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砷化鎵單晶線性孿晶長(zhǎng)度判斷方法研究

2022-02-15 02:48王金靈劉火陽(yáng)
信息記錄材料 2022年12期
關(guān)鍵詞:孿晶晶面端點(diǎn)

王金靈 ,劉火陽(yáng)

(1 廣東先導(dǎo)微電子科技有限公司 廣東 清遠(yuǎn) 511517)

(2 國(guó)家稀散金屬工程技術(shù)研究中心 廣東 清遠(yuǎn) 511517)

(3 廣東先導(dǎo)稀材股份有限公司 廣東 清遠(yuǎn) 511517)

0 引言

砷化鎵(GaAs)在光電子和微電子領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,是制作通信器件和半導(dǎo)體發(fā)光二極管的關(guān)鍵材料。與硅單晶一樣,砷化鎵襯底正逐步向大尺寸、高幾何精度、高表面質(zhì)量、低損耗方向發(fā)展,是目前最重要、最成熟的化合物半導(dǎo)體材料之一。

砷化鎵材料主要分為兩類(lèi):半絕緣砷化鎵材料和半導(dǎo)體砷化鎵材料。半絕緣砷化鎵材料主要制作MESFET、HEMT和HBT結(jié)構(gòu)的集成電路。主要用于雷達(dá)、微波及毫米波通信、超高速計(jì)算機(jī)及光纖通信等領(lǐng)域。

砷化鎵材料是目前生產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣泛的化合物半導(dǎo)體材料,也是僅次于硅的最重要的半導(dǎo)體材料。由于其具備高功率密度、低能耗、抗高溫、高發(fā)光效率、抗輻射、擊穿電壓高等特性,是微波、毫米波器件、微波大功率器件、高速數(shù)字電路、微波單片集成電路、射頻的首選材料。

砷化鎵單晶中存在一種孿晶,在晶體橫截面上觀察呈線狀,稱(chēng)線性孿晶[1]。線性孿晶(M-Twin)是一種晶體缺陷,需要將其切除。若M-Twin比較粗,則可根據(jù)外圓觀察標(biāo)記長(zhǎng)度切除,但在生產(chǎn)中還存在比較細(xì)的M-Twin,需將測(cè)試片腐蝕后才能觀測(cè)到[2]。砷化鎵是閃鋅礦結(jié)構(gòu),孿晶面總是(111)面[3],因此線性孿晶(M-Twin)在晶體中的生長(zhǎng)存在規(guī)律性,根據(jù)其生長(zhǎng)規(guī)律,根據(jù)幾何關(guān)系的換算則可以計(jì)算出M-Twin需要切割的砷化鎵單晶長(zhǎng)度。

1 實(shí)驗(yàn)和方法

本文采用的樣品是判定為有線性孿晶的單晶晶棒,使用內(nèi)圓切片機(jī)從頭部切除5~10 mm圓餅料;將圓餅料放入腐蝕液(氫氧化銨:過(guò)氧化氫:純水=2:1:1)中室溫下腐蝕4~6 min;用直尺量取靠近頭部的端面的孿晶長(zhǎng)度記為L(zhǎng)1,過(guò)頭部孿晶的弦長(zhǎng)記為L(zhǎng)3,孿晶端點(diǎn)到邊緣的距離記為D;量取靠近尾部的端面的孿晶長(zhǎng)度記為L(zhǎng)2,過(guò)尾部孿晶的弦長(zhǎng)記為L(zhǎng)4;再根據(jù)測(cè)量出的數(shù)據(jù)利用公式中計(jì)算出砷化鎵單晶線性孿晶長(zhǎng)度。在實(shí)際生產(chǎn)中觀察到有兩種方向分布的孿晶,一種是在晶體表面形成整個(gè)晶向面的孿晶,如圖1所示;一種是在晶體表面向內(nèi)部形成的線性孿晶,如圖2所示;此孿晶需要腐蝕后才能觀察到,而且在晶體側(cè)面觀察不到,因此需要切除的長(zhǎng)度也不易判斷。

圖1 晶向面的孿晶

圖2 線性孿晶

觀察此類(lèi)線性孿晶的晶片發(fā)現(xiàn)有以下規(guī)律:一是,線性孿晶總是和解理線呈垂直(平行)的關(guān)系。二是,線性孿晶和晶體角度偏轉(zhuǎn)的方向和角度有關(guān)聯(lián)性,如圖3所示。

圖3 線性孿晶和晶體偏轉(zhuǎn)方向和角度的關(guān)系

記(100)面和孿晶面(即(111)面)的夾角為θ,則晶體端面和孿晶面的夾角為(θ+β)。下面以(100)to(111)15°晶棒為例說(shuō)明計(jì)算過(guò)程:

式(1)中,L表示線性孿晶端點(diǎn)到晶棒側(cè)面的距離,h表示需要切割的長(zhǎng)度。式(2)是根據(jù)晶面指數(shù)計(jì)算晶面夾角的公式,(hkl)代表晶面指數(shù)。

代入數(shù)值計(jì)算得到:

實(shí)際過(guò)程中會(huì)存在其他偏轉(zhuǎn)角度的晶棒,例如(100)to(111)6°,(100)to(111)2°的晶棒等,不能按照式(3)直接計(jì)算。但可以使用的通用的計(jì)算方法如下:

2 結(jié)果與討論

砷化鎵是閃鋅礦結(jié)構(gòu),孿晶面總是(111)面,因此對(duì)于一個(gè)確定晶向的晶體,線性孿晶經(jīng)過(guò)的面和晶體端面的夾角θ可以根據(jù)幾何關(guān)系求得[4];沿著孿晶面進(jìn)行延長(zhǎng),延長(zhǎng)后可以得到一個(gè)橢圓。根據(jù)晶棒直徑和角度偏轉(zhuǎn)關(guān)系(見(jiàn)表1),可以得出橢圓的方程。

表1 θ角與晶體晶向的對(duì)應(yīng)關(guān)系表

晶棒直徑和角度偏轉(zhuǎn)關(guān)系:用15°有線性孿晶的晶片沿垂直于線性孿晶方向解理分開(kāi)。腐蝕后用顯微鏡從解理面方向觀測(cè)線性孿晶,如圖4所示??梢钥吹綄\晶面與晶體端面的夾角分別為68.817°、69.592°與理論的角度69.736°非常接近。因此可以說(shuō)明孿晶面為(111)面,且孿晶面和晶體端面的夾角為固定可計(jì)算的值[6]。

圖4 線性孿晶與晶體端面的夾角

在實(shí)際操作中可以發(fā)現(xiàn),有一些晶棒實(shí)際切除長(zhǎng)度和理論計(jì)算值接近,有一些晶棒實(shí)際切除長(zhǎng)度未達(dá)到理論計(jì)算長(zhǎng)度時(shí),線性孿晶就已經(jīng)切完了,而且實(shí)際需要切除的長(zhǎng)度和理論計(jì)算值的差值并未發(fā)現(xiàn)規(guī)律。由上述可知,孿晶面和晶體端面的夾角是固定的,因此可以推斷,晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中,線性孿晶會(huì)變短。

對(duì)于15°晶棒,若線性孿晶沒(méi)有變短,可以計(jì)算出若晶體軸向相差5 mm,則線性孿晶端點(diǎn)距離晶體側(cè)面的距離相差約為1.85 mm。因此為了提高效率,可以先切5mm長(zhǎng)的料,然后將切下的料腐蝕,測(cè)量線性孿晶在兩個(gè)端面距離的差值,若為1.85 mm,則可以按照式(4)計(jì)算剩下需要切割的長(zhǎng)度。

線性孿晶在兩個(gè)端面距離的差值若小于1.85 mm,則需要再討論。如出現(xiàn)孿晶按照線性關(guān)系變短,實(shí)際可能呈弧線變化,或者突然消失,或者其他不規(guī)則的情況。由于無(wú)法觀測(cè)到實(shí)際孿晶是如何變化的,若孿晶不規(guī)則變化,則無(wú)法計(jì)算需要切割的長(zhǎng)度。若成線性變化,則可以利用幾何關(guān)系計(jì)算需要切割的長(zhǎng)度。計(jì)算孿晶長(zhǎng)度可制定一個(gè)晶體模型,如圖4所示;沿著孿晶面沿著進(jìn)行延長(zhǎng),延長(zhǎng)后可以得到一個(gè)橢圓,如圖5所示。根據(jù)晶棒直徑和角度偏轉(zhuǎn)關(guān)系,可以寫(xiě)出橢圓的方程。試切一定厚度的圓餅料,通過(guò)測(cè)量圓餅料兩個(gè)端面孿晶的長(zhǎng)度可以獲得孿晶兩個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo),進(jìn)而可以求得孿晶端點(diǎn)連線的直線方程。聯(lián)合直線方程和橢圓方程即可求得相交點(diǎn)的坐標(biāo),根據(jù)晶棒角度偏轉(zhuǎn)情況可以推算出需要切割的長(zhǎng)度。

圖5 孿晶在晶體中的幾何關(guān)系示意圖

砷化鎵線性孿晶長(zhǎng)度計(jì)算原理如下:

根據(jù)圖5延長(zhǎng)孿晶面,總會(huì)存在某個(gè)位置和直徑相交,根據(jù)晶棒的半徑以及上述的夾角θ,可以建立一個(gè)橢圓方程,如:

式(5)中:a=r;b=r/cosθ;r為晶棒半徑,晶棒半徑可根據(jù)晶棒尺寸可知;

通過(guò)測(cè)量圓餅料兩個(gè)端面孿晶的長(zhǎng)度可以獲得孿晶兩個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo),進(jìn)而可以求得孿晶端點(diǎn)連線的直線方程;

式(6)中:

聯(lián)合直線方程和橢圓方程即可求得相交點(diǎn)的坐標(biāo),根據(jù)相交點(diǎn)利用一元二次方程計(jì)算:

式(9)中:

根據(jù)晶棒角度偏轉(zhuǎn)情況可以推算出孿晶長(zhǎng)度L,即:

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法分別取4”-GaAs-15°、4”-GaAs-2°、6”-GaAs-15°、6”-GaAs-2°四種規(guī)格的孿晶單晶棒測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 砷化鎵單晶線性孿晶長(zhǎng)度 單位:mm

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),對(duì)于15°晶棒,若線性孿晶沒(méi)有變短,可以計(jì)算出若晶體軸向相差5 mm,則線性孿晶端點(diǎn)距離晶體側(cè)面的距離相差約為1.85 mm。因此為了提高效率,可以先切5 mm長(zhǎng)的料,然后將切下的料腐蝕,測(cè)量線性孿晶在兩個(gè)端面距離的差值,通過(guò)式(13)計(jì)算出線性孿晶的長(zhǎng)度。

3 總結(jié)

本研究根據(jù)晶棒直徑和角度偏轉(zhuǎn)關(guān)系,利用橢圓方程、直線方程可以推算出線性孿晶的長(zhǎng)度,推算出的線性孿晶的長(zhǎng)度與實(shí)際線性孿晶長(zhǎng)度相符。本研究判斷孿晶的計(jì)算方法的應(yīng)用,能夠提升國(guó)內(nèi)砷化鎵單晶檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)水平,對(duì)行業(yè)乃至國(guó)家半導(dǎo)體發(fā)展有重要意義。

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