砷化鎵單晶線性孿晶長度判斷方法研究

2022-02-15 02:48:16王金靈劉火陽

信息記錄材料 2022年12期

王金靈，劉火陽

（1 廣東先導微電子科技有限公司廣東清遠 511517）

（2 國家稀散金屬工程技術研究中心廣東清遠 511517）

（3 廣東先導稀材股份有限公司廣東清遠 511517）

0 引言

砷化鎵（GaAs）在光電子和微電子領域應用廣泛，是制作通信器件和半導體發(fā)光二極管的關鍵材料。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體材料之一。

砷化鎵材料主要分為兩類：半絕緣砷化鎵材料和半導體砷化鎵材料。半絕緣砷化鎵材料主要制作MESFET、HEMT和HBT結構的集成電路。主要用于雷達、微波及毫米波通信、超高速計算機及光纖通信等領域。

砷化鎵材料是目前生產(chǎn)量最大、應用最廣泛的化合物半導體材料，也是僅次于硅的最重要的半導體材料。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)外圓觀察標記長度切除，但在生產(chǎn)中還存在比較細的M-Twin，需將測試片腐蝕后才能觀測到[2]。砷化鎵是閃鋅礦結構，孿晶面總是（111）面[3]，因此線性孿晶（M-Twin）在晶體中的生長存在規(guī)律性，根據(jù)其生長規(guī)律，根據(jù)幾何關系的換算則可以計算出M-Twin需要切割的砷化鎵單晶長度。

1 實驗和方法

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度記為L1，過頭部孿晶的弦長記為L3，孿晶端點到邊緣的距離記為D；量取靠近尾部的端面的孿晶長度記為L2，過尾部孿晶的弦長記為L4；再根據(jù)測量出的數(shù)據(jù)利用公式中計算出砷化鎵單晶線性孿晶長度。在實際生產(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，而且在晶體側面觀察不到，因此需要切除的長度也不易判斷。

圖1 晶向面的孿晶

圖2 線性孿晶

觀察此類線性孿晶的晶片發(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）的關系。二是，線性孿晶和晶體角度偏轉(zhuǎn)的方向和角度有關聯(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°晶棒為例說明計算過程：

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

代入數(shù)值計算得到：

實際過程中會存在其他偏轉(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）直接計算。但可以使用的通用的計算方法如下：

2 結果與討論

砷化鎵是閃鋅礦結構，孿晶面總是（111）面，因此對于一個確定晶向的晶體，線性孿晶經(jīng)過的面和晶體端面的夾角θ可以根據(jù)幾何關系求得[4]；沿著孿晶面進行延長，延長后可以得到一個橢圓。根據(jù)晶棒直徑和角度偏轉(zhuǎn)關系（見表1），可以得出橢圓的方程。

表1 θ角與晶體晶向的對應關系表

晶棒直徑和角度偏轉(zhuǎn)關系：用15°有線性孿晶的晶片沿垂直于線性孿晶方向解理分開。腐蝕后用顯微鏡從解理面方向觀測線性孿晶，如圖4所示。可以看到孿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。因此可以說明孿晶面為(111)面，且孿晶面和晶體端面的夾角為固定可計算的值[6]。

圖4 線性孿晶與晶體端面的夾角

在實際操作中可以發(fā)現(xiàn)，有一些晶棒實際切除長度和理論計算值接近，有一些晶棒實際切除長度未達到理論計算長度時，線性孿晶就已經(jīng)切完了，而且實際需要切除的長度和理論計算值的差值并未發(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，晶體在生長過程中，線性孿晶會變短。

對于15°晶棒，若線性孿晶沒有變短，可以計算出若晶體軸向相差5 mm，則線性孿晶端點距離晶體側面的距離相差約為1.85 mm。因此為了提高效率，可以先切5mm長的料，然后將切下的料腐蝕，測量線性孿晶在兩個端面距離的差值，若為1.85 mm，則可以按照式（4）計算剩下需要切割的長度。

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