Si 单晶位错密度的测定

Si 单晶位错密度的测定

一、 实验目的

掌握Si 单晶片的位错侵蚀方法和位错密度的计算方法

了解腐蚀Si 单晶位错原理,正确使用金相显微镜,

二、 实验原理

位错是晶体的线缺陷，它标志着晶体结构的完整程度，它对半导体材料的电学性能有很大影响，通常制造器件要求位错密度要低，或是无位错晶体，而且还要求晶体位错分布均匀，位错高低直接影响晶体做器件的质量。

测量单位体积内位错的方法有X 射线法，电子显微镜法和铜缀饰红外投射法等，但这些方法设备昂贵，工艺复杂，所以生产上很少采用。

目前生产上广泛使用的是腐蚀金相法（腐蚀坑法）。它是将样品进行化学腐蚀，然后用金相显微镜测定样品表面上出现的腐蚀坑数目。因为每一腐蚀坑代表与被测表面相交的一条位错线的露头处，所以位错密度是指单位被测表面积上相交的位错线（坑）的个数。

N D = S n （1） N D 为位错密度，单位个数/厘米2 ，n 是位错线的（坑）的个数，S 是面积。

为什么在晶体表面位错露头的地方，经化学腐蚀后会出现腐蚀坑呢？这是因为在位错线的地方，原子排列不规则，存在差应力场，使该处的原子具有较高的能量和较大的应力，当我们用某种化学腐蚀剂腐蚀晶体时，有位错处的腐蚀速度大于完整晶体的腐蚀速度，这样经过一定时间腐蚀后，就会在位错线和样品表面的相交处显示出凹的蚀坑，由于晶体具有各向异性，因此在不同的结晶面腐蚀速度不同，在不同晶面上其蚀坑形状亦不同。如图1所示，在（111）面上经腐蚀出现正三角形腐蚀坑，在（100）面上出现正四边形腐蚀坑，在（110）面上为矩形腐蚀坑。

图2.1－1位错蚀坑的形状

用金相显微镜观测位错密度是一种近似的方法，因为位错在晶体中的分布是不规则的，有些位错并不一定在被观测的面形成蚀坑，有些位错非常临近，几个临近的位错只形成一个蚀坑，所以蚀坑与位错并不是一 一对应的，它只能近似地反应出晶体中的位错密度大小。

三、实验仪器和化学药品

金相显微镜、天平、塑料烧杯、镊子、量桶、硝酸、氢氟酸，自配铬酸溶液、乙醇等。

四、实验步骤

1位错腐蚀前准备工作

在显示位错之前，应将晶体表面用金刚砂研磨，研磨后的表面应进行化学抛光，以便除去由机械研磨形成的表面破坏层对位错显示的严重影响，Si 用单晶用HF ：HNO 3＝1：3（体积比），腐蚀时间2－3mins

2腐蚀位错

称取5gC r O 3溶于10ml 水中，制成铬酸溶液，按HF ：铬酸溶液＝1：1的配比，配制成腐蚀液，HF 和铬酸各取10ml 倒入塑料烧杯中，然后将样品放入，在温室腐蚀10－30mins （10mins 可观察层错，20mins 可观察位错）腐蚀过程中要求样品不能露出水面，腐蚀完用大量水冲至中性，用乙醇脱水，烘干待用，在化学腐蚀操作时，要牢记操作要点，即要两准一快，配比要准，时间要准，脱酸要快。

3.错密度观测与计算

（1） 视场面积测定

将每格为0.0 1mm 精度的标准计量板放在显微镜的载物台上，从显微镜中测出视场面积的直径D ，然根据公式（2）计算出视场面积S

S = πr 2 =

41πD 2 （2） （2）位错密度观测

将样品放在显微镜的载舞台上，观测5个视场，然后对每个视场所观测到的位错数目取其平均值。

（3） 计标位错密度

位错密度＝视场面积

视场个数各视场内位错的总数

N D ＝

S n n n n n ⨯++++554321 （3）