單晶硅中可能出現(xiàn)的各種缺陷分析

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，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(guò)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們可以通過(guò)電鏡等來(lái)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(zhǎng)的硅單晶，在冷卻過(guò)程中過(guò)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。間隙原子和空位目前尚無(wú)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 　　B、間隙雜質(zhì)點(diǎn)缺陷，如硅晶體中的氧等 　　1.3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(zhǎng)過(guò)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(guò)程中，通過(guò)均質(zhì)成核和異質(zhì)成核機(jī)理形成。 　　2.2微缺陷觀察方法 　　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）。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）。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(zhǎng)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)和小的堆跺層錯(cuò)等構(gòu)成的微缺陷，以及板片狀SiO2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。控制CZ硅單晶中原生缺陷的途徑是選擇合適的晶體生長(zhǎng)參數(shù)和原生晶體的熱歷史。要調(diào)節(jié)的主要生長(zhǎng)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)、冷卻速率等。另外通過(guò)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(zhǎng)過(guò)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<110>方向排列。 　　C、星形結(jié)構(gòu)式由一系列位錯(cuò)排沿<110>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(wú)位錯(cuò)硅晶體的生長(zhǎng) 　　1）縮頸 　　2）調(diào)節(jié)熱場(chǎng)，選擇合理的晶體生長(zhǎng)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(lái)固有的順序，周期性改變，則視為產(chǎn)生了堆跺層錯(cuò)。 　　晶界：是指同種晶體內(nèi)部結(jié)晶方位不同的兩晶格間的界面，或說(shuō)是不同晶粒之間的界面。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度就成了孿晶。 　　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，原生硅單晶中的層錯(cuò)是不多見(jiàn)的。一般認(rèn)為，在單晶生長(zhǎng)過(guò)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(guò)冷度較大，以及機(jī)械振動(dòng)等都可能成為產(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<110>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°，120°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(zhǎng)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OSF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)(bulkstackingfaults)相區(qū)別。通常OSF有兩種：表面的和體內(nèi)的。表面的OSF一般以機(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(zhǎng)時(shí)由生長(zhǎng)參數(shù)(生長(zhǎng)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.孿晶 　　3.1孿晶的構(gòu)成 　　孿晶是由兩部分取向不同，但具有一個(gè)共同晶面的雙晶體組成。它們共用的晶面稱為孿生面，兩部分晶體的取向以孿生面為鏡面對(duì)稱，且兩部分晶體取向夾角具有特定的值。硅晶體的孿生面為{111}面。 　　3.2孿晶生成原因 　　晶體生長(zhǎng)過(guò)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(zhǎng)大形成孿晶。此外，機(jī)械振動(dòng)、拉晶速度過(guò)快或拉速突變也可促使孿晶的形成。 　　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 　　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(jiàn)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(guó)。 　　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，嵌經(jīng)很少見(jiàn)。 　　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 　　稱為夾雜物。應(yīng)用電子探針和掃描電子顯微鏡觀察到直拉或者區(qū)熔硅單晶中，存在α-SiC和β-SiC顆粒，其尺寸由幾個(gè)微米到十幾個(gè)微米。 　　3.孔洞 　　硅單晶中存在的近于圓柱形或球形的空洞。在硅單晶機(jī)械加工時(shí)，硅片上所見(jiàn)到的圓形孔洞，大的孔洞直徑有幾毫米。 　　五、條紋 　　在宏觀上為一系列同心環(huán)狀或螺旋狀的腐蝕圖形，在100倍或者更高放大倍數(shù)下是連續(xù)的表面凹凸?fàn)顥l紋。 　　雜質(zhì)條紋是硅單晶中一種常見(jiàn)的宏觀缺陷，它表征硅單晶中，不同區(qū)域雜質(zhì)濃度存在明顯的差異。 　　1、雜質(zhì)條紋的形態(tài)和特征 　　雜質(zhì)條紋在垂直生長(zhǎng)軸方向的橫斷面上，雜質(zhì)條紋多呈環(huán)狀或條紋狀分布，在平行與生長(zhǎng)軸方向的縱剖面上，雜質(zhì)條紋呈層狀分布。雜質(zhì)條紋的形狀反映了固液前沿形狀。 　　2、雜質(zhì)條紋產(chǎn)生的原因 　　晶體生長(zhǎng)時(shí)，由于種種原因，或引起固液界面附近的溫度發(fā)生微小的變化，由此導(dǎo)致晶體微觀生長(zhǎng)速率的起伏，或者引起雜質(zhì)邊界層厚度起伏，以及小平面效應(yīng)等，均使晶體和熔體之間的雜質(zhì)有效分凝系數(shù)產(chǎn)生波動(dòng)，引起晶體中的雜質(zhì)濃度分布發(fā)生相應(yīng)的變化，從而形成了雜質(zhì)條紋。 　　3、雜質(zhì)條紋的消除與抑制 　　調(diào)整熱場(chǎng)，使之具有良好的軸對(duì)稱性，并使晶體的旋轉(zhuǎn)軸盡量與熱場(chǎng)中心軸同軸，抑制和減弱熔體熱對(duì)流，可以使晶體雜質(zhì)趨于均勻分布。