半导体材料的测试技术课件

1、半导体材料的测试技术半导体单晶材料性能的评价晶体的结构完整性：晶向，晶格缺陷（位错密度）组分分析：材料的化学成分，掺杂原子浓度及其分布，氧碳含量，重金属杂质等导电性能：导电类型，电阻率，少子寿命等光学性能：薄膜材料的折射率，吸收系数，光电导特性，发光特性等 工业生产中，一般检测的参数有：晶向，位错密度，氧碳含量，导电类型，电阻率，少子寿命等1、 定向：光学定向法； X光定向法2、缺陷：金相观察法（与半导体专业基础实验相同）扫描电子显微镜（SEM）透射电子显微镜（TEM）原子力显微镜（AFM）X射线形貌技术3、组分分析1）掺杂浓度分析霍尔测量C-V测量二次离子质谱仪（Secondary Ion

2、Mass Spectrometry）2）氧碳含量红外吸收光谱技术3）重金属等痕量杂质分析俄歇电子能谱技术（AES）X光发射谱（XES）X光电子发射谱（XPS）中子活化分析（NAA）质谱分析原子吸收光谱技术三探针法（击穿电压法）应用：测试n/n+或p/p+外延层电阻率原理：金属-半导体接触具有类似于突变pn结的特性，pn结雪崩击穿电压与材料电阻率之间存在经验关系UB=An。若测出肖特基结的击穿电压则可求出材料的电阻率。导电类型的测量冷热探针法测导电型号热探针和N型半导体接触时，传导电子将流向温度较低的区域，使得热探针处电子缺少，因而其电势相对于同一材料上的室温触点而言将是正的。同样道理，P型半导

3、体热探针触点相对于室温触点而言将是负的。此电势差可以用简单的微伏表测量。热探针的结构可以是将小的热线圈绕在一个探针的周围，也可以用小型的点烙铁。在太阳电池制造工艺中，通常使用热电动势法进行导电类型的测量XRD、XPS、SEM等现代测试技术简介电子和物质的相互作用背散射电子：被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子；二次电子：被入射电子轰击出来的核外电子；吸收电子：进入样品的入射电子，经多次非弹性散射，能量损失殆尽，被样品吸收的电子。透射电子；特征X射线：原子的内层电子受到激发后，在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的电磁辐射；俄歇电子：原子内层电子跃迁过程中释放的能量，不以X射线的

4、形式释放，而是使用该能量将核外另一电子打出成二次电子，该二次电子称为俄歇电子。光学显微镜的分辨率：光学显微镜的最大分辨率：0.2m；人眼的分辨本领是大约0.2mm；故光学显微镜的放大倍数一般最高在10001500倍。欲提高分辨率，只有降低光源的波长。扫描电子显微术放大倍数：2020万倍；分辨率：5nm10nm；透射电子显微术分辨率：0.2nm；放大倍数：150万倍。XRD （X-ray Diffraction）X射线本质电磁波X射线波长很短（其波长范围为10nm-0.001nm）、能量极高、具有很强的穿透能力。X射线从发现至今已经有100多年的历史，现已广泛用于工业生产、医学影像、地质勘探和材

5、料科学研究中，发挥着巨大的作用 30kV高压加速的电子与物质碰撞时产生的射线X射线的产生XRD技术的应用粉末x射线衍射高分辨率X射线双晶衍射 高分辨率X射线双晶衍射是指测量样品的摇摆曲线（rocking curve）。摇摆曲线是指衍射强度随X射线入射角（X射线入射线与样品表面的夹角）变化的曲线。研究材料的结晶完整性、均匀性、层厚、组分、应变、缺陷和界面等信息时，高分辨率X射线双晶衍射方法具有独特优势 。从样品的X射线摇摆曲线主要可获知外延层晶格质量、失配度的正负及大小、各层厚度及量子阱结构材料的周期特性等信息 （DCXRD: Double crystal X-ray diffraction）主

6、要测量单晶的材料特性单晶，多晶粉末，或固体片X光衍射测量中最主要的参数是衍射峰的角位置和半高宽FWHM (Full width at half maximum)X射线衍射技术XRD （X-ray Diffraction）Bragg定律2dhklsin =n是入射X射线的波长，是晶面族的面间距，是布喇格衍射角，表示衍射级数的整数对某一晶体来说dhkl是确定不变的，当一定时只有特定的值才能满足以上方程，也就是说只有晶体处于某一方位时才能产生衍射。晶面间距(d)公式：立方晶系：四方晶系：正交晶系：X射线衍射仪测试原理示意图 XRD测试结果实例1自碳饱和硅熔体中生长-SiC晶体 看出在2扫描范围内,

7、出现了分别与6H-SiC(101)、-SiC(111)、6H-SiC(110)、-SiC (220)和-SiC(311) 五个最强的衍射晶面对应的衍射峰，表明所制备的-SiC样品中含有6H-SiC的成分 仅出现-SiC的三个衍射峰，进一步的分析表明对应于-SiC(111)、 -SiC (220)和-SiC(311) 衍射晶面，表明样品为-SiC多晶体 XRD测试结果实例2X射线衍射仪基本构成常用的高分辨率X射线双晶衍射设备，其主要组成部分包括：X光机，提供稳定的X光源；测角仪，衍射仪的核心，起支撑作用，并使试样与探测器相关地转动，支持狭缝系统，限制X射线光路；探测器，检测X射线的部件，主要有盖

8、格计数管，正比计数管，闪烁探测器和Si（Li）探测器等；记录器，放大探测器输出的电脉冲信号并传送给后继的分析系统；电脑控制系统和数据处理系统，对整个测量过程进行机械化的精确控制，并对测试得到的数据进行记录、输出和模拟分析X射线光电子谱(XPS)X-ray Photoelectron Spectroscopy俄歇能谱仪（AES）Auger photoelectron spectroscopyX射线光电子能谱仪（XPS）/ 俄歇能谱仪（AES）仪器型号：AXIS ULTRA 生产厂家：英国KRATOS ANALYTICAL Ltd.基本原理hX射线光电子能谱eAuger电子能谱单色X射线光子的能量

9、在10001500ev之间，不仅可使分子的价电子电离而且也可以把内层电子激发出来， 同一原子的内层电子结合能在不同分子中相差很小，不同能级上的电子,结合能不同，故它是特征的。光子入射到固体表面激发出光电子，产生由一系列峰组成的电子能谱图，每个峰对应于一个原子能级（s、p、d、f）；利用能量分析器对光电子进行分析的实验技术称为光电子能谱。电子能谱分析仪示意图（多功能）激发源试样装置电子能量分析器检测器计算机XPS 简介X射线光电子能谱是瑞典Uppsala大学K.Siegbahn及其同事经过近20年的潜心研究而建立的一种分析方法。他们发现了内层电子结合能的位移现象，解决了电子能量分析等技术问题，测

10、定了元素周期表中各元素轨道结合能，并成功地应用于许多实际的化学体系。 X射线光电子谱是重要的表面分析技术之一。它不仅能探测表面的化学组成，而且可以确定各元素的化学状态，因此，在化学、材料科学及表面科学中得以广泛地应用。K.Siegbahn给这种谱仪取名为化学分析电子能谱(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)，简称为“ESCA”，这一称谓仍在分析领域内广泛使用。XPS 简介基本原理：光电效应基本组成：真空室、X射线源、电子能量分析器辅助组成：离子枪主要功能：成分分析、化学态分析采谱方法：全谱、高分辨率谱分析方法：定性分析、定量分析X射线光电子发

11、射的3步骤X射线照射样品入射光子和样品原子相互作用，光致电离产生光电子光电子输运到表面，克服逸出功发射理论基础光电效应根据Einstein的能量关系式有： h = EB + EK其中 为光子的频率，EB 是内层电子的轨道结合能，EK 是入射光子所激发出的光电子的动能。X射线光电子谱仪的能量校准X射线光电子能谱分析的首要任务是谱仪的能量校准。一台工作正常的X射线光电子谱仪应是经过能量校准的。X射线光电子谱仪的能量校准工作是经常性的，一般地说，每工作几个月或半年，要重新校准一次。 荷电效应用XPS测定绝缘体或半导体时，由于光电子的连续发射而得不到足够的电子补充，使得样品表面出现电子“亏损”，这种现

12、象称为“荷电效应”。荷电效应将使样品出现一稳定的表面电势VS，它对光电子逃离有束缚作用。 荷电效应的来源主要是样品的导电性能差。荷电电势的大小同样品的厚度、X射线源的工作参数等因素有关。实际工作中必须采取有效的措施解决荷电效应所导致的能量偏差。荷电效应的中和制备超薄样品；测试时用低能电子束中和试样表面的电荷，使Ec0.1eV，这种方法一方面需要在设备上配置电子中和枪，另一方面荷电效应的消除要靠使用者的经验。 XPS定性分析同AES定性分析一样，XPS分析也是利用已出版的XPS手册。定性分析-谱线的识别因C, O是经常出现的，所以首先识别C, O的光电子谱线，利用X射线光电子谱手册中的各元素的峰

13、位表确定其他强峰，并标出其相关峰，注意有些元素的峰可能相互干扰或重叠。识别所余弱峰。在此步，一般假设这些峰是某些含量低的元素的主峰。若仍有一些小峰仍不能确定，可检验一下它们是否是某些已识别元素的“鬼峰”。 在XPS的应用中，化合态的识别是最主要的用途之一。识别化合态的主要方法就是测量X射线光电子谱的峰位位移。对于半导体、绝缘体，在测量化学位移前应首先决定荷电效应对峰位位移的影响。化合态识别由于元素所处的化学环境不同，它们的内层电子的轨道结合能也不同，即存在所谓的化学位移。其次，化学环境的变化将使一些元素的光电子谱双峰间的距离发生变化，这也是判定化学状态的重要依据之一。 元素化学状态的变化有时还

14、将引起谱峰半峰高宽的变化。 Ti及TiO2中2p3/2峰的峰位及2p1/2和2p3/2之间的距离 XPS测试实例硅的热氧化薄膜的深度分析的检测表面为SiO2Si2p和O1s单质内部为SiAuger电子能谱分析法 Auger photoelectron spectroscopy入射电子能量约为210kev，在样品中只能穿透很薄的表层，俄歇电子能量比较低202000ev，在固体中自由程很短，1nm左右，因而俄歇谱不能揭示样品内部信息只能给出表层信息。和XPS一样，如果结合溅射离子枪对样品进行剥层技术，则可以得到材料的组分和杂质元素的纵向分布。法国科学家Auger1926年发现俄歇电子的，但是由于它

15、在众多的二次电子中所占比例很小，对它的探测比较困难。1967年利用电学微分方法使俄歇电子的谱峰在缓慢变化的二次电子流背景中鲜明显现出来，俄歇能谱才开始用于表面分析。Auger电子能谱原理原子处于基态时，核外电子依次排列在具有一定能量的能级K、L、M、N上。在入射电子的作用下，K能级上的电子被激发电离留下空位，原子处于不稳定的状态要达到稳定，假定L1层上的电子跃迁到K层填补空位，这时将释放多余能量EKEL1两种释放方式：发射特征X射线XES探测的对象将L23层上的电子激发电离产生俄歇电子KL1L23MEF1839ev149ev99ev13ev0ev入射电子XES俄歇电子Auger电子能量与元素序

16、数和产生的能级有关，具有特征性； 对于 3 14 的元素， Auger峰类型为：KLL 型； 对于14 40的元素， Auger峰类型为：LMM 型；Auger电子能谱分析实例XPS和AES的比较XPSAES对样品表面损伤小，定量分析最好。XPS不会对样品充电，可分析绝缘材料可分析价态和化学键类型X射线难于聚焦XPS横向分辨率差灵敏度0.1%入射电子束斑可以很小很好的微区分析能力，很高的横向与深度分辨率性能指标适中、分析速度较快特别适合分析原子序数小的元素可鉴别元素的化学状态结合剥层技术可进行深度分布分析灵敏度0.1%随着科学技术的发展，XPS也在不断地完善。目前，已开发出的小面积X射线光电子

17、能谱，大大提高了XPS的空间分辨能力。二次离子质谱仪SIMS （Secondary Ion Mass Spectrometry） 它主要是用质谱方法分析由一定能量的一次离子打在样品靶上溅射产生的正、负二次离子来获取样品的信息。二次离子最早是由Thomson 在1910年发现，1949 年Herzog和Viekbock首次将二次离子发射与质谱联系起来，到上世纪六十年代便正式出现了SIMS测试仪器。70年代，SIMS形成了两个发展方向：Benninghoven及其合作者采用大束斑、低密度的离子束，即静态二次离子质谱(Static secondary ion mass spectrometry，SS

18、IMS)，进行有机样品的表面分析；Wittmaack和Magee等采用高密度的一次束，即动态二次离子质谱(Dynamic secondary ion mass spectrometry，DSIMS)，获取无机样品沿纵向方向的浓度剖面和进行痕量杂质鉴定。 二次离子质谱仪测试原理 二次离子发射的机制极为复杂，简单来说它就是一次离子轰击样品产生的一种特殊粒子。当一次离子轰击样品表面微区时，表层的一部分原子得到较多的能量，它们能克服表面势垒而逸出。一次离子能够穿透上面一些原子层到达固体样品中的一定深度，在穿透过程中产生一系列的级联碰撞。一次离子把它的部分能量传递给晶格原子。这些原子中有一部分向表面运动

19、，并把能量的一部分传递给表面粒子使它发射，这种过程称为粒子溅射过程。溅射出的粒子大部分为中性原子或分子，小部分为带正、负电荷的原子离子和分子离子。这些二次离子由浸没透镜引出，进入二次离子光学系统，经静电分析器和磁质谱仪后，按其质荷比Me的大小分离，对二次离子进行质谱分析便可获得关于样品表面元素、同位素、化合物的组分及分子结构和一定的晶格信息；通过逐层剥离便可获得各种成分的深度分布及样品成分的三维分布信息 SIMS主机结构图 二次离子质谱仪结构一个基本的二次离子质谱仪主要包括以下五部分：（1）样品架和送样系统，（2）主真空系统，主真空系统保证了样品室和质谱室都处于相当高的真空度。（3）离子枪系统，离子枪用来产生SIMS分析所需的一次离子束，并同时