Краткие теоретические сведения

Свойства полупроводниковых приборов зависят как от чистоты используемых материалов, так и от кристаллической структуры и дефектности материалов.

Совершенство структуры реальных кристаллов нарушается присутствием различных дефектов:

- нуль-мерных или точечных дефектов (вакансии, атомы в междоузлиях, сочетание этих дефектов – двойные вакансии, скопления и т. п.);

- одномерных или линейных дефектов (дислокации);

- двухмерных или поверхностных дефектов (границы зерен,

границы двойников, дефекты упаковки, поверхность кристалла);

- трехмерных или объемных дефектов (пустоты, включения второй фазы и т. д.).

Тип и количество дефектов, присутствующих в данном кристалле, зависят от условий кристаллизации. Дислокационные ямки травления могут располагаться на поверхности шлифа равномерно или, образуя макрофигуры, в виде концентрических колец, звезд или иных форм. На основании характера распределения дислокации можно сделать качественные выводы относительно формы фронта кристаллизации (при выращивании монокристаллов) или соотношения осевого и радиального температурных градиентов и т. д. Наличие дефектов структуры в кристаллах может непосредственно отражаться на свойствах p-n-переходов вследствие неоднородности распределения и диффузии леги- рующих примесей в дефектных областях решетки. Для изучения микроструктуры твердых тел в настоящее время широко используются электронная микроскопия, электронография, рентгеноструктурный анализ и металлография. Для проведения микроанализа необходимо приготовить и протравить шлиф. Приготовление шлифа состоит из следующих операций: вырезание из слитка пластины с определенной кристаллографической ориентацией, механическая шлифовка, химическая полировка, химическое селективное травление.

Пластины отрезают от каждого конца слитка толщиной от 1 до 3 мм с кристаллографической ориентацией поверхности (111). Механическую шлифовку для удаления поверхностных не ровностей, царапин и других повреждений, оставшихся после

резки, производят при помощи абразивных порошков карборунда или карбида бора, начиная с крупнозернистых (от 40 до 50 мкм), и последовательно переходят к тонким порошкам (от 10 до 20 мкм). После шлифовки пластину промывают водой и про-

тирают спиртом. Деформированный поверхностный слой кристалла толщиной от 10 до 15 мкм удаляют при помощи химической полировки, например, полирующим травителем для кремния 1 ч HF + 2 ч HNО3, для германия – 25 ч HNО3 + 1 ч HF + 15 ч СН3СООН + 0,3 ч Вr2. Для выявления дислокаций и других дефектов на химически полированной поверхности проводят операцию селективного травления. Снижение температуры травления, а также введение в состав травителей разбавителей (вода, уксусная кислота) и ингибиторов (соли переходных металлов, органические реагенты) способствуют переходу от режима химического полирования к селективному выявлению дефектов на исследуемой поверхности кристалла (селективный травитель для кремния, например,

1 ч НF + 1 ч НСrO4 или 50 ч Сr2O3 + 100 ч Н2О + 50 ч HF и др.). Микроструктурой называют строение материалов, наблюдаемое при увеличении от 50 до 2000 раз и более. Микроструктурный анализ применяют для определения формы и размеров более мелких кристаллических зерен материала. Метод электронной микроскопии чаще всего реализуют с помощью просвечивающей микроскопии, что дает возможность контролировать структуру пленок толщиной до 100 нм при увеличении до 200 000 раз. Использование электронного микроскопа дает возможность различать детали структуры размером от 0,3 до 0,5 нм. Наблюдение структуры пленки возможно благодаря контрасту, который создается из-за неоднородного рассеивания электронов при прохождении сквозь материал пленки. Определение среднего размера кристалликов пленки можно производить путем подсчета их числа в единице площади снимка.При изучении пленок методом электронографии электронный пучок направляют под очень маленьким углом к поверхности, по которой он как бы скользит и отражается от нее. Отраженные электроны образуют дифракционные картины (электронограммы), на основании которых исследуют строение поверхностных слоев. Аморфные пленки на электронограммах создают небольшое число размытых концентрических колец, а поликристаллические пленки образуют много отчетливо видимых концентрических колец. Если часть кольца отсутствует или имеет другую интенсивность, значит такая пленка имеет текстуру, то есть кристаллические зерна имеют предпочтительную ориентацию в одном или нескольких направлениях. По диаметру колец судят о природе атомов, рассеивающих излучение, а по ширине колец – о размерах кристаллических зерен. Метод рентгенографии состоит в изучении картины распределения интенсивности и направления отраженного рентгеновского излучения. Приборы для таких измерений называют рентгеновскими дифрактометрами (типа ДРОН). С помощью этих приборов можно изучать кристаллическую структуру в 10 раз более толстых пленок, чем с помощью электронографии, определять наличие и состав различных кристаллических фаз мате-

риала, исследовать текстуру материалов всех типов. Тип и количество дефектов, в данном кристалле, зависят от условий кристаллизации. Дислокационные ямки травления могут располагаться на поверхности шлифа равномерно или, образуя макрофигуры, в виде концентрических колец, звезд или иных форм. На основании характера распределении дислокации можно сделать качественные выводы относительно формы фронта кристаллизации (при выращивании монокристаллов) или соотношения осевого и радиального температурных градиентов и т. д. Наличие дефектов структуры в кристаллах может непосредственно отражаться на свойствах p-n-переходов вследствие неоднородности распределения и диффузии легирующих примесей в дефектных областях решетки. Для изучения микроструктуры твердых тел в настоящее время широко используются электронная микроскопия, электронография, рентгеноструктурный анализ и металлография. Для проведения микроанализа необходимо приготовить и протравить шлиф. Приготовление шлифа состоит из следующих операций: вырезание из слитка пластины с определенной кристаллографической ориентацией, механическая шлифовка, химическая полировка, химическое селективное травление. Пластины отрезают от каждого конца слитка толщиной от 1до3 мм с кристаллографической ориентацией поверхности (111).Механическую шлифовку для удаления поверхностных неровностей, царапин и других повреждений, оставшихся после резки, производят при помощи абразивных порошков карборунда или карбида бора, начиная с крупнозернистых (от 40 до 50 мкм), и последовательно переходят к тонким порошкам (от 10 до 20 мкм). После шлифовки пластину промывают водой и протирают спиртом. Деформированный поверхностный слой кристалла толщиной от 10 до 15 мкм удаляют при помощи химической полировки, например, полирующим травителем для кремния 1 ч HF + 2 ч HNО3,для германия – 25 ч HNО3 + 1 ч HF + 15 ч СН3СООН + 0,3 ч Вr2.Для выявления дислокаций и других дефектов на химически полированной поверхности проводят операцию селективного травления. Снижение температуры травления, а также введение в состав травителей разбавителей (вода, уксусная кислота) и ингибиторов (соли переходных металлов, органические реагенты) способствуют переходу от режима химического полирования к селективному выявлению дефектов на исследуемой поверхно сти кристалла (селективный травитель для кремния, например, 1 ч НF + 1 ч НСrO4 или 50 ч Сr2O3 + 100 ч Н2О + 50 ч HF и др.). Микроструктурой называют строение материалов, наблюдаемое при увеличении от 50 до 2000 раз и более. Микроструктурный анализ применяют для определения формы и размеров более мелких кристаллических зерен материала. Метод электронной микроскопии чаще всего реализуют с помощью просвечивающей микроскопии, что дает возможность контролировать структуру пленок толщиной до 100 нм при увеличении до 200 000 раз. Использование электронного микроскопа дает возможность различать детали структуры размером от 0,3 до 0,5 нм. Наблюдение структуры пленки возможно благодаря контрасту, который создается из-за неоднородного рассеивания электронов при прохождении сквозь материал пленки. Определение среднего размера кристалликов пленки можно производить путем подсчета их числа в единице площади снимка. При изучении пленок методом электронографии электронный пучок направляют под очень маленьким углом к поверхности, по которой он как бы скользит и отражается от нее. Отраженные электроны образуют дифракционные картины (электронограммы), на основании которых исследуют строение поверхностных слоев. Аморфные пленки на электронограммах создают небольшое число размытых концентрических колец, а поликристаллические пленки образуют много отчетливо видимых концентрических колец. Если часть кольца отсутствует или имеет другую интен- сивность, значит такая пленка имеет текстуру, то есть кристаллические зерна имеют предпочтительную ориентацию в одном нескольких направлениях. По диаметру колец судят о природе атомов, рассеивающих излучение, а по ширине колец – о размерах кристаллических зерен. Метод рентгенографии состоит в изучении картины распре деления интенсивности и направления отраженного рентгеновского излучения. Приборы для таких измерений называют рентгеновскими дифрактометрами (типа ДРОН). С помощью этих приборов можно изучать кристаллическую структуру в 10 раз более толстых пленок, чем с помощью электронографии, определять наличие и состав различных кристаллических фаз материала, исследовать текстуру материалов всех типов.

Рис. 1.1. Наиболее важные кристаллографические плоскости и направления для кубической решетки

Рис. 1.2. Фигуры травления для плоскостей (100), (110), (111)

У кристаллов германия и кремния кристаллографические направления, соответствующие указанным плоскостям, являются предпочтительными при росте монокристаллов в процессе их вытягивания из расплава. В отличие от аморфных тел почти все свойства кристаллических веществ по разным направлениям различны. Поэтому при химическом травлении растворение граней по разным кристаллографическим направлениям происходит с различной скоростью. Когда травление производится в слабом травителе продолжительное время, на гранях кристалла образуются правильные фигуры различной формы, которые получили название фигур травления. Их можно легко наблюдать под микроскопом. В кристаллах с кубической элементарной ячейкой, к которым относятся германий и кремний, для основных кристаллографических плоскостей (111), (100), (110) фигуры травления имеют вид, изображенный на рис. 1.2. Из рис. 1.2 следует, что фигура травления по форме в какой-то степени соответствует сечениям, образованным соответ-

ствующими кристаллографическими плоскостями с элементарной ячейкой. По геометрии фигур травления можно судить об ориентации кристалла, о присутствии тех или иных элементов симметрии, а также о его монокристалличности. В том случае, если образец не

представляет собой монокристалл, в различных местах одной и той же грани фигуры травления будут различными. Точность определения ориентации кристалла методом фигур травления составляет от 2 до 3 градусов.