МОНОКРИСТАЛЛЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Лабораторная работа

По курсу химии твердого тела

«ХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ
В ТЕХНОЛОГИИ МИКРОЭЛЕКРОНИКИ»

Разработала: зав. НИЛ материалов и приборных структур микро- и наноэлектроники

кафедры физической электроники

Л.А. Власукова

Минск – 2009 г.

ХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ

В ТЕХНОЛОГИИ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Целью работы является ознакомление с процессом химического травления полупроводников на примерах локального травления кремниевой подложки со слоем оксида и выявления дислокаций в кремниевой подложке.

В ходе выполнения работы студенты осваивают методику селективного травления и получают практические навыки работы c образцами кремниевых подложек, а также навыки работы с оптическим микроскопом.

МОНОКРИСТАЛЛЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

1.1. Кристаллическая решетка и монокристаллы.

В кристаллических веществах укладка атомов (или ионов) характеризуется определенным порядком – периодичностью - как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решетка. Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело. В каждой пространственной решетке можно выделить структурный элемент минимального размера, который называется элементарной ячейкой. Для описания кристаллической решетки достаточно знать расположение частиц в элементарной ячейке кристалла, многократным перемещением (трансляцией) которой вдоль трех независимых направлений можно построить весь кристалл (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема кристаллической решетки

Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла, важнейшими из которых являются следующие.

1. Размеры ребер элементарной ячейки; a, b, c – периоды решетки. Это – расстояния между центрами ближайших атомов; которые выдерживаются строго определенными в одном направлении. Расстояние между двумя соседними атомами вдоль одного из направлений решетки определяет постоянную решетки.

2. Углы между осями ().

3. Координационное число (К) - число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.

4. Базис решетки - количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку.

5. Плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – отношение объема, занятого атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары, к объему ячейки. Например, для объемно-центрированной кубической решетки плотность упаковки составляет 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74. Для сравнения, плотность упаковки в решетке алмаза составляет 0,34.

Существует семь кристаллических систем (сингоний) пространственных решеток, которые характеризуют их симметрию по отношению к определенным плоскостям и направлениям (осям). Наиболее распространенными типами кристаллических решеток являются простая кубическая, гранецентрированная кубическая и объемно-центрированная кубическая решетки. В простой кубической решетке частицы располагаются в вершинах куба. В гранецентрированной решетке частицы располагаются не только в вершинах куба, но и в центрах каждой его грани. В объемноцентрированной кубической решетке дополнительная частица располагается в центре каждой элементарной кубической ячейки. Кроме этих простых структур существует много сложных, но также с кубической элементарной ячейкой. Кристаллы кремния и германия имеют структуру алмаза (рисунок 2). Решетка алмаза - это модифицированная гранецентрированная кубическая решетка, которую можно представить в виде двух гранецентрированных решеток, сдвинутых относительно друг друга на четверть постоянной решетки. В этой решетке каждый атом имеет четыре ближайших соседа, взаимодействующих с ним силами ковалентных связей.

Рисунок 2 - Элементарная ячейка кристаллической решётки алмаза. Атомы расположены по вершинам куба, в центрах граней и в центрах 4 несмежных октантов. Плотность упаковки в решётке 34%.

Большинство твердых материалов - поликристаллические и состоят из множества сросшихся между собой хаотически ориентированных маленьких кристалликов (кристаллитов), например, многие горные породы, технические металлы и сплавы. Крупные отдельные однородные кристаллы с непрерывной кристаллической решеткой называют монокристаллами. Такие кристаллы характеризуются высоким структурным совершенством, и, соответственно, высокой однородностью физико-химических параметров в объеме кристалла. Данное обстоятельство особенно важно в планарной технологии микроэлектроники, где в едином технологическом процессе производятся тысячи дискретных приборов или интегральных схем с одинаковыми электрическими характеристиками. Это стало возможным потому, что для изготовления твердотельных полупроводниковых приборов используют подложки (диски), вырезанные из монокристаллов.

1.2. Анизотропия. Кристаллографические координаты.

В кристаллических телах атомы правильно располагаются в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между ними и, в конечном счете, разные свойства. Зависимость свойств от направления называется анизотропией. Чтобы понять явление анизотропии необходимо выделить кристаллографические плоскости и кристаллографические направления в кристалле.

Плоскость, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографической плоскостью.

Прямая, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографическим направлением.

Для обозначения кристаллографических плоскостей и направлений пользуются индексами Миллера. Чтобы установить индексы Миллера, элементарную ячейку вписывают в пространственную систему координат (оси X,Y, Z – кристаллографические оси). За единицу измерения принимается период решетки.

Рисунок 3 - Примеры обозначения кристаллографических плоскостей (а) и направлений (б)

Индексы Миллера для плоскостей. Для определения индексов кристаллографической плоскости необходимо:

- установить координаты точек пересечения плоскости с осями координат в единицах периода решетки;

- взять обратные значения этих величин;

- привести их к наименьшему целому кратному, каждому из полученных чисел.

Полученные значения простых целых чисел, не имеющие общего множителя, являются индексами Миллера для плоскости и записываются в круглых скобках. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей - на рисунках 3а и 4.

Основные кристаллографические плоскости кубической решетки показаны на рисунке 4.

Рисунок 4 - Основные кристаллографические плоскости кубической решетки

Если плоскость параллельна какой-либо кристаллографической оси, соответствующий этой оси индекс Миллера будет равен нулю. Параллельные плоскости имеют одинаковые индексы Миллера. Совокупность симметричных плоскостей одной простой формы кристалла обозначается {h, k, l}.

Индексы Миллера для направлений. Ориентация прямой определяется координатами двух точек. Для определения индексов кристаллографического направления необходимо:

- одну точку направления совместить с началом координат;

- установить координаты любой другой точки, лежащей на прямой, в единицах периода решетки;

- привести отношение этих координат к отношению трех наименьших целых чисел.

Индексы кристаллографических направлений указываются в квадратных скобках [h k l]. Примеры обозначения направлений - на рисунке 3б.

Ось x обозначают как [100], y – [010], z – [001]. В кубической решетке направление [h, k, l] перпендикулярно плоскости (h, k, l). Совокупность симметричных направлений одной простой формы кристалла обозначается <100>, <110>, <111> и т.д.

Анизотропия проявляется во всех физических свойствах, начиная от скорости роста кристалла, чем и объясняется правильная огранка многих монокристаллов. Очень наглядно анизотропия проявляется в свойствах полупроводников. Это, например, зависимость структуры энергетических зон от направления в кремнии и германии, проявляющаяся в их электрических и оптических свойствах, анизотропия скорости химической обработки, которую нужно учитывать в полупроводниковой технологии, анизотропия механических свойств, проявляющаяся в хрупкости (способности легко раскалываться) и неодинаковой твердости по разным кристаллографическим направлениям.

Поиск по сайту: