晶体材料亚表面的损伤检测专家讲座.pptx

晶体材料亚表面损伤检测晶体材料亚表面损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第1页页 几个常见晶体材料及其应用几个常见晶体材料及其应用 亚表面损伤检测意义亚表面损伤检测意义 常见亚表面损伤检测方法常见亚表面损伤检测方法晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第2页页几个常见晶体材料及其应用几个常见晶体材料及其应用SiC晶片晶片晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第3页页 SiC单晶作为第三代半导体材料单晶作为第三代半导体材料,以其化学稳定性好、导电以其化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光、特有大禁带宽度、高临性能好、导热性能好、不吸收可见光、特有大禁带宽度、高临界击穿场强、高电子迁移率等特征界击穿场强、高电子迁移率等特征,成为国际上制作半导体照明成为国际上制作半导体照明器件、微电子器件等理想衬底材料。器件、微电子器件等理想衬底材料。SiC单晶应用单晶应用1.高高温温和高功率半和高功率半导体导体元件元件2.微涉及高微涉及高频频半半导体导体元件元件3.短波短波长发长发光元件光元件4.紫外光敏紫外光敏二极体二极体在各种发动机内部工作在各种发动机内部工作5.蓝蓝色色镭射二极体镭射二极体晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第4页页蓝宝石（蓝宝石（Al2O3）晶片）晶片蓝宝石（蓝宝石（Al2O3）晶棒）晶棒晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第5页页 当前蓝宝石主要有两大用途：当前蓝宝石主要有两大用途：一类是衬底材料，其中主要是一类是衬底材料，其中主要是LEDLED半导体衬底材料，半导体衬底材料，LEDLED照明用蓝宝石衬底占蓝宝石衬底应用百分比达照明用蓝宝石衬底占蓝宝石衬底应用百分比达90%90%以上；以上；另一类就是窗口材料，如手表表盘、航空、航天、精密另一类就是窗口材料，如手表表盘、航空、航天、精密制造、特殊制造等。制造、特殊制造等。蓝宝石晶体应用蓝宝石晶体应用 蓝宝石晶体是一个集优良光学、物理和化学性能于一体多蓝宝石晶体是一个集优良光学、物理和化学性能于一体多功效晶体材料，含有硬度高、熔点高、透光性好、电绝缘性优功效晶体材料，含有硬度高、熔点高、透光性好、电绝缘性优异、热传导性良好、化学性能稳定等优点，在光电子、微电子、异、热传导性良好、化学性能稳定等优点，在光电子、微电子、国防、超导等领域含有广泛应用。国防、超导等领域含有广泛应用。晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第6页页多晶多晶Si片片单晶单晶Si片片晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第7页页单晶硅与多晶硅应用单晶硅与多晶硅应用 单晶硅和多晶硅都是主要半导体材料，用于制造半导体器件、单晶硅和多晶硅都是主要半导体材料，用于制造半导体器件、太阳能电池等。太阳能电池等。单晶硅太阳电池生产需要消耗大量高纯硅材料，而制造这些材单晶硅太阳电池生产需要消耗大量高纯硅材料，而制造这些材料工艺复杂，电耗很大，在太阳电池生产总成本中己超二分之一，料工艺复杂，电耗很大，在太阳电池生产总成本中己超二分之一，加之拉制单晶硅棒呈圆柱状，切片制作太阳电池也是圆片，组成太加之拉制单晶硅棒呈圆柱状，切片制作太阳电池也是圆片，组成太阳能组件平面利用率低。所以，阳能组件平面利用率低。所以，80年代以来，欧美一些国家投入了年代以来，欧美一些国家投入了多晶硅太阳能电池研制。多晶硅太阳能电池研制。多晶硅是生产单晶硅直接原料。多晶硅是生产单晶硅直接原料。多晶硅太阳电池制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光电转多晶硅太阳电池制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光电转换效率约换效率约12%左右，稍低于单晶硅太阳电池，不过材料制造简便，左右，稍低于单晶硅太阳电池，不过材料制造简便，节约电耗，总生产成本较低，所以得到大量发展。伴随技术得提升，节约电耗，总生产成本较低，所以得到大量发展。伴随技术得提升，当前多晶硅转换效率也能够到达当前多晶硅转换效率也能够到达14%左右。左右。晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第8页页亚表面损伤检测意义亚表面损伤检测意义 当代短波光学、强光光学、电子学及薄膜科学等学科发展对当代短波光学、强光光学、电子学及薄膜科学等学科发展对所需材料表面质量要求越来越高，尤其是强激光技术对光学元件所需材料表面质量要求越来越高，尤其是强激光技术对光学元件表面粗糙度要求极为苛刻，要求表面到达超光滑表面标准。所谓表面粗糙度要求极为苛刻，要求表面到达超光滑表面标准。所谓超光滑表面是指均方根表面粗糙度小于超光滑表面是指均方根表面粗糙度小于lnm表面，其特征为表面表面，其特征为表面无任何破损和划痕、亚表层无破坏、无表层应力。无任何破损和划痕、亚表层无破坏、无表层应力。超光滑表面加工对象为晶体、玻璃和陶瓷等硬脆性材料。普超光滑表面加工对象为晶体、玻璃和陶瓷等硬脆性材料。普通来说，大部分硬脆材料不能经过类似金属铸造或塑性加工方法通来说，大部分硬脆材料不能经过类似金属铸造或塑性加工方法来加工，只有采取超精密加工方法，才能够到达很好超光滑表面。来加工，只有采取超精密加工方法，才能够到达很好超光滑表面。生产器件，要求晶片是抛光面，即镜面。其表面好坏，如缺点、生产器件，要求晶片是抛光面，即镜面。其表面好坏，如缺点、损伤等都直接影响器件性能，有些缺点是致命，从而造成后道工损伤等都直接影响器件性能，有些缺点是致命，从而造成后道工序成品率低。序成品率低。晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第9页页常见亚表面损伤检测方法常见亚表面损伤检测方法破坏性检测破坏性检测非破坏性检测非破坏性检测截面显微法截面显微法TEM法法锥度抛光法锥度抛光法X射线衍射法射线衍射法激光散射法激光散射法显微拉曼光谱法显微拉曼光谱法晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第10页页破坏性检测破坏性检测 破坏性检测方法在检测过程中会部分或全部破坏试件，以破坏性检测方法在检测过程中会部分或全部破坏试件，以使所要检测损伤在表面显示出来使所要检测损伤在表面显示出来,再经过适当显微观察技术得到再经过适当显微观察技术得到所需要损伤检测结果。所需要损伤检测结果。破坏性检测方法缺点：会破坏晶片，检测后晶片将不破坏性检测方法缺点：会破坏晶片，检测后晶片将不能再继续应用。能再继续应用。但破坏性检测含有检测结果直观、方便优势，所以在当但破坏性检测含有检测结果直观、方便优势，所以在当前晶片质量控制及损伤检测研究过程中，该种方法还是一个不前晶片质量控制及损伤检测研究过程中，该种方法还是一个不可替换检测伎俩。可替换检测伎俩。晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第11页页截面显微法截面显微法 截面显微法是观察晶体亚表面损伤层深度和微裂纹构形主要方法，截面显微法是观察晶体亚表面损伤层深度和微裂纹构形主要方法，样品制备质量直接影响试验结果准确性，其制备步骤以下：样品制备质量直接影响试验结果准确性，其制备步骤以下：切片切片粘片粘片 研磨研磨抛光抛光腐蚀腐蚀观察观察用解理刀将待检测晶片解理成适当大小矩形本；用解理刀将待检测晶片解理成适当大小矩形本；将待测片与一样大小抛光片粘结，尽可能确保各片待测截面平齐。将待测片与一样大小抛光片粘结，尽可能确保各片待测截面平齐。以去除解理时产生损伤，同时确保待测面与晶片加工面垂直；以去除解理时产生损伤，同时确保待测面与晶片加工面垂直；对待测截面进行抛光，以确保待测截面无加工损伤；对待测截面进行抛光，以确保待测截面无加工损伤；采取适当腐蚀条件对待测面进行腐蚀；采取适当腐蚀条件对待测面进行腐蚀；对制备好试样进行观察分析，取得晶片损伤层深度及微裂纹构型。对制备好试样进行观察分析，取得晶片损伤层深度及微裂纹构型。晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第12页页样品粘结示意图样品粘结示意图ZYP300型旋转摆动重力式研磨抛光机型旋转摆动重力式研磨抛光机截面显微法截面显微法晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第13页页截面显微法截面显微法1.样品制作样品制作2.能将不一样加工工艺对单晶蓝宝石晶体造成亚能将不一样加工工艺对单晶蓝宝石晶体造成亚 表面损伤显现出来腐蚀液配方表面损伤显现出来腐蚀液配方腐蚀液配方为腐蚀液配方为KOH:K2CO3=20g:1g，在，在420oC下腐蚀下腐蚀3min经过试验确定经过试验确定SiC晶片晶片 试验样品制备相对简单，轻易实现，但检测准试验样品制备相对简单，轻易实现，但检测准确度不高，适合用于大损伤基片检测。确度不高，适合用于大损伤基片检测。晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第14页页SiC晶片截面显微图像晶片截面显微图像晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第15页页（a）斜线状）斜线状 （b）垂线状）垂线状 （c）叉状）叉状 （d）钩状）钩状（e）人字状）人字状 （f）横线状）横线状 （g）树枝状）树枝状SiC晶片亚表面微裂纹构型晶片亚表面微裂纹构型晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第16页页晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第17页页锥度抛光法锥度抛光法 锥度抛光法是一个标准亚表面损伤检测方法，在常规锥度抛光法是一个标准亚表面损伤检测方法，在常规损伤检测中含有一定地位，它也是一个惯用破坏性检测伎损伤检测中含有一定地位，它也是一个惯用破坏性检测伎俩，其中锥度相当于一个损伤俩，其中锥度相当于一个损伤“放大器放大器”，它将原来在截，它将原来在截面上损伤信息以腐蚀坑形式在一个小角度斜面上显示出来。面上损伤信息以腐蚀坑形式在一个小角度斜面上显示出来。普通情况下，因为斜面放大作用，它比截面显微法含有更普通情况下，因为斜面放大作用，它比截面显微法含有更高分辨率，误差更小，适合于检测损伤深度较小晶片。高分辨率，误差更小，适合于检测损伤深度较小晶片。晶体缺点部分引发局部应力场会促使腐蚀速率加紧，晶体缺点部分引发局部应力场会促使腐蚀速率加紧，进而在晶片损伤区域形成一定形状腐蚀坑，经过测量腐蚀进而在晶片损伤区域形成一定形状腐蚀坑，经过测量腐蚀坑分布就能够得到单晶亚表面损伤深度。锥度抛光法样品坑分布就能够得到单晶亚表面损伤深度。锥度抛光法样品制备相对简单，轻易实现，但在损伤深度过小制备相对简单，轻易实现，但在损伤深度过小(0.1um)时时不宜采取。不宜采取。晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第18页页锥度抛光法原理图锥度抛光法原理图晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第19页页 锥度抛光样品夹具图锥度抛光样品夹具图最终样品示意图最终样品示意图晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第20页页腐蚀前腐蚀前(800)腐蚀后腐蚀后(800)游离磨料研磨游离磨料研磨SiC晶片锥度抛光显微图像晶片锥度抛光显微图像晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第21页页腐蚀前腐蚀前(800)腐蚀后腐蚀后(800)固结磨料研磨固结磨料研磨SiC晶片锥度抛光显微图像晶片锥度抛光显微图像晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第22页页四种硅片锥度抛光法检测结果四种硅片锥度抛光法检测结果晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第23页页透射电镜（透射电镜（TEM）法）法 截面显微法检测精度较低。透射电子显微镜截面显微法检测精度较低。透射电子显微镜(TEM)检测与截面显微法相检测与截面显微法相比，能够愈加清楚地观察亚表面损伤层深度，并能够深入分辨出非晶层、破比，能够愈加清楚地观察亚表面损伤层深度，并能够深入分辨出非晶层、破碎层和位错分布，但同时样品制作更为复杂。碎层和位错分布，但同时样品制作更为复杂。透射电镜样品制备在电子显微学研究中起着非常主要作用。当前透射电镜样品制备在电子显微学研究中起着非常主要作用。当前已发展了各种制备方法，传统透射电镜样品制备方法有：电解双喷、已发展了各种制备方法，传统透射电镜样品制备方法有：电解双喷、超薄切片、聚焦离超薄切片、聚焦离 子束（子束（FIB）、离子减薄等。）、离子减薄等。晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第24页页透射电子显微镜样品分类透射电子显微镜样品分类1.粉末样品粉末样品2.块体样品块体样品3.薄膜样品薄膜样品4.高分子、生物样品高分子、生物样品脆性材料脆性材料塑性材料塑性材料平面样品平面样品截面样品截面样品晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第25页页块体样品块体样品为何要制样？为何要制样？透射电子束普通能穿透厚度为透射电子束普通能穿透厚度为100nm以下薄层样品以下薄层样品透射电镜样品台只能够放入直径透射电镜样品台只能够放入直径3mm圆片圆片TEM块体样品制备其实是个材料加工成型过程，要充分考块体样品制备其实是个材料加工成型过程，要充分考虑材料本身特征虑材料本身特征晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第26页页 陶瓷、半导体等脆性材料，轻易陶瓷、半导体等脆性材料，轻易开裂，磨样时要轻柔，用超声切割获开裂，磨样时要轻柔，用超声切割获得得3mm圆片圆片 送样要求：厚度送样要求：厚度0.20.3mm，10mm见方薄片，能够将样品用见方薄片，能够将样品用线切割、砂纸磨等方式处理成上述线切割、砂纸磨等方式处理成上述薄片薄片Gatan 601 超声波圆片切割机超声波圆片切割机块体样品块体样品晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第27页页块体样品块体样品脆性样品制样流程示意图（如硅片、陶瓷等）脆性样品制样流程示意图（如硅片、陶瓷等）圆片切割圆片切割单面抛光单面抛光 凹坑凹坑离子减薄离子减薄 样品 情况 3mm 单面抛光中心厚度1030m几纳米到几十纳米几纳米到几十纳米薄区薄区晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第28页页块体样品块体样品-凹坑凹坑Gatan 656 凹坑仪凹坑仪要求：对抛光后样品另一面进行机要求：对抛光后样品另一面进行机 械预减薄至械预减薄至 8080m，对圆片，对圆片 中间凹坑，使样品中间厚度减中间凹坑，使样品中间厚度减 至至1030m。优点：增大薄区面积；准备定位减薄位置。优点：增大薄区面积；准备定位减薄位置。晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第29页页凹坑示意图凹坑示意图块体样品块体样品-凹坑凹坑晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第30页页块体样品块体样品-离子减薄离子减薄Gatan 691精密离子减薄仪精密离子减薄仪目标：目标：TEM样品最终减薄，样品最终减薄，以取得电子束透明观以取得电子束透明观 察区域。察区域。原理：在电场作用下氩气被电原理：在电场作用下氩气被电 离成带离成带Ar+氩离子，氩离子，带着一定能量氩离子带着一定能量氩离子 从阳极飞向阴极，经过从阳极飞向阴极，经过 阴极孔，打在样品表面，阴极孔，打在样品表面，使样品表面溅射。使样品表面溅射。晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第31页页截面样品制备截面样品制备1.选样品选样品2.样品清洗处理样品清洗处理3.加陪片（惯用硅片）粘样品加陪片（惯用硅片）粘样品按照块体样品制备步骤按照块体样品制备步骤晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第32页页晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第33页页非破坏性检测非破坏性检测 与破坏性检测相比，非破坏性检测在样品检测过程中不会给与破坏性检测相比，非破坏性检测在样品检测过程中不会给晶片造成破坏，也不会引入新损伤，这一突出优点使得其在一些晶片造成破坏，也不会引入新损伤，这一突出优点使得其在一些场所下取得了极为广泛应用。场所下取得了极为广泛应用。显微拉曼光谱法显微拉曼光谱法晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第34页页 拉曼光谱分析法是基于拉曼光谱分析法是基于1928年印度物理学家年印度物理学家C.V.Raman等发等发觉基于光非弹性散射拉曼效应。入射光与样品分子之间并非都发生觉基于光非弹性散射拉曼效应。入射光与样品分子之间并非都发生弹性碰撞，也会以一定几率出现方向、频率均改变非弹性碰撞，即弹性碰撞，也会以一定几率出现方向、频率均改变非弹性碰撞，即拉曼散射。人射光与拉曼散射光频率之间差值即为拉曼偏移。拉曼散射。人射光与拉曼散射光频率之间差值即为拉曼偏移。拉曼光谱分析法是一个对与入射光频率不一样散射光谱进行拉曼光谱分析法是一个对与入射光频率不一样散射光谱进行分析以得到检测样品分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构分析以得到检测样品分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究一个分析方法。当前，显微研究一个分析方法。当前，显微Raman光谱仪被广泛应用于晶体光谱仪被广泛应用于晶体材料相位转换及残余应力检测分析中。材料相位转换及残余应力检测分析中。显微拉曼光谱法显微拉曼光谱法晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第35页页 传统显微拉曼光谱仪激光束光斑尺寸相对较大传统显微拉曼光谱仪激光束光斑尺寸相对较大(10mm2mm)，分辨，分辨率低，在当前超精密加工晶片残余应力分析中采取显微拉曼光谱仪激光束率低，在当前超精密加工晶片残余应力分析中采取显微拉曼光谱仪激光束直径为直径为1m。英国雷尼绍inVia激光拉曼光谱仪 其原理是将入射激光经过显微镜聚焦到样品上，从而能够在不受周围其原理是将入射激光经过显微镜聚焦到样品上，从而能够在不受周围物质干扰情况下准确地取得样品微区相关化学成份、晶体结构、分子相互物质干扰情况下准确地取得样品微区相关化学成份、晶体结构、分子相互作用及分子取向等各种拉曼光谱信息。并能够经过改变入射激光束波长来作用及分子取向等各种拉曼光谱信息。并能够经过改变入射激光束波长来改变检测深度，从而获取改变检测深度，从而获取0.110m深度范围内应力和相位信息。深度范围内应力和相位信息。晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第36页页 应用显微拉曼光谱法在测应用显微拉曼光谱法在测量晶体材料残余应力时，材料量晶体材料残余应力时，材料在受到应力作用时，与之对应在受到应力作用时，与之对应拉曼光谱会发生一定改变：当拉曼光谱会发生一定改变：当材料受压应力时，拉曼峰位会材料受压应力时，拉曼峰位会向高波数移动；当材料受拉应向高波数移动；当材料受拉应力时，拉曼峰位会向低波数移力时，拉曼峰位会向低波数移动。动。材料受力前拉曼波数为材料受力前拉曼波数为j0(j=1,2,3),受力后拉曼波数受力后拉曼波数为为j,受力前后波数存在以下受力前后波数存在以下关系：关系：式中式中j是是Secular方程特征根，对于含有金刚石结构材料方程特征根，对于含有金刚石结构材料晶体材料来说，其晶体材料来说，其Secular方程为：方程为：拉曼频移与残余应力对应关系拉曼频移与残余应力对应关系晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第37页页其中，其中，p、q、是声子变形电压（是材料常数），是声子变形电压（是材料常数），ij是应变张量分量。是应变张量分量。经过上面两式就能够建立起应变张量分量与拉曼谱线移动函数关系。经过上面两式就能够建立起应变张量分量与拉曼谱线移动函数关系。求解求解Secular方程必须处理两个问题：方程必须处理两个问题：1.行列式共有三个特征值存在，这对应于物质晶格震动三种模式，所以行列式共有三个特征值存在，这对应于物质晶格震动三种模式，所以必须明确那些模式对拉曼谱线移动有贡献；必须明确那些模式对拉曼谱线移动有贡献；2.试验中只能够观察到一个总谱线移动，而应变张量含有六个未知分量，试验中只能够观察到一个总谱线移动，而应变张量含有六个未知分量，不可能经过一个谱线移动来解得全部六个应变分量值，所以必须对结构不可能经过一个谱线移动来解得全部六个应变分量值，所以必须对结构内部应变状态作假设。内部应变状态作假设。晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第38页页TO峰横光学模峰横光学模LO峰纵光学模峰纵光学模TA峰横声学模峰横声学模LA峰纵声学模峰纵声学模晶体材料亚表面的损伤检测晶体材料亚表面的损伤检测第第39页页