GB T 8756-1988 锗晶体缺陷图谱.pdf

1、a UDC 669. 783 : 620. 18 H 24 liOi5 1988-02-25发布共GB 8756 88 图Collection of metallographs on defects of crysta1line germanium 非乐发布1989-02-01实施, 7 . 咱A.民中华人民共和国国标准晶体缺陷图i普Colle时ionof metallographs 00 defects 。.fcrystalline gern抽niumUDC 669.783 620.8 GB 8756-88 本标准规定了错多晶、错单晶制备和机械加工工艺过程中所产生的各类缺陷的形貌。本标准适用

2、于错多品、错单品、错研磨片和抛光镜片的生产和研究。错二极管、晶体管和红外窗口的制造亦可参照使用。1 错多晶缺陷,. , 氧化物,. ,. , 特征晶体表面失去银灰色金属光泽，呈现不同颜色的表面膜(图。,. ,. 2 产生原因氧化物是由于晶体生长时或长期暴露在空气中，氧或水与错反应以及在操作过程中引进的有机物在高温下分解，而后与错反应生成。,. 2 浮渣,. 2. , 特征在晶体表面呈现无金属光泽的灰色薄层图刀。,. 2. 2 产生原因浮渣是由氧与错和绪中的硅相互作用的生成物以及碳等漂浮在错熔体表面，熔体凝固后形成飞,. 3 孔洞和空洞,. 3. , 晶体表面孔洞.3. 特征在区熔、还原以及熔铸

3、后，错晶体与容器相接触的表面可见到大小不等的坑(图3和图4)。1. 3.1.2 产生原因、在定向结晶、区熔提纯和熔铸过程中，熔体凝固时，熔体中的气体不能及时排出，致使与石墨容器(特别是沉碳容器)接触的晶体表面产生大小不等的坑。,. 3. 2 晶体体内空洞1.3.2. 特征在区熔错和熔铸错镀中有空洞时，在其切断面上可见到大小不等、形状各异的坑(图5)。.3.2.2 产生原因熔体凝固时，溶于其中的气体呈过饱加状态，冷却速度过快.气体不能及时排出，聚集于晶体内而形成空洞。1.3.2.3 消除方法采取降低冷却速度、定向结晶或抽真空等方法可消除晶体内的空洞。1. 3. 3 空洞夹层1.3.3.1 特征中

4、国有色金属工业总公司1988-02-04批准气989-02-0实施1 吗/ 二千一一一一一GB 8756-88 熔铸多晶体的切断面上有一明显的上、下面的分界线，用显微镜观察，沿分界线垦密排小气孔，严重时肉眼可见(图6和图7)。.3.3.2 产生原因在气氛下熔铸时，由于热场不均匀，使熔体的上、下面同时凝固，固-液界菌从上、下两个方向向内部移动，溶于熔体中的气体聚集于交界面上。2 .3.3.3 消除方法调整热场，使熔铸过程中熔体保持走向结晶。,. 3. 4 空洞对器件的影响光学用错晶体中的空洞严重降低红外光透过率，从而影响红外光学器件的性能。,. 4 粗结晶,. 4. , 特征在锚多晶表面存在高低

5、不平的结晶区，和周围区域有明显的界线，称为粗结晶(图B和图的。,. 4. 2 产生原因在区熔过程中，局部的多晶料在熔区通过时未被熔化而漂浮在液面上，熔体凝固后形成的。错晶体缺陷2. , 空位团2. ,. , 特征在(111)单晶横断面上，经化学腐蚀后显示出兰角形浅底蚀坑(图10)，在(100)面上显示出方形浅底蚀坑(图11)，在(113)面上显示出类似椭圆形浅底蚀坑(图12)，这些腐蚀坑在定点重复腐蚀后会消失。2. ,. 2 产生原因处于高温下的晶体中，由于晶格原子热运动产生大量的空格点称为空位。随着温度的降低，空位逐渐呈过饱和而凝聚成空位团。若晶体中存在有大量的位错，则这些过饱和的空位会消失

6、在位错上。因此，在无位错或低位错的晶体中可观察到空位团。2.2 位错2. 2. 1 定义在理想的晶体中，原子是按一定规则周期地排列的。在剪切应力作用下，晶体内部某一区域的上、下两部分发生相对位移，结果在晶体中某一位置出现多余的原子半平面，半平面端线处形成畸变区，称为位错线，简称位错。单位体积内位错线的总长度，称为位错密度(cmjcmJ )，但通常位错密度是指单位表面积上位错蚀坑的数目(个/cm )。2.2.2 位错的形态选择适当的腐蚀剂，对观察表面进行择优腐蚀，在位错线表面露头处，可以显示出与晶体晶向、腐蚀剂的组成等条件有关的特定形态的位错蚀坑。典型的位错蚀坑在(111)面上呈三角形;在(10

7、0)面上虽方形;在(110)面上呈菱形，实际上观察到的位错蚀坑形态是多种多样的(图13图19)。2.2.3 位错的分布销单晶横断面位错蚀坑的宏观分布有下列几种组态:也位错均匀分布位错均匀分布见图20。b. 无位错锚单晶体内不存在位错线时，称为无位错错单晶。一般把位错密度不大于500个/cmZ的单晶也称为无位错错单晶(图21和图22)。2 一一A画 珍民GB 8756-88 -c. 位错排/当滑移面受到应力作用，滑移面上的位错沿滑移方向运动，由于某种原因位错滑移终止，其后沿同一方向运动的位错受前面终止位错应力场的作用而按一定的距离排列成行，称为位错排。(111)错单品经腐蚀后，在(111)面上三

8、角形位错蚀坑呈现为底边沿110J品向排列在一条直线上的图象(图23图29)。d. 小角晶界单品中两个取向差很小(几分之一秒到一分弧度)的晶粒的交界面，称为小角晶界。(111)错单品经腐蚀后，在(111)面上呈现个三角形蚀坑顶角对另一个三角形蚀坑底边，沿112J品向排列在一条直线上的图象(图30图34)。取向差增大直线排列的位错蚀坑密度增加。有时小角品界和位错排同时存在(图3日。息系属结构系属结构是小角晶界或位错排的局部密集排列(图36图39)。 位错堆在单晶横断面上某一区域上有大量位错蚀坑聚集在一起，其位错密度为整个横断面平均位错密度的几倍，称为位错堆(图40和困41)。g. 三角形结构在11

9、1J品向单晶横断面上，大量的位错蚀坑有规则地排列成三角形图象。三角形的三条边分别平行于(110)方向(图42)。h. 井字形结构在100J晶向单晶横断面上，大量的位错蚀坑有规则地排列成井字形图象。井字的四条边分别平行于(110)方向(图43)。1. 六角星形结构在lllJ品向单晶横断面上，大量的位错蚀坑有规则地排列成六角星形图象。六角形的六条边分别平行于(110.)方向(图44和图45).j. Y形环状分布在单晶横断面上，大量的位错蚀坑在某些区域集中分布，排列成Y形或Y形-环状分布(图46和图47).k. 环状分布在单晶横断面上，位错蚀坑密集分布在横断面的中心区和靠近边缘的环形区域中，呈环形图

10、象(图48)。1 花形结构在单晶横断面上位错蚀坑密集排列在某些区域，组成似花形图象(图49和图50)。2.2.4 产生原因在晶体生长过程中，籽晶中的位错、国-液界面附近落入不溶性固态颗粒，界面附近温度梯度或温度波动以及机械振动都会在品体中产生位错。在晶体生长后，快速降温也容易增殖位错。2.3 杂质条纹晶体纵剖面经化学腐蚀后可见到明、暗相间的层状分布条纹，称为杂质条纹，又称电阻率条纹.它是错单晶中的-种常见的宏观缺陷，表征错单晶中不同区域杂质浓度存在明显的差异。2. 3. 1 形态和特征杂质条纹有一定的分布规律，在垂直生长轴方向的横断面上，一般呈环状分布，在平行于生长输方向的纵剖面上，呈层状分布

11、。杂质条纹的形态反映了困-液界面结晶前沿的形状(图51图5的。2. 3. 2 产生原因在晶体生长时，由于重力产生的自然对流和搅拌产生的强制对流，引起固-液界面附近的温度发生3 _- A、户、严J山VA一/I GB 8756-88 微小的周期性变化，导致晶体微观生长速率的变化，或引起杂质边界层厚度起伏，以及小平面效应和热场不对称等，均使晶体结晶时杂质有效分凝系数产生波动，引起晶体中的杂质浓度分布发生相应的变花，从而在晶体中形成杂质条纹。2. 3. 3 消除与抑制调整热场，使之具有良好的辅对称性，并使晶体的旋转轴尽量与热场中心轴同轴，抑制或减弱熔体热对流，可以使晶体中杂质趋于均匀分布。采用磁场拉晶

12、工艺或在无重力作用的条件下拉品可以消除杂质条纹。2.4 杂质管道在错单品中，沿晶体纵向形成管道状杂质富集区，称为杂质管道。2. 4. 1 特征在l11J错单晶纵剖面上经化学腐蚀后出现如管道状的腐蚀条纹，在横断面上则出现近似因形或圆弧状的腐蚀条纹。在管道区内的杂质条纹呈直线状，与周围杂质条纹有明显区别图57图60)。2.4.2 产生原因按111J晶向生长的单品，在适当热场下，固液交界面上会出现(111)小平面，由于小平面上的过冷度较大，生长速度快，杂质的有效分凝系数较大，在晶体中形成一个杂质富集区，在化学腐蚀过程中，此区易腐蚀，而显示出管道图象。2. 5 杂质析出2. 5. 1 特征在重掺杂错单

13、品横断面上，经化学腐蚀后呈现出凤尾状或花纹状图象u杂质析出常常出现在单晶的尾部(图61图64)。2. 5. 2 产生原因在重掺杂错单品生长中，由于结晶前沿附近熔体中杂质浓度逐渐升高，形成严重的组分过冷而使熔体处于亚稳状态，在熔体结晶过程中，杂质浓度超过固体溶解度所致。2. 5. 3 消除方法在拉制重掺杂单晶时，增大固液界面的温度梯度，降低拉品速度和增加晶体转速有利于消除杂质析出。2. 6 夹杂2. 6. 1 特征晶体中存在异质颗粒称夹杂。某些夹杂物经化学腐蚀脱落后形成大小不等的浅坑，未脱落的形成乳凸(图65图70汾用电子显微镜可观察到错晶体中存在的氧化错、碳等夹杂(图7l图73)。2.6.2

14、产生原因1多晶错中石墨颗粒或未完全还原的工氧化错及在单晶生长工艺中引入的不溶性杂质等都会形成夹杂。/ 2.7 PN结在高纯错单晶的拉制过程中，N型杂质和P型杂质的含量相差不大，但由于它们的分凝系数相差较大，结果在晶体的某一部分形成PN结(图74)。2.8 凹坑晶体经化学腐蚀后，由于晶体的局部区域具有较快的腐蚀速度，使晶体横断面上出现的坑，称凹坑。腐蚀温度越高或腐蚀时间越长，则凹坑就越深，甚至贯穿(图75和图76)。2.9 空洞2. 9. 1 特征错单品内存在空洞时，在切断面王可见到无规则、大小不等的小孔(图77和图78)。2. 9. 2 产生原因4 产，民, / f 屠飞 面，GB 8756-

15、88 在气氛下拉制单晶时，由于气体在熔体中的溶解度较大，当晶体生长时，气体的溶解度则减小呈过饱和状态。如果晶体生长速度过快，气体不能及时从熔体中排出，则会在晶体中形成空洞。2. 1 Q 李晶2. 1 Q. 1 特征在晶体断面上呈现出金属光泽不同的两部分，其分界线通常为直线。在晶体表面可观察到明显的闭合交界曲线(囱79图自2)。2. 1 Q. 2 产生原因在单晶生长过程中，固液界面处存在固态小颗粒、机械振动、拉晶速度过快、温度的突变以及熔体中局部过冷都会造成成核中心而产生孪晶。2.11 嵌晶2. J1. 1 特征在错单晶内部存在与基体取向不同的小晶体晶粒)，称为嵌品，横断面上呈现金属光泽不同的小

16、区域。嵌晶可以是单晶或多晶。在一般的拉晶工艺条件下，嵌晶是很少见的(图83图85)。2. 11. 2 产生原因品向偏离度大、存在不溶性杂质、热场不对称等都可能引起嵌晶。嵌品出现后，单晶体可以继续按原品向生长。2. 12 多晶错晶体中出现多个取向不同的单晶体，称为多晶。在晶体的横断面上经研磨或化学腐蚀后呈现多个金属光泽不同的区域(图86图92)。 机械加工缺陷3. 1 机械应力缺陷错单晶在机械加工时，错片表面会引入机械应力缺陷，严重时，即使经研磨后表面上己看不见损伤痕迹，但经化学腐蚀后又会呈现这种缺陷(图93)。残余应力也会在错单晶中引起位错(图94)。3.2 切割刀痕3.2. 1 特征刀痕是指

17、切割加工时在错片表面留下的刀具痕迹，表面严重的刀痕则是呈现一系列凹凸相间圆弧形沟槽，弧的半径与切割刀具半径相同(图95和图9的。3.2.2 产生原因刀具不平整、转动时有较大的摆动、刀刃处的金刚石颗粒不均匀以及进刀速度过快都会在切割的错片表面产生刀痕。3.3 根部崩裂3. 3. 1 特征在错片边缘沿着刀痕有呈圆弧状的断裂图97)。3.3.2 产生原因切割刀片安装不当、进刀速度过快，使晶片未被切割到底就崩裂;进刀不足，使晶片未被切割到底，在取下晶片时根部发生崩裂。3.4 斜片3. 4. 1 特征错片两个表面不平行，经过研磨后某一区域未能磨到，称为斜片(图98和图99)。3. 4. 2 产生原因切割

18、刀片安装太松，进刀速度太快，切割阻力超过刀片本身的张力时，引起刀片侧向移动，造成斜3 与)JJ5 片。v 一二一一一GB 8756-88 & KOHK，Fe(CN).H，O二128100 8恒Iin 图11空位团HF HNO, Cu (NO,), = 211 图12空位团HF H, 0, Cu(NO,), =211 (100) 5mln (U3) 10min 200 x 400 x 200x 11 。因国叫阳西面. 国目咱国Z。H nzru ( 国。HN 卢。EE 11 H 巳Z飞(时付出) H H N H HH6羊H - . J , 0 价F1 此萨v/j、G B 8756 -88 5min

19、 图16HF HNO, Cu (NO.). = 211 位错 250 x 10min 图17位错HF H, 0, Cu (NO,), =2 1 1 15min 图18位错KOH K, Fe(CN). H, 0 = 128100 13 14 GB 8756-88 图19位错320 x HFH, O.Cu(NO,), =32l IOmin 国20位错均匀分布图21无位错KOH K. Fe(CN). H. 0 = 128100 8min (:, 2X a 2 x GB 8756 -88 图22无位错KOH K, Fe(CNl. H, 0二128100图23KOH K, Fe (CNl. H, 0 =

20、 128100 白、图24 位错排011 8min 8min qll) 80 x 2x 15 、16 GB 8756-88 图图图25 26 27 位错排JWGd勾位错排( 11 1) 2X (11) 160 x (11 1) 明80 x r、 E 、= , 1 J GB8756-88 图28位错排HF HNO, , Cu (NO,), = 2 11 图29位错排HF乞HNO，, Cu (NO, =211 图30小角品界KOH K, Fe (CN). H, 0 = 128 100 5min 5min / (11 1) 8口Ull1.5 x 马i实夹辅岳飞320 x 1 .5 , x 17 18

21、 GB 8756 -88 图31 小角晶界图32, 小角晶界因33小角晶界HF HNo, CuOi(川，离%1110min 图34小角晶界HF H, 0, Cu (NO,), = 211 4Ll马LP、fAR-卜小角品界和35 图 可，19 1.5 x 8min 图36系属结构KOH H, Fe(CN). H, 0 = 128 100 GB 875688 位错堆40 图, 吁A 如r个飞lkI电 40 (111 位错堆41 图o 21 1.5 x 三角形结构42 图h J(i r y 8756-88 GB 200 x 5min 图43HF HNO, , Cu(NO,)., = 211 4 飞亡

22、立1.5 x 六角星形结构44 图 1.5 x 六角星形结构45 图22 GB 8756 88 2 x y形结构46 图2 x Y形环状分布47 图.监 1fill 2 x 环状分布48 图23 F 图24 GB 8756一图49图50 花形结掬51 杂质条纹(纵剖面)电解法脉冲电镀 2 x 2x 2X 88 8756 GB d ;俨3卢一5 o 。汹草主 民因H o 吨。时型1导( 量主因、J-= 争y、 国-。.E主h畸 曾矗3茸。. 嗖-飞/ 88 8756 GB r , 80 裂纹109 图、，矿 .5 3 裂纹(小片110 图 JJ汽巾纸听哪怕。4JW 80 裂纹111 图44 手h

23、 t r 图 GB 8756 -88 112 沿解理面碎裂图113 崩边图114 崩边2 5 1 .5 45 GB 8156 一图115 图116 盖世口图117 缺角、46 4 Xl .5 4 a 气J , A吨l; GB 8756 -88 坦飞f 6 x 缺口118 图功va-儿6 x 形状不规则119 图 、 47 2x 形状不规则120 图因HNH 。因面叫回-w。. 飞飞A介J、，俨)哈马b、参J币、3、, , .J , 守(马扫飞z 气吻伽 , , 飞，伺、争誓， 产飞机，%飞、付。且W品冲U节世回涅(茹国咄咄)H 因HNN 出W男剖川洁BE(wm出W) a 因川问肚 HN臼 认一

24、, 1 -88 8756 GB 飞 川、 2 水渍124 图飞队ll, 飞、毡，2X 指纹125 图 1 X 卜2X 表面氧化126 图r 49 L GB 8756 -88 、 一也图127 表面氧化l , , 图128 表面I占1亏4 . 、 图129 晶片腐蚀氧化7X 50 :1 、气8756-88 GB . 飞llltn 7X 晶片腐蚀氧化130 图4 电，代JF4飞、 80 晶片腐蚀氧化131 图 k 、 c d 粘片132 图51 AJ iAl 8756-88 GB 、1.5 x 直线形干涉条纹133 图 2 x 直线形干涉条纹134 图1.5 x 环形干涉条纹135 图52 1 ，

25、咱r J 气 j飞，俨, 、于飞 图 GB 8756 一88136 环形干涉条纹1 .5 、图137 高光圈l 图138 低光圈1 X 53 GB 8156 -88 、 图139 不规则1.5 x r 有图140 不规则1.5 x . 54 GB 8756-88 、附录A择优化学腐蚀法(补充件A.l 方法提要错晶体中缺陷周围存在着能量较高的非均匀应力场。在择优化学腐蚀液中，缺陷处的腐蚀速率不同于晶体的完整部分，形成具有一定对称性的腐蚀图形。这种腐蚀图形态与晶向、缺陷类型及选用的腐蚀液种类密切相关，也与晶体表面清洁度、腐蚀液温度、体积和晶体表面积等因素有关。根据金相显微镜下观察到的腐蚀图形和数量

26、，可以判断缺陷的种类和计算其密度。样品融l备A.2 将待测晶体沿垂直生长轴方向切割，然后观察表面用粒度为28-32m(302勺金刚砂研磨，使表面平整无划痕。去除油污后用水冲洗干净。A.3 化学抛光A. 3. 1 将制备好的样品进行化学抛光，消除表面损伤层并获得一平整光亮的镜面.A. 3. 2 化学抛光液配比为，HF(40%), HNO, (65%68%) =1 3(体积比。抛光时间依不同条件为2-5Iiln。在抛光过程中要轻轻地晃动样品，选择适当的腐蚀液用量，抛光温度不要过高，使样品不暴露于空气，防止氧化。抛光好的样品用水冲洗干净。缺陷的化学腐蚀显示J A.4 根据样品的晶向和所要观测的缺陷类

27、型选择适当的腐蚀液(表A1中列出了常用的几种腐蚀液。将抛光好的样品浸于腐蚀液中，按一定的条件(温度、时间、搅拌等)进行化学腐蚀显示。腐蚀好的样品经严格清洗、干燥后，在金相显微镜下观察缺陷的形态并进行计数。A.5 杂质条纹的显示方法A. 5. 1 在含有铜离子的电解液中，通过一个电容器的充放电，把适当的脉冲电压加到作为一个电极的样品上。根据电化学腐蚀原理，脉冲电流使晶体的低阻区域优先镀铜或溶解，从而呈现出一系列条纹。选择适当的电解液成分、脉冲电压、脉冲频率和镀铜时间，可获得清晰的条纹。A. 5. 2 对P型样品，电解液成分为1L溶液含21g硫酸铜(CuSO. 5H,O )和52mL浓硫酸，祥品作

28、阴极，脉冲电压1200 V，脉冲频率510Hz，镀铜时间30s。A. 5. 3 对N型样品，电解液成分为21L溶液中含160g氮氧化销，190 g酒石酸和10g硫酸铜(CuSO. 5H,O) ，样品作阳极，脉冲电压1200 V，脉冲频率510Hz，电镀时间2扭扭。5 f:1111Jt暗q;:tit!?;13HHRFiiJJfhm-JK飞fir-n. - tEyiZJISZ阁。Di!飞 Flf吨-IAt-JJ弃、萨J L d 谱国和华人民共国家标准晶体缺陷中错GB 8756- 88 传. 中国标准出版社h也版(北京复外三里河)中国标准出版社秦皇岛印刷广印刷新华书店北京发行所发行各地新华书店经售版权专有不得酶邱电摩印张3;字数1100001989年4月第一次印刷开本880X 1230 1/16 1989年4月第-版印数1-2500、定价2.80元睡书号:1550661-5957 * 标目112-24