单晶硅中可能出现的各种缺陷

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1、单晶硅中可能出现的各种缺陷之蔡仲巾千创作缺陷，是对于晶体的周期性对称的破坏，使得实际的晶体 偏离了理想晶体的晶体结构。在各种缺陷之中，有着多种分类方式， 如果依照缺陷的维度，可以分为以下几种缺陷：点缺陷：在晶体学中，点缺陷是指在三维尺度上都很小的，不超出几个原子直径 的缺陷。其在三维尺寸均很小，只在某些位置发生，只影响邻近几 个原子，有被称为零维缺陷。线缺陷：线缺陷指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，也就是位错。我们可以通过电镜等来对 其进行观测。面缺陷：面缺陷经常发生在两个分歧相的界面上，或者同一晶体内部分歧晶畴之间。界面两边都是周期排列点阵结 构，而在界面处则出现了格点的错位。我们可以用

2、光学显微镜观察 面缺陷。体缺陷：所谓体缺陷，是指在晶体中较大的尺寸范围内的晶格排列的不规则，比方包裹体、气泡、空洞等。一、点缺陷点缺陷包含空位、间隙原子和微缺陷等。1、空位、间隙原子点缺陷包含热点缺陷（本征点缺陷）和杂质点缺陷（非本征点缺陷）。1.1热点缺陷其中热点缺陷有两种基本形式：弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷。单晶中空位和间隙原子 在热平衡时的浓度与温度有关。温度愈高，平衡浓度愈大。高温生 长的硅单晶，在冷却过程中过饱和的间隙原子和空位要消失，其消 失的途径是：空位和间隙原子相遇使复合消失；扩散到晶体概况消 失；或扩散到位错区消失并引起位错攀移。间隙原子和空位目前尚 无法观察。1.2杂质点缺陷

3、 A、替位杂质点缺陷，如硅晶体中的磷、硼、碳等杂质原子 B、间隙杂质点缺陷，如硅晶体中的氧等 1.3点缺陷之间相互作用 一个空位和一个间隙原 子结合使空位和间隙原子同时湮灭（复合），两个空位形成双空位 或空位团，间隙原子聚成团，热点缺陷和杂质点缺陷相互作用形成 复杂的点缺陷复合体等。2、微缺陷 2.1发生原因 如果晶体生长过程中冷却速度较快，饱和热点缺陷聚集或者他们与杂 质的络合物凝聚而成间隙型位错环、位错环团及层错等。Cz硅单 晶中的微缺陷，多数是各种形态的氧化物沉淀，它们是氧和碳等杂 质，在晶体冷却过程中，通过均质成核和异质成核机理形成。2.2微缺陷观察方法1）择优化学腐蚀：择优化学腐蚀后

4、在横断面上呈均匀分布或组成各种形态的宏观漩涡花纹（漩涡缺 陷）。宏观上，为一系列同心环或螺旋状的腐蚀图形，在显微镜下 微缺陷的微观腐蚀形态为浅底腐蚀坑或腐蚀小丘（蝶形蚀坑）。在 硅单晶的纵剖面上，微缺陷通常呈层状分布。2）热氧化处理:由于CZ硅单晶中的微缺陷，其应力场太小，往往需热氧化处理， 使微缺陷缀饰长大或转化为氧化层错或小位错环后，才可用择优腐 蚀方法显示。3）扫描电子显微技术，X射线形貌技术，红外显微技术等方法。2.3微缺陷结构直拉单晶中微缺陷比较复杂。TEM观察到在原生直拉硅单晶中，存在着间隙位错环，位错 团和小的堆跺层错等构成的微缺陷，以及板片状SiO2沉积物，退 火Cz硅单晶中的

5、微缺陷为体层错、氧沉淀物及沉淀物-位错-络合 物等。Cz硅中的原生缺陷分别是根据分歧的丈量方法而命名，有三种：1.使用激光散射层析摄影仪检测到的红外(IR)散射中心(LSTD) ； 2.经一号清洗液腐蚀后，在激光颗粒计数器下检测为微小 颗粒的缺陷(COP)；3.流型缺陷(FPD)，它是在 Secco腐蚀液择 优腐蚀后，用光学显微镜观察到的形如楔形或抛物线形的流动图样 的缺陷，在其端部存在有很小的腐蚀坑。控制CZ硅单晶中原生缺 陷的途径是选择合适的晶体生长参数和原生晶体的热历史。要调节 的主要生长参数是拉速、固液界面的轴向温度梯度G(r)(含合适的 v/G(r)比值)、冷却速率等。另外通过适宜的

6、退火处理可减少或消 除原生缺陷。二、线缺陷 位错：包含螺位错和刃位错1、发生原因1)籽晶中位错的延伸；2)晶体生长过程中，固液界面附近落入不溶固态颗粒，引入位错；3)温度梯度较大，在晶体中发生较大的热应力时，更容易发生位错并增殖。2、位错形态及分布1)择优化学腐蚀：位错蚀坑在100面上呈方形，但其形态还与位错线走向、晶向偏离度、腐蚀剂种类、腐蚀 时间、腐蚀液的温度等因素有关。硅单晶横断面位错蚀坑的宏观分 布可能组态： A、位错均匀分布 B、位错排是位错蚀坑的某 一边排列在一条直线上的一种位错组态，它是硅单晶在应力作用 下，位错滑移、增殖和堆积的结果。位错排沿方向排列。C、星形结构式由一系列位错

7、排沿方向密集排列而成的。在100面上， 星形结构呈井字形组态。2)红外显微镜和X射线形貌技术3、无位错硅晶体的生长1)缩颈 2)调节热场，选择合理的晶体生长参数，维持稳定的固液界面形状3)防止不溶固态颗粒落入固液界面三、面缺陷面缺陷主要有同种晶体内的晶界，小角晶界，层错，以及异种晶体间的相界等。平移界面：晶格中的一部分沿着某一面网相对于另一部分滑动（平移）。堆跺层错：晶体结构中周期性的互相平行的堆跺层有其固有的顺序。 如果堆跺层偏离了原来固有的顺序，周期性改变，则视为发生了堆 跺层错。晶界：是指同种晶体内部结晶方位分歧的两晶格间的界面，或说是分歧晶粒之间的界面。按结晶方位差别的大小可将晶 界分

8、为小角晶界和大角晶界等。小角晶界一般指的是两晶格间结晶 方位差小于10度的晶界。偏离角度大于10度就成了挛晶。 相 界：结构或化学成分分歧的晶粒间的界面称为相界。1、小角晶界：硅晶体中相邻区域取向不同在几分之一秒到一分（弧度）的晶粒间界称为小角度晶界。在100面上，位错蚀坑则以角顶底 方式直线排列。2、层错：指晶体内原子平面的堆垛次序错乱形成的。硅单晶的层错面为111面。2.1层错发生原因:在目前工艺条件下，原生硅单晶中的层错是未几见的。一般认为， 在单晶生长过程中，固态颗粒进入固液界面，单晶体内存在较大热 应力，固液界面附近熔体过冷度较大，以及机械振动等都可能成为 发生层错的原因。2.2层错

9、的腐蚀形态应用化学腐蚀方法显示硅单晶中的层错时，有时可以观察到沿方向腐蚀沟槽，它是层 错面与观察概况的交线。在111面上，层错线互相平行或成60o, 120o分布，100面上的层错线互相平行或者垂直，在层错线两端 为偏位错蚀坑。层错可以贯穿到晶体概况，也可以终止于晶体内的半位错或晶粒间界处。2.3氧化诱生层错形成的根来源根基因：热氧化时硅二氧化硅界面处发生自间隙硅原子，这些自间隙硅原子扩散至张应力或晶格缺陷(成核中心)处而形成OSF并 长大。一般认为，OSF主要成核十硅片概况的机械损伤处、金属沾 污严重处，其它诸如概况或体内的旋涡缺陷、氧沉淀也是OSF的成 核中心它与外延层错相区别也与由体内应

10、力引起的体层错 (bulkstackingfaults)相区别。通常OSF有两种：概况的和体内的。 概况的OSF 一般以机械损伤，金属沽污、微缺陷(如氧沉淀等)在概 况的显露处等作为成核中心；体内的B-OSF(BulkOSF)则一般成核 于氧沉淀。20世纪70年代末，研究者发现硅晶体中的OSF经常呈环欲分布特征(ring-OSF)后人的研究标明，这与晶体生长时由 生长参数(生长速度、固液界面处的温度梯度)决定的点缺陷的径向 分布相关联由干空位和自间隙的相互作用，进而引起氧的异常沉 淀，从而引发OSF。3挛晶 3.1挛晶的构成 挛晶是由两部分取向分歧，但具有一个共同晶面的双晶体组成。它们共用的

11、晶面称为挛生面，两部分晶体的取向以挛生面为镜面对称，且两部 分晶体取向夹角具有特定的值。硅晶体的挛生面为111面。3.2挛晶生成原因 晶体生长过程中，固液界面处引入固态小颗 粒，成为新的结晶中心，其实不竭长大形成挛晶。此外，机械振动、 拉晶速度过快或拉速突变也可促使挛晶的形成。四、体缺陷 所 谓体缺陷，是指在晶体中三维尺度上出现的周期性排列的紊乱，也 就是在较大的尺寸范围内的晶格排列的不规则。这些缺陷的区域基 本上可以和晶体或者晶粒的尺寸相比较，属于宏观的缺陷，较大的 体缺陷可以用肉眼就能够清晰观察。体缺陷有很多种类，罕见的有包裹体、气泡、空洞、微沉淀等。 这些缺陷区域在宏观上与晶体其他位置的

12、晶格结构、晶格常数、资 料密度、化学成分以及物理性质有所分歧，好像是在整个晶体中的 独立王国。1嵌晶硅晶体内部存在与基体取向分歧的小晶体（晶粒）称为嵌晶。嵌晶可为单晶或多晶。在一般拉晶工艺下， 嵌晶很少见。2夹杂物由外界或多晶引入熔硅中的固态颗粒，在拉晶时被夹带到晶体中形成第二相称为夹杂物。应用电子探 针和扫描电子显微镜观察到直拉或者区熔硅单晶中，存在a-SiC 和& -SiC颗粒，其尺寸由几个微米到十几个微米。3孔洞硅单晶中存在的近于圆柱形或球形的空洞。在硅单晶机械加工时， 硅片上所见到的圆形孔洞，大的孔洞直径有几毫米。五、条纹在宏观上为一系列同心环状或螺旋状的腐蚀图形，在100倍或者更高 放大倍数下是连续的概况凹凸状条纹。