(基圆)的极射赤面投影为基圆本身。身。b)若晶体以若晶体以基圆上下对称基圆上下对称,则上下两半球的极射赤面投影完,则上下两半球的极射赤面投影完全相同。全相同。c)若晶体中若晶体中某主要晶面的极点某主要晶面的极点位于极射赤面投影的位于极射赤
18、面投影的中心中心,则,则得到的极射赤面投影为该晶面的标准投影。如图所示分别为得到的极射赤面投影为该晶面的标准投影。如图所示分别为(110)和()和(111)的标准极射赤面投影:)的标准极射赤面投影:3.2 光图定向法光图定向法1、不同晶向生长的硅单晶,经过择优腐蚀后形成腐蚀小、不同晶向生长的硅单晶,经过择优腐蚀后形成腐蚀小坑,坑壁为原子密排面,且有不同的宏观对称性。坑,坑壁为原子密排面,且有不同的宏观对称性。2、将平行光束入射到晶体表面的腐蚀坑壁上时,再由坑、将平行光束入射到晶体表面的腐蚀坑壁上时,再由坑壁反射到不同的方向上。如果在反射光路上放一个光屏,壁反射到不同的方向上。如果在反射光路上放
19、一个光屏,将会在光屏上得到晶体的光像,此光像与腐蚀坑具有对将会在光屏上得到晶体的光像,此光像与腐蚀坑具有对应的应的宏观对称性宏观对称性。3、通过晶体反射光像的对称性以及光图中心的偏离角,、通过晶体反射光像的对称性以及光图中心的偏离角,来确定晶体的生长方向及晶体的晶向偏离角。来确定晶体的生长方向及晶体的晶向偏离角。如图所示如图所示一、光图定向的基本原理一、光图定向的基本原理图图3-2-1 入射光通过光屏中心孔入射光通过光屏中心孔照射到样品经反射后在光屏上产照射到样品经反射后在光屏上产生的光像生的光像图图 3-2-2 入射光被腐蚀坑底主晶入射光被腐蚀坑底主晶面所反射面所反射A腐蚀坑底面腐蚀面二、测
20、试仪的特点二、测试仪的特点 1、光点定向设备简单,准确度也比较高。、光点定向设备简单,准确度也比较高。2、光源已用激光源直接代替透镜系统,可以获得高亮度和高准、光源已用激光源直接代替透镜系统,可以获得高亮度和高准确度的照明光束。确度的照明光束。三、晶向与光像的关系三、晶向与光像的关系 各晶向生长的晶面得到的光瓣方位和对称性与各晶向生长的晶面得到的光瓣方位和对称性与111在极射在极射投影面的投影点完全一致。投影面的投影点完全一致。1、111晶向生长的硅单晶,晶向生长的硅单晶,如图所示如图所示(1)朝尾端,即()朝尾端,即(111)面光瓣指向晶棱,图)面光瓣指向晶棱,图3-2-3(a)(2)朝籽晶
21、端,即)朝籽晶端,即 面光瓣背向晶棱,图面光瓣背向晶棱,图3-2-3(b)图图3-2-3 硅硅 极射赤面投影上表示光像、晶棱、腐蚀坑关系极射赤面投影上表示光像、晶棱、腐蚀坑关系2、100晶向生长的硅单晶:晶向生长的硅单晶:光图中光瓣的方位与晶棱的位光图中光瓣的方位与晶棱的位置一致,解理坑的四个角的方位与棱线的方位相互成置一致,解理坑的四个角的方位与棱线的方位相互成45度角度角图图3-2-4 硅硅 极射赤面投影上表示光像、晶棱、腐蚀坑关系极射赤面投影上表示光像、晶棱、腐蚀坑关系图图3-2-5 硅硅 极射赤面投影上表示光像、晶棱、腐蚀坑关系极射赤面投影上表示光像、晶棱、腐蚀坑关系3、110晶向生长
22、的硅单晶:晶向生长的硅单晶:光图中光瓣的方位与晶棱的光图中光瓣的方位与晶棱的位置一致位置一致1、晶向偏离度:晶体、晶向偏离度:晶体生长方向偏离晶轴的角生长方向偏离晶轴的角度。(如图所示度。(如图所示角)角)2、晶向偏离度的计算、晶向偏离度的计算:如图所示,则有如图所示,则有 图图3-2-6光图定向仪示意图光图定向仪示意图三、晶向偏离度的计算三、晶向偏离度的计算角调节角调节所以所以因此得因此得四、工艺过程四、工艺过程1、晶向的判定、晶向的判定(1)样品的制备与处理。)样品的制备与处理。(2)光图显示,并判断其所在晶向。)光图显示,并判断其所在晶向。2、晶向偏离度的测定。、晶向偏离度的测定。(1)
23、调整入射光束与样品表面垂直()调整入射光束与样品表面垂直(用平面反射镜用平面反射镜),记记录的角坐标录的角坐标1 1 、1 1 。(2)旋转样品台的垂直、水平两个方向转轴直至反射光中旋转样品台的垂直、水平两个方向转轴直至反射光中心经过光屏中心孔,调节心经过光屏中心孔,调节、角,并记录角坐标角,并记录角坐标2 2、2 2 ,则有,则有=2 2-1 1,=2 2-1 1 。(3)3)计算计算晶向偏离度晶向偏离度cos=cos.cos 2=2 2+2 2(偏离度偏离度5度度时)一、一、X射线的性质与应用射线的性质与应用X射线由伦琴(射线由伦琴(roentgen)1895年在发现,因此也叫伦琴射年在发
24、现,因此也叫伦琴射线。与可见光比较,它的波长很短,约在线。与可见光比较,它的波长很短,约在0.01100之之间,介于紫外介于紫外线和和射射线之之间,是一种不可,是一种不可见的光的光线。如。如图3-1所所示。示。图图3-3-1 电磁波的分布电磁波的分布3.3 x射线衍射定向法射线衍射定向法1、穿透力强、穿透力强 X射线因其波长短,能量大,照在物质上时,仅一部分被物射线因其波长短,能量大,照在物质上时,仅一部分被物质所吸收,大部分经由原子间隙而透过,表现出很强的穿透质所吸收,大部分经由原子间隙而透过,表现出很强的穿透能力。用于能力。用于医疗诊断和工业材料的检测医疗诊断和工业材料的检测。2、干涉、干
25、涉、衍射衍射、反射、折射作用、反射、折射作用 这些作用在这些作用在X射线显微镜、波长测定和物质结构分析中都得射线显微镜、波长测定和物质结构分析中都得到应用到应用。3、感光作用、感光作用 X射线同可见光一样射线同可见光一样能使胶片感光能使胶片感光。胶片感光的强弱与。胶片感光的强弱与X射线射线量成正比,当量成正比,当X射线通过人体时,因人体各组织的密度不同,射线通过人体时,因人体各组织的密度不同,对对X射线量的吸收不同,胶片上所获得的感光度不同,从而射线量的吸收不同,胶片上所获得的感光度不同,从而获得获得X射线的影像。射线的影像。如图如图3-3-2所示所示图图3-3-2 x射线图像射线图像4、荧光
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