第二章化学腐蚀法检测晶体缺陷案例
HNO3 3H NO 2H2O 3 p
总反应：
3Si 4HNO3 18HF 3H2 SiF6 4NO 8H2O
无氧化剂时，发生析氢反应，反应速度较慢 正极：
2H 2e H 2
注：用CrO3或铬酸加在HF中也可以提高腐蚀速度
（2）在NaOH和KOH溶液电解质溶液中的腐蚀 负极：
1、空位：晶体中的原子由于热运动或辐射离开平衡位置跑 到晶格的空隙中或晶体的表面，原来的位置又没被其他的 原子占据而留下的空位。如图所示：
图 2-3-1 空位缺陷
空位存在的形式： 1）晶体由在冷却到室温的过程中，空位来不及扩散直接被 “冻结”在体内。 2）与杂质原子形成络合体。 3）在位错附近消失引起位错的攀移。 4）形成双空位，凝聚成团而塌蹦形成位错圈。
3、半导体晶体的电化学腐蚀机理:
利用半导体晶体在各种酸或碱性电解质溶液中，表面构成了 微电池，由于微电池的电化学作用使晶体表面受到腐蚀，其 实质是一种氧化还原反应。
（1）在HNO3和HF溶液电解质溶液中的腐蚀 负极：
Si 2 H 2O 2 p SiO2 4 H 2e SiO2 6 HF H 2 SiF6 2 H 2O
2、晶体缺陷的显示
（1）通过择优腐蚀，得到各种形状的缺陷腐蚀坑。如图所 示位错缺陷的显示：
图2-2-5 （111）晶面的位错腐蚀坑
（2）单晶前沿的显示：掺杂半导体的杂质分凝作 用引起的电阻率条纹。如图所示：
图2-2-6 单晶硅的生长前沿
3、抛光腐蚀 缺陷腐蚀前的前工序，有利于缺陷的更好的显示。 作用：除去切割等工序产生的机械损伤，将表面抛光成镜面 一般情况下抛光腐蚀速度大于缺陷腐蚀的速度 抛光腐蚀和缺陷腐蚀的判断：通过速度的大小关系判断，如 图所示：
2.2 半导体单晶硅的缺陷
半导体晶体缺陷的分类：
1、微观缺陷（点缺陷、位错、层错、微缺陷等）
2、宏观缺陷（双晶、星型结构、杂质析出、漩 涡结构等） 3、晶格的点阵应变和表面机械损伤
一、 微观缺陷
（一）点缺陷 点缺陷的概念：由于晶体中空位、填隙原子及杂质 原子的存在，引起晶格周期性的破坏，发生在一个 或几个晶格常数的限度范围内，这类缺陷统称为点 缺陷。 按其对理想晶格的偏离的几何位置及成分来划分： 空位、填隙原子、外来杂质原子和复合体（络合体） 等。
图 2-3-9 准刃位错
4、位错中柏格斯矢量的判断：如图所示，利用右手螺旋定则 沿基矢走，形成一个闭合回路，所有矢量的和即为柏格斯矢 量。
图 2-3-10 柏格斯矢量
5、位错的运动（滑移与攀移）
（1）位错的滑移：指位错线在滑移面沿滑移方向运动。其 特点：位错线运动方向与柏格斯矢量平行。如图所示：
（2）位错的攀移：位错线垂直于滑移向量的运动，他是由 于在一定温度下，晶体中存在空位和填隙原子，在热运动的 作用下，移动位错线，引起半平面的变大或变小。分为正攀 移和负攀移。
a)正攀移：由于吸收空位而使位错向上攀移,半原子平面缩短.
b）负攀移:吸收填隙原子，位错向下攀移，半原子平面扩大。 如图所示：
图 2-3-7 混合位错
位错环的特点： 一根位错线不能终止于晶体内部，而只能露头于晶体表
面（包括晶界）。若它终止于晶体内部，则必与其他位错 线相连接，或在晶体内部形成封闭线。形成封闭线的位错 称为位错环（位错的一种增殖机制），如图所示。
图 2-3-8
位错环
硅单晶的准刃型位错：在金刚石结构中一种位错线与柏格斯 矢量成60度角的位错，具有刃型位错的特点，因此成为准刃 型位错。如图所示：
而许多空位聚集成团，当它蹋蹦时形成位错圈时，可以 用化学腐蚀法或透射电子显微镜观察。
2、填隙原子（自间隙原子）：晶体中的原子由于热运动或 辐射离开平衡位置跑到晶格的空隙中，这样的原子称为填隙 原子。如图所示：
图 2-3-2 弗仑克尔缺陷
填隙原子存在的方式： （1）与空位结合而消失。 （2）聚集成团形成间隙性位错圈。 （3）在生长界面附近凝聚形成微缺陷。
三、腐蚀在半导体中的应用
1、半导体材料、器具等的清洗
常用的清洗剂：各种无机酸、氧化剂和络合剂等。
（1）盐酸、硝酸：利用其强酸性去除金属杂质；
（2）浓硫酸：利用碳化作用去除有机杂质；重铬酸 钾和浓硫酸可以去除玻璃、金属等各种器皿表面的杂 质； （3）络合物：与金属杂质反应生成可溶性化合物； （4）双氧水和氨水：可以去除有机颗粒和部分的金 属离子
检测方法 晶体缺陷的实验观察方法有许多种，如透射电子显 微镜、X光貌相技术、红外显微镜及金相腐蚀显示 （电化学腐蚀法）等方法。
电化学腐蚀法的特点： （1）设备简单，操作易掌握，较直观，是观察研 究晶体缺陷的最常用的方法之一。 （2）可以揭示缺陷的类型、数量和分布情况，找 出缺陷形成、增殖和晶体制备工艺及器件工艺的关 系，为改进工艺，减少缺陷、提高器件合格率和改 善器件性能提供线索。
4、化学减薄 （1）往样品中央喷射抛光液以形成空洞，用于透 射电子显微镜来观察空洞周围的薄化区。（2）也 可以去除机械损伤,减少和消除热氧化缺陷。
图2-2-7 腐蚀坑形成的三个速度
当 Vc»Vs>Vd 时，为抛光腐蚀 当 Vc«Vd<Vs时，为缺陷腐蚀
四、半导体硅的常用腐蚀剂
1、腐蚀剂中各液体成分的浓度大致： HF HNO3 H2O2 HCl HAc 49% 70% 30% 36% 99%以上
第2章 化学腐蚀法检测晶体缺陷
2.1 半导体晶体的电化学腐蚀机理及常用 腐蚀剂 2.2 半导体单晶体的缺陷 2.3 硅单晶位错的检测 2.4 单晶硅中漩涡缺陷的检测 2.5 化学工艺中的安全知识 2.6 金相显微镜简介
缺陷检测的意义： 硅单晶中的各种缺陷对器件的性能有很大的影响， 它会造成扩散结面不平整，使晶体管中出现管道， 引起p-n 结的反向漏电流增大等。 而各种缺陷的产生种类和数量的多少与晶体制备工 艺和器件工艺有关。
3、杂质原子（外来原子）：由外来原子进入晶体而产生的 缺陷。杂质原子又分为填隙式和替位式原子。如图所示：
图 2-3-3 外来杂质原子
硅中的杂质氧、碳以及重金属都可能以两种方式存在，并与 硅结合成键，如氧与硅形成Si-O-Si键。
4、络合体 杂质原子与空位相结合形成的复合体。 如：空位-磷原子对（E中心） 空位-氧原子对 （A中心） 这些络合体具有电活性，因此会影响半导体的载流 子浓度。
2.1 半导体晶体的电化学腐蚀机理及常用腐蚀剂
一、电化学腐蚀机理
1、化学腐蚀：指金属或半导体材料与接触到的物质直接发 生化学反应引起的腐蚀。这类腐蚀不普遍、只有在特殊条 件下发生。 以硅为例，经常在高温1200℃，用HCl进行硅 表面气相腐蚀。反应如下
1200℃
Si+4HCl
SiCl4+2H2
2、硅单晶的几种典型的腐蚀液 （1）通常用的抛光（非择优）腐蚀剂的配方为： HF:HNO3=1:2.5 （2） Sirtl(希尔） HF溶液+33%CrO3水溶液，根 据配比不同可以配制不同速度的腐蚀液。
先用CrO3与去离子水配成标准液： 标准液＝50g CrO3+100g H2O 然后配成下列几种腐蚀液： A. 标准液：HF=2:1(慢速液) （用于（100）晶面择优腐蚀） B. 标准液：HF=3:2(中速液) C. 标准液：HF=1:1(快速液) （ 用于（111）晶面择优腐蚀） D. 标准液：HF=1:2(快速液) （3）Dash（达希）腐蚀液 Dash腐蚀液的配方为： HF:HNO3:CH3COOH＝1:3:8 用于多个晶面腐蚀
正极：
Si 6OH SiO3 3H2O 4e
2H 2e H 2
2
总反应：
3 3H2O 2H2
添加中性或碱性氧化剂可以提高其腐蚀速度，如
H 2O2 NaClO
二、影响半导体单晶电化学腐蚀速度的各种因素
如：美国RCA超声波清洗剂（硅片清洗）
（1）SC-1：主要由NH4OH、H2O2、H2O组成，简称APM， 浓度比例1:1:5～1:2:7，清洗温度一般为70-80℃，PH值较 高。 作用：去除硅片表面微粒、有机物颗粒和部分金属杂质 （Fe、Zn、Cu、Cr、Ag等） （2）SC-2：主要由HCl、 H2O2、H2O组成，简称HPM，浓 度比例1:1:5～1:2:8，清洗温度一般为70-80℃，PH较低。 作用：去除碱金属离子、Cu、Au等残余金属、Al(OH) 3、 Fe(OH)3、Zn(OH) 2等氧化物。
图 2-3-11 位错的滑移
硅单晶的滑移体系：{111}晶面和<110>晶向族 滑移方向：取原子距离最小的晶列方向，对于硅而言，<110> 晶向族的距离最小，因此为位错的滑移方向。共有12个方向， 如图所示:
滑移面：滑移面一般取面密度大，面间距大的晶面，硅晶 体的滑移面为{111}晶面族，所示如图：
3、缓冲剂的作用： 弱酸或弱碱，H+或OH - 不能完全电离， 降低了其浓度，因此正、负极反应速度变慢。 4、温度和搅拌的速度 1）温度高腐蚀速度快。 2）搅拌可以提高腐蚀速度、改变腐蚀的择优性。 择优性：指晶体的某些晶面优先受到腐蚀，而某些晶面不 容易受到腐蚀而成为裸露面。 5、光照的影响：光照的作用产生电子-空穴对，加大了为电 池的作用。
2、电化学腐蚀：指金属或半导体材料在电解质溶液中受到 的腐蚀，也是指由于形成了原电池而发生电化学作用引起 的腐蚀。如图2-1-1： 负极
第二章 化学腐蚀法检测晶体缺陷
而许多空位聚集成团，当它蹋蹦时形成位错圈时，可以 用化学腐蚀法或透射电子显微镜观察。
2、填隙原子（自间隙原子）：晶体中的原子由于热运动或 辐射离开平衡位置跑到晶格的空隙中，这样的原子称为填隙 原子。如图所示：
图 2-3-2 弗仑克尔缺陷
填隙原子存在的方式： （1）与空位结合而消失。 （2）聚集成团形成间隙性位错圈。 （3）在生长界面附近凝聚形成微缺陷。
图 2-3-12 位错的攀移
6、位错的显示：通过化学腐蚀法显示晶体的位错，不同的 晶面上缺陷的腐蚀坑不同。如图所示：
（111）晶面
（110）晶面 图 2-3-12 刃位错的腐蚀坑图 像
3、半导体晶体的电化学腐蚀机理:
利用半导体晶体在各种酸或碱性电解质溶液中，表面构成了 微电池，由于微电池的电化学作用使晶体表面受到腐蚀，其 实质是一种氧化还原反应。
（1）在HNO3和HF溶液电解质溶液中的腐蚀 负极：
Si 2 H 2O 2 p SiO2 4 H 2e SiO2 6 HF H 2 SiF6 2 H 2O
正极：
HNO3 3H NO 2H2O 3 p
总反应：
3Si 4HNO3 18HF 3H2 SiF6 4NO 8H2O
无氧化剂时，发生析氢反应，反应速度较慢 正极：
2H 2e H 2
注：用CrO3或铬酸加在HF中也可以提高腐蚀速度
（2）在NaOH和KOH溶液电解质溶液中的腐蚀 负极：
第2章 化学腐蚀法检测晶体缺陷
2.1 半导体晶体的电化学腐蚀机理及常用 腐蚀剂 2.2 半导体单晶体的缺陷 2.3 硅单晶位错的检测 2.4 单晶硅中漩涡缺陷的检测 2.5 化学工艺中的安全知识 2.6 金相显微镜简介
《晶体缺陷》课件
热稳定性
晶体缺陷可能影响材料在高温下的稳 定性，降低其使用温度范围。
比热容
晶体缺陷可能影响比热容，改变材料 吸收和释放热量的能力。
光学性能的影响
折射率与双折射
光吸收与散射
晶体缺陷可能导致折射率变化和双折射现 象，影响光学性能。
晶体缺陷可能导致光吸收增强或光散射增 加，改变光学透射和反射特性。
荧光与磷光
热电效应
某些晶体缺陷可能导致热电效应增强，影响 热电转换效率。
介电常数
晶体缺陷可能影响介电常数，改变电场分布 和电容。
电阻温度系数
晶体缺陷可能影响电阻温度系数，改变温度 对电阻的影响。
热学性能的影响
热导率变化
晶体缺陷可能降低材料的热导率，影 响热量传递和散热性能。
热膨胀系数
晶体缺陷可能影响热膨胀系数，影响 材料在温度变化下的尺寸稳定性。
。
韧性下降
晶体缺陷可能导致材料韧性下 降，使其在受到外力时更容易
脆裂。
疲劳性能
晶体缺陷可能影响材料的疲劳 性能，降低其循环载荷承受能
力。
强度与延展性
晶体缺陷可能影响材料的强度 和延展性，从而影响其承载能
力和塑性变形能力。
电学性能的影响
导电性变化
晶体缺陷可能改变材料的导电性，影响其在 电子设备中的应用。
传感器
基于晶体缺陷的原理，可以设计新型传感器，如压力传感 器、温度传感器和气体传感器等，以提高传感器的灵敏度 和稳定性。
在新能源领域中的应用
太阳能电池
在太阳能电池中，可以利用晶体 缺陷来提高光吸收效率和载流子 的收集效率，从而提高太阳能电
池的光电转换效率。
燃料电池
在燃料电池中，可以利用晶体缺陷 来改善电极的催化活性和耐久性， 从而提高燃料电池的性能和稳定性 。
晶体缺陷
第二章晶体缺陷固体在热力学上最稳定的状态是处于0K温度时的完整晶体状态，此时，其内部能量最低。
晶体中的原子按理想的晶格点阵排列。
实际的真实晶体中，在高于0K的任何温度下，都或多或少的存在着对理想晶体结构的偏离，即存在着结构缺陷。
结构缺陷的存在及其运动规律，对固体的一系列性质和性能有着密切的关系，尤其是新型陶瓷性能的调节和应用功能的开发常常取决于对晶体缺陷类型和缺陷浓度的控制，因此掌握晶体缺陷的知识是掌握材料科学的基础。
晶体缺陷从形成的几何形态上可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。
其中点缺陷按形成原因又可分为热缺陷、组成缺陷（固溶体）和非化学计量化合物缺陷，点缺陷对材料的动力性质具有重要影响。
本章对点缺陷进行重点研究，对线缺陷的类型和基本运动规律进行简要的介绍，面缺陷的内容放在表面和界面一章中讲解。
第一节热缺陷一.热缺陷定义当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格内原子热振动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的缺陷。
由于质点热运动产生的缺陷称为热缺陷。
二.热缺陷产生的原因当温度高于绝对温度时，晶格中原子热振动，温度是原子平均动能的度量，部分原子的能量较高，大于周围质点的约束力时就可离开其平衡位置，形成缺陷。
三.热缺陷的基本类型1.肖特基缺陷如果表面正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置但并未离开晶体，仅迁移到晶体表面外新表面的一个位置上，在原表面格点上留下空位。
原子的迁移相当于空位的反向迁移，表面的空位移至晶体的内部。
显然，在产生肖特基缺陷晶体会增大体积。
为了维持晶体的电中性，正、负离子空位同时按化学式关系成比例产生。
2.弗伦克尔缺陷晶格热振动时，一些原子离开平衡位置后挤到晶格的间隙位置中形成间隙原子，而原来的结点形成空位。
此过程中，间隙原子与空位成对产生，晶体体积不发生变化。
四 .缺陷化学 1.缺陷表示方法在克劳格.明克符号系统中，用一个主要符号来表明缺陷的种类，用一个下标来表示缺陷的位置，缺陷的有效电荷在符号的上标表示，如“·”表示正电，“’”表示负电，“×”表示中性。
硅单晶中晶体缺陷的腐蚀显示
硅单晶中晶体缺陷的腐蚀显示实验安排：4人/组时间：两小时地点：北方工业大学第三教学楼2403房间实验所用主要设备：金相显微镜一、实验目的硅单晶中的各种缺陷对器件的性能有很大的影响，它会造成扩散结面不平整，使晶体管中出现管道，引起p-n 结的反向漏电增大等。
各种缺陷的产生和数量的多少与晶体制备工艺和器件工艺有关。
晶体缺陷的实验观察方法有许多种，如透射电子显微镜、X光貌相技术、红外显微镜及金相腐蚀显示等方法。
对表面缺陷也可以用扫描电子显微镜来观察。
由于金相腐蚀显示技术设备简单，操作易掌握，又较直观，是观察研究晶体缺陷的最常用的方法之一。
金相腐蚀显示可以揭示缺陷的数量和分布情况，找出缺陷形成、增殖和晶体制备工艺及器件工艺的关系，为改进工艺，减少缺陷、提高器件合格率和改善器件性能提供线索。
二、原理硅单晶属金刚石结构，在实际的硅单晶中不可能整块晶体中原子完全按金刚石结构整齐排列，总又某些局部区域点阵排列的规律性被破坏，则该区域就称为晶体缺陷。
硅单晶中的缺陷主要有点缺陷、线缺陷和面缺陷等三类。
晶体缺陷可以在晶体生长过程中产生，也可以在热处理、晶体加工和受放射性辐射时产生。
在硅单晶中缺陷区不仅是高应力区，而且极易富集一些杂质，这样缺陷区就比晶格完整区化学活拨性强，对化学腐蚀剂的作用灵敏，因此容易被腐蚀而形成蚀坑，在有高度对称性的低指数面上蚀坑形状通常呈现相应的对称性，如位错在（111）、（100）、（110）面上分别呈三角形、方形和菱形蚀坑。
用作腐蚀显示的腐蚀剂按不同作用大体可分为两类，一类蚀非择优腐蚀剂，它主要用于晶体表面的化学抛光，目的在于达到清洁处理，去除机械损伤层和获得一个光亮的表面；另一类是择优腐蚀剂，用来揭示缺陷。
一般腐蚀速度越快择择优性越差，而对择优腐蚀剂则要求缺陷蚀坑的出现率高、特征性强、再现性好和腐蚀时间短。
通常用的非择优腐蚀剂的配方为：HF(40-42%):HNO3(65%)=1:2.5它们的化学反应过程为：Si+4HNO3+6HF=H2SiF6+4NO2+4H2O通常用的择优腐蚀剂主要有以下二种：（1）希尔腐蚀液（铬酸腐蚀液）先用CrO3与去离子水配成标准液：标准液＝50g CrO3+100g H2O然后配成下列几种腐蚀液：A. 标准液：HF(40-42%)=2:1(慢速液)B. 标准液：HF(40-42%)=3:2(中速液)C. 标准液：HF(40-42%)=1:1(快速液)D. 标准液：HF(40-42%)=1:2(快速液)一般常用的为配方C液，它们的化学反应过程为：Si+CrO3+8HF=H2SiF6+CrF2+3H2O(2)达希腐蚀液达希（Dash）腐蚀液的配方为：HF(40-42%):HNO3(65%):CH3COOH(99%以上)＝1:2.5:10硅单晶中不同种类的缺陷需选用上述不同的配方，采用不同的腐蚀工艺。
晶体缺陷的检测
• 八英寸直拉单晶硅晶体缺陷检测目的 • 半导体单晶中的缺陷 • 半导体晶体的电化学腐蚀条件及其反应 • 影响半导体单晶电化学腐蚀速度的因素 • 腐蚀在半导体技术中的应用 • 半导体硅的常用腐蚀剂 • 硅单晶中位错的检测 • 实验报告
八英寸直拉 单晶硅晶体 缺陷检测目 的
半导体单晶中的缺陷 微观缺陷
（1）、点缺陷 空位（是最简单的点缺陷，所有 晶体都存在缺陷，在热力学上最 稳定空位可聚集成团，当空位崩 塌时可形成位错圈可利用化学腐 蚀法或投射电子显微镜观察） 填隙原子（是占据晶格空隙处的 多余原子，在生长界面附近陷落 凝聚时可以形成微缺陷） 络合体(这是空位与杂质原子相 结合的复合体，具有电活性影响 半导体载流子浓度。一般采用电 子顺磁共振法） 外来原子(外来杂质原子可以以 填隙方式或替位方式存在，可以 引起点阵的畸变或半导体电学性 质变化从而检测出。）
半导体晶体在生长或器 件制造过程中会产生各 种结构缺陷，因为多数 缺陷是有害的，一般不 希望存在，但有些器件 少量而均匀分布的晶体 缺陷却对改善其性能有 好处。
（2）、线缺陷（位错 是半导体中最重要的 缺陷，包括螺旋位错， 属于线缺陷一般称为 位错线） （3）、面缺陷（晶体 密堆积结构中正常层 序发生破坏的区域称 为堆垛层错，简称层 错，分为本征和非本 征层错。）
• 2、电极电位 • 一般对于N型硅来说，电阻率越低（即少数载流子空穴浓度 越低），电极电位越低。对于P型硅来说，电阻率越低（即 少数载流子空穴浓度越高），电极电位越高。 • 3、缓冲剂的影响 • 缓冲剂一般是弱酸弱碱，如CH3COOH和NH4OH等。 • 4、腐蚀处理温度和搅拌的影响 • 腐蚀处理温度越高，腐蚀速度越快。 • 搅拌可以加快物质传递速度，还能改善腐蚀液的择优性质。 • 5、光照的影响 • 腐蚀处理时加入光照有利于微电池的腐蚀，并且在慢速腐蚀 中光照影响比较大。
第二章---点缺陷---晶体缺陷和强度
Crystal Defect and Strength
王建华
材料科学与工程学院
2019.09.12
2019/10/14
1
第二章 点缺陷（ Point Defects）
原子尺度的缺陷（atomic size defects）
在晶体中可以热力学平衡态存在
点缺陷研究的发展——1926年Frankel提出
空位对于传导电子产生附加散射，而引起电阻率 ρ 的增
加。
例如：淬火温度越高，由于空位浓度越大，因而，电阻
率201越9/10大/14 。
32
2）密度的变化 简单地考虑肖脱基空位。一个空位形成，体积增加
v，v 为原子体积，n 个空位形成，晶体体积增加
V = n v，由此而将引起密度的减小。 (这里没有考虑空位形成后晶格的畸变) 3）机械性能的变化 空位对金属的机械性能影响较大，过饱和点缺陷 提高金属的屈服强度。为什么？
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24
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26
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• 晶格常数a与固溶体成分x之间的关系： • 式中，a1、a2分别为溶剂和溶质的晶格常数
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30
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2.7 点缺陷对晶体性能的影响
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点缺陷引起的结构变化：
晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原 子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或 膨胀。）
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34
点缺陷对化学性能的影响: 主要集中在材料表面性能上，比如杂质原子的缺 陷会在大气环境下形成原电池模型，极大地加速 材料的腐蚀，另外表面能量也会受到缺陷的极大 影响，表面化学活性，化学能等等。
晶体缺陷显示实验
晶体缺陷显示实验指导实验名称：晶体缺陷显示实验实验目的：1、了解掌握硅单晶片研磨、热处理、化学抛光和化学腐蚀的操作方法。
2、学会在金相显微镜下观测硅单晶中的位错或点缺陷。
实验内容：在硅单晶（选〈111〉晶向）片上通过研磨和热处理、化学抛光和化学腐蚀的方法显示晶体缺陷。
用“非择优腐蚀剂”进行表面化学抛光；然后用“择优腐蚀剂”进行化学腐蚀来揭示晶体缺陷。
在金相显微镜下观测硅晶体位错或漩涡缺陷（点缺陷）的腐蚀坑，根据显示的腐蚀坑数目来计算缺陷密度。
实验原理：1、常用的“非择优腐蚀剂”为：HF (40—42 %)：HNO3 (65%) = 1：2.5。
主要用于硅片表面化学抛光，以达到表面清洁处理，去除机械损伤层，获得光亮表面的目的。
（其反应原理为：Si + 4HNO3 + 6HF = H2SiF6 + 4NO2↑+4 H2O ）2、常用的“择优腐蚀剂”为：标准液：HF (40—42 %) = 3:1慢速液标准液：HF (40—42 %) = 2:1中速液标准液：HF (40—42 %) = 1:1中速液标准液：HF (40—42 %) = 1:2快速液（其中标准液为：CrO3：H2O = 1：2 重量比）。
用来揭示缺陷，一般来说腐蚀速度越快，择优性越差。
根据现在气温我们选1:1的中速液。
（其反应原理为：Si + CrO3 + 8HF = H2SiF6 + CrF2 + 3H2O ）硅晶体中位错线或点缺陷附近晶格发生畸变，不稳定。
位错或漩涡缺陷在硅片表面露头处周围，腐蚀速度比较快，从而形成缺陷腐蚀坑（如图）。
腐蚀坑的数目可在金相显微镜中数出，单位面积内腐蚀坑的数目称为缺陷密度。
三角坑是因为硅（111）面容易显露出来的结果。
实验方法和步骤：1、用14μ刚玉细砂在玻璃板上研磨硅片30—40分钟。
2、在ZKL—1F型石英管扩散炉中对硅片进行退火处理1小时。
3、带上乳胶手套，在通风橱中用量筒、烧杯配适当量的“非择优腐蚀剂”，将硅片放入其中进行抛光，时间大约3—4分钟，以试剂变成棕黄色并冒烟为准。
材料科学-晶体缺陷
具有完善共格关系的界面
具有弹性畸变的共格界面
半共格界面
非共格界面
位错塞积群的一个重要效应是在它的前端引起应力集中。当 有n个位错被外加切应力τ推向障碍物时，在塞积群的前端 将产生n倍于外力的应力集中。
2.4 材料中面缺陷
严格来说，界面包括外表面（自由表面）和内界面。 表面是指固体材料与气体或液体的分界面，它与摩擦、 磨损、氧化、腐蚀、偏析、催化、吸附现象，以及光 学、微电子学等均密切相关；而内界面可分为晶粒边 界和晶内的亚晶界、孪晶界、层错及相界面等。
式中dW为产生dS表面所作的功。表面能也可以单位长度上 的表面张力(N/m)表示。 表面能与晶体表面原子排列致密程度有关，原子密排的 表面具有最小的表面能。所以自由晶体暴露在外的表面通 常是低表面能的原子密排晶面。
2.4.2 晶界和亚晶界
晶界 亚晶界 确定晶界位置用：
(1)两晶粒的位向差θ (2)晶界相对于一个点阵某一平面的夹角φ。 按θ的大小分类：
点缺陷
线缺陷
面缺陷
点缺陷
材料科学基础
第二章
点缺陷是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体 结构正常排列的一种缺陷。
晶体点缺陷包括：
空位
间隙原子
杂质
置换原子
点缺陷对结构和性能的影响
材料科学基础
第二章
点缺陷引起晶格畸变,能量升高，结构不稳定，易发生转变。 点缺陷的存在会引起性能的变化：
位错的直接观测： 利用透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）可直 接观察到材料微结构中的位错。TEM观察的第一步是将金属样品加工成电子束可 以穿过的薄膜。在没有位错存在的区域，电子通过等间距规则排列的各晶面时将 可能发生衍射，其衍射角、晶面间距及电子波长之间满足布拉格定律（Bragg's law）。而在位错存在的区域附近，晶格发生了畸变，因此衍射强度亦将随之变 化，于是位错附近区域所成的像便会与周围区域形成衬度反差，这就是用TEM观 察位错的基本原理，因上述原因造成的衬度差称为衍射衬度。 在图7和图8中，中间稍亮区域（晶粒）里的暗线就是所观察到位错的像。由于多 晶材料中不同晶粒的晶体学取向不同，因此晶粒之间亦存在衬度差别，这就是图 7和图8中中间区域较周围区域更亮的原因。值得注意的是，图中位错像所具有的 “蜿蜒”的形态，这是位错线在厚度方向穿过试样（薄膜）的位错在TEM下的典 型形态；还需注意的是图中位错像的终结处实际上是因为位错线到达了试样表面， 而非终结在了试样内部。所有位错都只能以位错环的形式终结于晶粒的内部。
第二章---点缺陷---晶体缺陷和强度
• 杂质原子的特点：
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• 晶格常数a与固溶体成分x之间的关系：
• 式中，a1、a2分别为溶剂和溶质的晶格常数
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2.7 点缺陷对晶体性能的影响
上式所包含的各项与空位数目之间的关系见图
在平衡态下体系的自由 能最小，G 0
n
得
C
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n n N N n S Ev exp( v ) exp( ) k kT Ev A exp( ) 18 kT
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2.5 过饱和点缺陷的形成
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2.6 杂质原子
• 与基体原子不同的外部杂质进入晶体内部构成的一种点缺 陷
• 分为替代式和间隙式两类
替代式，如Si、Ge中掺杂III、V族元素B、Al、Ga、In和P、 As、Sb等，控制导电类型和电阻率，结构上III、V族元素 与IV族元素相似 间隙式，Fe，Ni，O形成间隙式杂质，处于Si、Ge晶胞五 个较大的间隙
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金属 Cu
Cu
形成能/电子伏 0.8-1.0 1.3-1.5 0.6-0.92 0.6-0.77 4.0-5.0 2.5-2.6 3.0
作者 富米 亨丁顿 富米 富米 亨丁顿 特沃特 塞格等
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2.3 点缺陷的运动
对于一定的体系，平衡时点缺陷的数目是一定的， 但这仅仅是一种动态平衡和稳定。考虑到原子的热 运动和能量的起伏，一个原子可能脱离平衡位置而 占据另一空位。虽然空位数目不增加，但确实存在 原子的迁移。
第二章(之二)--晶体缺陷检测
A
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半导体异质结构中的位错
位错的透射电子显微镜照片
中间稍亮区域（晶粒）里的暗 线就是所观察到位错的像。
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光学显微镜（助教内容）
u 结构和原理 u 光学显微镜的性能参数 u 光学显微镜的使用
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（2）位错与层错的腐蚀坑观察
(100)硅片表面的位错
(111)硅片表面的位错
（111）面
（100）面
（Hale Waihona Puke 10）面蚀坑是一倒置正四 面体（三角锥体）
蚀坑是一倒置四棱 蚀坑为两个对顶 锥体，从表面看呈 三角锥体 实心正方形A
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（3）层错、位错密度的测量
• 位错密度 是垂直于位错线单位截面积中穿过的位错线数。 • 多点平均法。
清洗、金属电极制作过程
影响载流子浓度和少子寿命，导致A 器件失效。
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（2）线缺陷——位错
G 位错是半导体中最主要的缺陷。位错产生的根本原因是 晶体内部应力的存在，例如在晶体制备、后热处理等过程 中，由于不均匀的加热或冷却，晶体内部存在应力就可产 生位错。除此之外，杂质原子引起位错。刃型位错后发生 滑移。
AFM的工作原理
探针
显微镜有一根纳米级粗细的探针，
被固定在可灵敏操控的微米级弹性悬 臂上。当探针很靠近样品时,其顶端的 原子与样品表面原子间的作用力会使 悬臂弯曲，偏离原来的位置。根据扫 描样品时探针的偏离量或振动频率重 建三维图像，就能间接获得样品表面 的形貌或原子成分。
如图所示采用的激光检测探针悬臂
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