半導體單晶激光定向
目前，半導體的研究和生產所用的材料仍以硅、鍺及化合物半導體為主。它們的結構主
要是金剛石，閃鋅礦和纖維礦結構。晶體的鮮明的特點是各個方向性質不同。即具有各向異
性的特點。在不同的晶軸方向，它們的物理性能，化學性能差別非常大。例如：晶面的法向
生長速度，腐蝕速度。雜質的擴散速度，氧化速度，以及晶面的解理特性等等，都由於晶體
的取向不同而不同。況且在科研和生產中，由於我們製造的器件使用目的不同。往往也要求
我們所用基片的半導體材料的晶向不同。所以我們需首先對晶軸進行定向。
測定晶體取向有解理法，X 射線勞埃法，X 射線衍射法和光學反射圖象法等多種方法。
其中光學反射圖象法是目前生產中廣泛使用的方法。這個方法較為簡便，能直接進行觀測，
而且在測定低指數晶面時精確度相當好。
本實驗的目的，就是要了解光學反射圖象法測定單晶晶面的原理，通過使用激光定向儀
掌握測定硅單晶的（111），（100）晶面的定向技術。
【實驗原理】
1．從晶體外形確定晶向
由於硅、鍺的金剛石結構以及 GaAs 的閃鋅礦結構的特點，晶體在沿某一晶向生長時，
單晶的外表將規律的分佈著生長稜線。沿（111）方向生長的硅單晶錠有六個或三個對稱分
布的稜線。沿（010）方向生長的硅單晶錠有四個對稱分佈的稜線。（110）方向生長的硅單
晶錠則有四個不對稱分佈的稜線。晶體表面的這些稜線都是由於晶體生長過程中，生長最慢
的｛111｝晶面族中各晶面在交界處形成的。這是由於｛111｝晶面是金剛石晶體的密排面，
晶體表面有取原子密排面的趨勢。也就是說，在晶體生長過程中不同晶面的生長速率不同。
即原子沿晶面橫向生長速度快，垂直生長速度慢。原於密度比較大的晶 切方向上原子間相互聯合的鍵力較強，容易拉取介質中的原子沿橫向生長。而晶面與晶面之間的距離較大，相互吸引較弱，面，面上的原子間距較小，在面橫因此介質中的原子在這樣的面上生長新的晶面相對要困難。所以 ｛11l｝晶面是生長速度最慢的原子密排面；晶體的稜邊就是這些｛111｝晶面的交線。由上所述，我們很容易由晶體的外形判定它們的晶向；如沿<111>晶向直拉生長的硅單晶體有三條對稱分佈的稜。單晶的生長方向為：若將籽晶對著自己，眼睛看過去的方向為<111>；反之為< 1 1 1 > 晶向。 在<111>硅單晶橫截面上任意連接二稜，將連線向另一稜線方向偏 54 垂直切下，°44' 切面即向當的預處理工藝處理，在金相顯微鏡下會觀察到許多腐蝕坑，即所謂晶相腐蝕｝面，它們與生長圍成。四角截晶面與＜110＞方向的為{100}。而若向另一稜線相反的方向偏 36°16' 垂直切下，切面為{110}。如圖 1（a），l（b）所示。
2．光學定
單晶表面經適坑（或稱晶相的光像小坑）。這些腐蝕坑是由與晶格主要平面平行的小平面組成。它們是一些有特定晶向的晶面族，構成各具特殊對稱性的腐蝕坑，這是晶體各向異性的結果。鍺、硅單晶的｛1ll｝晶面是原子密排面，也是解理面（或稱劈裂面）。當用金剛砂研磨晶體時，其研磨表面將被破壞，出現許多由低指數晶面圍成的小坑。這些小坑對於不同晶面具有不同的形狀，可以利用這些小坑進行光學定向。但由於光的散射和吸收較嚴重，使得反射光象較弱，圖象不清晰，分辨率低。為獲得滿意的效果，可在晶體研磨後進行適當腐蝕，使小坑加大。經過腐蝕處理的晶面，不但形狀完整，且具有光澤。當一束細而強的平行光垂直人射到具有這種小坑的表面時，在光屏上就能得到相應的反射光相。因為激光束的直徑約一毫米左右，而小坑的大小一般為微米量級，因而激光束可投射到眾多小坑上。這個光相就是由眾多小坑上相同取向的晶面反射的光線朝相同的方向匯聚在光屏上而成的光瓣。例如，測定沿<111>軸方向生長的直拉硅單晶時，我們知道還有三個｛111面的夾角均為 70°22'，組成一個正四面體。又因為｛111｝的特點，這三個斜｛111｝面在交會處產生三個間隔 120°的生長稜線。垂直晶軸切片，經研磨腐和腐蝕處理後，在金向顯微鏡下會看到許多如圖 2（a）所示的三角坑，它實際上是由三個｛111｝晶面作為側面的三角截頂錐形坑，其截頂面也是{111}面。當一束平行光束垂直入射至被測的{111}晶面上時，這三個側面和截項面將反射成如圖 2（a）下所示的光象。除這三條主反射線外，有時也可以看到另外三條次要的反射線，它們與主反射線的圖象在光屏上呈 60°相位差。對於｛100｝晶面，其腐蝕坑形狀如圖 2（b）所示。它由四個｛111｝晶面所頂錐形坑，其截頂面是{100}晶面。其反射光圖為對稱的四葉光瓣。對於｛110｝晶面，其腐蝕坑形狀如圖 2（C）所示。它有兩個｛111｝夾角為 5°44'，它們是光象的主要反射面；另有兩個｛111｝晶面族與＜110＞方向平行或與（110）面垂直。當一束平行光束垂直入射到被測的｛110｝晶面上時，一般情況形成由主反射面反射的光象，近似為一直線。如果樣品做的好，人射光又足夠強。則可能得到如圖2（C）下所示的光象。實際上，光相圖的對稱性反映了晶體的對稱性。光向圖的中心光斑是由特徵蝕坑的底面反射光束形成的，這底面又與相應的低指數晶面一致。
因而使光束與相應的低指數晶面垂直，那麼樣品晶軸與入射光平行。我們立即可以用光相圖中的對稱性直觀的識別出晶向。在定向操作中，光圖對稱性的判別可以在光屏上同時使用同心圓和極座標來衡量。如圖3（a）、3(b)所示。
當將光象圖調整到光瓣高度對稱，也就是每一個光瓣都落在極座標刻度線上，而且處於同心圓上時，這時光軸就給出相應的晶向。如果反射光圖中幾個光瓣不對稱時（光瓣大小不同，光瓣之間的夾角偏離理論值），說明被測晶面與基準晶面（或晶軸）有偏離。適當調整定向儀夾具的各個方位調整機構（如俯仰角，水平角等）， 直至獲得對稱分佈的反射光圖，使得基準晶而垂直於入射光軸，由此可以測出晶面與基準面的偏離。定向夾具有六個可調方位，它們分為兩類：一類是改變激光在晶體端面投射部位的三維可調；它被用來調整被測晶軸與激光光軸之間的偏離角度。另一類是沿 X 導向、Y導向和 Z導向的平移，用來調整光屏與晶體端面的相對距離。上面介紹的定向方法稱為直接定向法，它有一定的侷限性。對於偏離度大於 90的待測表面和一些指數較高的晶面，如（331）等晶面難以直接定向。間接定向是在直接定向的基礎上運用晶帶理論來實現的。在晶體中，如果若干個晶面族同時平行於某一根晶軸時，則前者總稱為一個晶帶，後者稱為一個晶帶軸。例如圖 4 中的（001）、（113）、（112）、（111）、（221）、（331）、（110）等晶面都和 [1 1 0]晶軸平行。因此上述晶面構成一個以［1 1 0］為晶帶軸的晶帶，它們相互間存在簡單的幾何關係。如果將一個晶面繞晶帶軸轉動某一角度就可以將一個己直接定好方向的低指數晶面的空間位置由同一晶帶的另一個晶面所取代。確定後一個晶面的方法就是用間接定向法。例如，圖 5 中的(111)、（001）、（110）三個晶面同屬於以[1 1 0]為晶帶軸的一個晶帶，（111）與（110）的夾角為 35.26°，（111）與（001）的夾角為 54.74°。所以可以先用直接定向法使（111）晶面垂直與入射光軸，在光屏上得到三葉光圖。然後使晶體繞光軸旋轉，使三葉光圖中的一個光瓣與極座標的 00度線重合，此時［1 1 0］晶帶軸處於水平位置，即與晶體夾具上的俯仰軸相平行。轉動俯仰軸，前傾 35.26°，使（110）晶面垂直於光軸；若使晶體後仰 54.74°，即使（001）晶而垂直於光軸。這時垂直於光軸分別切割出的晶面即為(110)或（001）晶面。圖 4 以［1 1 0］為晶帶軸的不同晶面的相對方位 圖 5 （111）晶面特徵光圖與（100）晶面方位關係
3．實驗樣品
把要定向的單晶樣品用 208#金剛砂在平板玻璃上進行溼磨，使一個端面均勻打毛至用肉眼可見許多微小的解理坑，用水沖洗乾淨然後進行腐蝕。腐蝕後的單晶用水沖洗乾淨（注意在沖洗過程中樣品不要暴露在空氣中，直到把腐蝕液完全沖洗乾淨）。沖洗乾淨的樣品經烘乾即可固定在激光走向儀夾具上進行測量。使用的化學腐蝕液配方如下：
4．晶體的解理與劃片
圖 6(a)形象的說明了解理面劃片的道理。ABCD 表示一個與表面傾斜的解理面，AB 是解理面與表面的交線，如果我們沿 AB 交線的方向去劃片，那末片子就可以順利地沿著解理面脆裂。所以,硅(鍺)單晶片上的劃片方向，就是傾斜的｛111｝晶面和片子表面的相交的方向。我們知道，兩個晶面的相交線總是對應於一個確定的晶向。所以，如單晶片表面是一個晶面，它和傾斜的｛111｝晶面相交的晶向也就是劃片的方向。下面我們根據這個道理具體分析[111]和[100]單晶片的劃片方向。
［111］單晶片的表面就是一個｛111｝晶面，它和其他傾斜的｛111｝晶面的相交線方向就是劃片方向。這些劃片方向是什麼晶向呢？參看圖 6(a)的{111}面就不難解答這個問題。在立方的晶格內只有四個不同方向的｛111｝晶面。6(b)中實際上把四個不同方向的{111}面都表示了出來，它們就是圖中正四面體 ABCD 的四個面。很明顯，這些｛111｝面的相交線就是圖中四面體的稜線；實際上每一個｛111｝面都和其他三個{111}門面相交在三條稜線上。從圖上看到，所有這些稜線都是四方面的對角線，因此都屬＜110＞晶向。通過這樣分析就知道，［111］單晶片的（111）晶面上的劃片方向，就是它和其他三個傾斜的｛111｝晶面的相交線方向，它們都屬於＜110＞晶向。對於{111}晶片而言，選取＜110＞為基準方位，{110}與{111}的交線<112>是它的劃片基準線，起作用的解理是{111}［100］單晶片的表面是（100）晶面，它和｛111｝晶面的相交線的晶向也都可以在圖6（b）找到。在圖上我們看到前面的（100）面和兩個｛111｝面相交於 BD 線，背後的（100）面和另兩個｛111｝面相交於 AC 線。這就說明［100］單晶片的劃片方向就是在它的（100）表面上的兩個互相垂直的<110>晶向。
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