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，如果按照缺陷的维度，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， 不超过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不同相的界面上，或者同一 晶体内部不同晶畴之间。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

2、可以用光学显微镜观 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，比如包裹体、气泡、空洞 等。一、点缺陷 点缺陷包括空位、间隙原子和微缺陷等。 1、空位、间隙原子点缺陷包括热点缺陷（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；扩散到晶体表面消失；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

3、无法观察。1.2 杂质点缺陷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 产生原因 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

4、察方法1）择优化学腐蚀：择优化学腐蚀后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

5、缺陷，以及板片状 SiO2 沉积物，退火 Cz 硅单晶中的微缺陷为体层错、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不同的测量方法而命 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

6、度梯度 G(r)( 含合适的 v/G(r) 比 值) 、冷却速率等。 另外通过适宜的退火处理可减少或消除原 生缺陷。二、线缺陷 位错：包括螺位错和刃位错1、产生原因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，在晶体中产生较大的热应力时，更容易产生位错并 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

7、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，则视为产生了堆跺 层错。 晶界：是指同种晶

8、体内部结晶方位不同的两晶格 间的界面，或说是不同晶粒之间的界面。按结晶方位差异的 大小可将晶界分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 度就成了孪晶。相界：结构或化学成分不同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差别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层错产生原因： 在目前工艺条件下，原生硅单晶中的层错是不多见的。一般 认为，在单晶生长过程中，固态颗粒进入固

9、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产生层错的原因。 2.2 层错的腐蚀 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，它是层错面与观察表面的交线。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表面，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 形成的根本原 因： 热氧化时硅二氧化硅界面处产生自间隙硅原子，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， OS

10、F 主要成核十硅片表面的机械 损伤处、 金属沾污严重处， 其它诸如表面或体内的旋涡缺陷、 氧沉淀也是 OSF 的成核中心它与外延层错相区别也与由体 内应力引起的体层错 (bulkstackingfaults) 相区别。通常 OSF 有 两种：表面的和体内的。 表面的 OSF 一般以机械损伤， 金属 沽污、微缺陷 (如氧沉淀等 )在表面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 常常呈环欲分布特 征 （ring-OSF） 后人的研究表明，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

11、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 孪晶 3.1 孪晶的构成 孪 晶是由两部分取向不同，但具有一个共同晶面的双晶体组 成。它们共用的晶面称为孪生面，两部分晶体的取向以孪生 面为镜面对称，且两部分晶体取向夹角具有特定的值。硅晶 体的孪生面为 111 面。 3.2 孪晶生成原因 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， 并不断长大形成孪晶。此外，机械振动、拉晶速度过快或拉 速突变也可促使孪晶的形成。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

12、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拟，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，常见的有包裹体、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晶格结 构、晶格常数、 材料密度、 化学成分以及物理性质有所不同， 好像是在整个晶体中的独立王国。 1 嵌晶 硅晶体内 部存在与基体取向不同的小晶体（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B-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表面凹凸状条纹。