Using chemical etching technique to determination the crystal orientation for silicon wafer

Transcript

1 مجلة الھندسة والتكنولوجیا المجلد 28 العدد استخدام تقينة الاظهار الكيمياي ي في تحديد اتجاهية المستويات البلورية لشراي ح السليكون د. ساریة ذیاب محمد* فاطمةعریص سلطان* تاريخ التقديم: 2009/6/ / تاريخ القبول : 1/7 و اقبال عبد المجید* الخلاصة تلعب الاتجاهية البلورية لا شباه الموصلات دورا كبيرا في التا ثير على خصاي ص النبطية المصنعة كالخلية الشمسية والكاشف الضوي ي ونحوهما. في هذا البحث تم استخدام تقنية الاظهار الكيمياي ي والفحوصات المجهرية لتحديد التوجيه البلوري لشراي ح السليكون الاحادية حيث ا دت عمليات التنعيم والصقل ومحاليل الاظهار المفضلة الى ا ظهار ندب الانخلاعات على شكل هيي ات هندسية مميزة تشير الى. بينت الفحوصات المجهرية الاختلاف في هيي ات ندب الانخلاعات للمستوي (111) في شراي ح السليكون بتا ثير اختلاف المحاليل الكيمياي ية حيث ظهرت ندب الانخلاعات با شكال هندسية مثلثية مسطحة عند استخدام محلول KOH بينما ا دى محلول CP-4 الى اظهار تلك الندب بهيي ات مثلثية هرمية يشير الرا س الى الاتجاهية [111]. استخدم خلال هذا البحث محلول ا وكسيد الكروم الحامضي في اظهار ندب الانخلاعات للمستويات (100) لشراي ح السليكون حيث كانت على هيي ة مربعات حادة الحافات مسطحة تشير الى تلك المستويات وحسب توزيع معامل ملر في النظام المكعب لشراي ح السليكون. Using chemical etching technique to determination the crystal orientation for silicon wafer Abstract The crystal orientation of a semiconductor play a significant role to effects the characteristics of manufactured semiconductor solar cells and the optical detectors. In this research we use the chemical etching technique and microscopic testing to determine the crystal orientation of the silicon wafer, where mechanical polishing and Wet Etching described the geometric dislocations pits which refers to thecrystallographicorientation. Microscopic examination has been describing differences geometric dislocations pits which reflected from plane (111) in the silicon wafer, by the impact of different chemical solutions. CP-4 etch appear dislocations pits in geometric forms flat trigonometric, while using KOH solution show that pits in conical shape which refers to the vector [111] for silicon wafer. In this work acid chromium oxide solution has been used to showing the geometric dislocations pits of plane (100) in the forms of four fold flat symmetry which refers to that plane in Silicon wafer, as the distribution of Miller Indices in the cubic system. Keywords: crystal Orientation of Semiconductor, crystallographic Orientation of Semiconductor v 391 *قسم العلوم التطبیقیة الجامعة التكنولوجیة / بغداد

2 هي وحدات a, b, c حيث المتجهات على طول كل ا حداثي في المحاور. تعتمد الكثير من الخواص الفيزياي ية لا شباه الموصلات على الاتجاهية البلورية لذلك من الضروري مراعاة توجيه الانماء البلوري في الاتجاهية المطلوبة باستخدام بلورية موجهة في تقنيات بذرات( seed ) ] 3.[ الانماء البلوري تبين تجريبيا ا ن جميع الطراي ق ذات المشاهدة المري ية( Observation (Visual معلومات فنية متقدمة ا و تستوجب مختصين في مجال الانماء البلوري لتحديد الانماء لا وجه المميزة السمات Facets) (Growth ا و ا ظهار الندب ا و تحديد صفات التشققات على السطوح البلورية, حيث تستخدم تقنية حيود الاشعة وطريقة انعكاسية السينية( XRD ) والتقنية Laue) (Reflection لاوي في orientation) (Optical البصرية تحديد الاتجاهية لشراي ح اشباه الموصلات. [1-3] تحدث عمليات الاظهار نتيجة تفاعلية السطح مع مواد الاظهار ويساعد البلوري التوجيه تحديد على ذلك (Crystallographic Orientation) والعيوب الشبكية Imperfections) (Lattice الكيمياي ية التراكيب و Composition) (Chemical, وغالبا ما يستخدم الاصطلاحين الاظهار المفضل المفضل وغير (Preferential & Non Preferential) للاشارة الى تا ثير المحاليل الكيمياي ية لا ظهار الاتجاهية البلورية ا و عدم يدعى ]. 4 ا ظهارها على التوالي ] الاظهار الذي يتضمن تفاعلات كيمياي ية والمظهر الصلب بين تلقاي ية بالاظهار الكيمياي ي ا ما الاظهار المنصهرة للمعادن فيتطلب Etches) (Molten Metal درجات حرارية معينة لغرض انحلال 1- المقدمة تشكل البلورات الاحادية single crystal القواعد التكنولوجية في صناعة الليزرات والاجهزة الالكترونية والبصرية وفي بصريات الاشعاع الكهرومغناطيسي. ا ن معظم نباي ط ا شباه الموصلات من الدايودات والترانزستورات والخلايا الشمسية يتم صناعتها وبصورة ا ساسية من عنصر السليكون لذا فان تكنولوجيا السليكون هي الارقى بين جميع التكنولوجيات الاخرى لا شباه الموصلات. نا تكنولوجيا اشباه الموصلات المركبة لا تضاهي تكنولوجيا السليكون من حيث درجة تطورها بل ا ن تطورالا ولى يعد جزي يا الى تطور تكنولوجيا السليكون.من هنا تم ا ختيار الكثير من الباحثين لشراي ح السليكون كعينات لاجراء الدراسة عليها [1]. ان الخاصية المميزة للبلورات الاحادية الصلبة هي ترتيب مكوناتها (الذرات والايونات ( بشكل منتظم وا عادة نفسها بفواصل وفي الاتجاهات الثلاثية عرف هذا الترتيب بالشبيكة البلورية lattice) (crystal وهي عبارة عن صفوف غير محددة الطول موزعة في فراغ بحيث ا ن كل ذرة لها محيط متماثل من الذرات [2]. في مثل هذا الترتيب المنظم من الممكن ا ن تبنى بلورة كاملة برص متكرر للوحدة البناي ية وتعرف هذه الوحدات بالخلية البداي ية cell) (primitive وهذه الخلايا البداي ية تتضمن جميع المعلومات المطلوبة لاعادة بناء مواقع الذرات في البلورة. تشمل نوعية التا صر لعنصر السليكون با نها ا واصر ا يونية تساهمية للمدار. وا ن الترتيب البلوري للسليكون يعرف بشبيكة الماس lattice) (Diamond يعبر عن الاتجاهات داخل البلورة عامة بدلالة المتجه ويكتب هذا المتجه في ا تجاه معين بالشكل الاتي h a + k b +lc.(1)

3 السحب البلوري) وقد اعتمدت ايضا نماذج سلكونية للمستوي (111) المصنعة في لحدى الشركات الالمانية باستخدام تقنية السحب البلوري ا يضا, والتي تم تحديد اتجاهاتها بطريقة (XRD) مسبقا في شركة المنصور العامة. العمليات الميكانيكية لقد استخدمت عمليات الصقل لتنعيم القطع وللحصول على مستويات موازية للسطح ولازالة ا خطاء القطع للمستويات المحددة وتشمل عمليات الصقل على الصقل Grinding والتنعيم.Polishing ولمنع تكسر الشراي ح السليكونية تم تثبيتها على مساند الكبريت الهشة قبل المباشرة بتلك العمليات الميكانيكية ثم اخراجها من المساند لاحقا للاستفادة منها في التطبيقات العلمية. تثبت اوراق التنعيم Paper grinding لدرجات تتراوح بين -25µm) ( 5 على قرص دوار لمنظومة الصقل لنوع Flat Cast Iron.Lap تم امساك مساند النموذج وبشكل عمودي على سطح الورقة و بتحريك يدويا على هيي ة داي ري وبا تجاه واحد ولمدة ت ت راوح بين min) 15-30), للحصول على سطح ناعم مستوي خالي من الخدوش. يثبت النموذج بعد ذلك على قماش التنعيم في القرص الدوار ويستخدم محلول الالومينا ) 3 (AL 2 O ذات مقاس حبيبي (5μm) من ساي ل الكليسيرين ا و الماء اللاايوني لتنعيم الشراي ح, ثم يستخدم معجون الماس Diamond Pasts (0.25) لصقل النموذج لحين الحصول على سطح صقيل يشبه المرا ة. يغسل النموذج بالماء المقطر تزال مساند الكبريت باستخدام ملقط حاد ا و سكينة حادة ثم يستخدام محلول حامضي مخفف لتنظيف النماذج البلورية والمتكون من : تبلور وا عادة المنصهرة المعادن فوق السطوح (Recrystallization) (III-V) البلورية للجرمانيوم ومركبات لا شباه الموصلات والذي يستخدم في التقنيات ا ما لتحديد الاتجاهية البلورية البصرية التقنيات الاخرى للاظهار مثل التحلل (Anodic Dissolution) الانودي الكهروكيمياي ي والاظهار القصف و Etching) (Electrolytic الايوني Bombardment) (Ion تعد اقل استخداما لاظهار هيي ة ندب الانخلاعات ( Geometric Dislocations pits ) وحسب اتجاهية السطوح البلوري[ 5 ]. يعزى التشابه في هيي ة الندب المظهرة للمستويات الموجهة وبشكل عام في تراكيب بلورة الماس للجرمانيوم والسليكون وزنكيلاند للمركبات( III-V )في ا شباه الموصلات الى تناسقية السطوح الرباعية حيث تحاط كل ذرة با ربع ذرات قريبة وتتا صر الذرات على طول الانخلاعية ثلاثيا للشبيكة وتشير الانخلاعات الى مواقع بلورية ذات ا واصر متدلية تتفاعل تلك الاواصر بالمحاليل المظهرة فتظهر على هيي ات هندسية مختلفة وحسب اتجاهية المستويات المستويات سطوح فتعكس البلورية ذات الانخلاعات ندب (111),(100) الهيي ات المثلثية, ذات استطالة وعلى التوالي بينما تساعد محاليل الاظهار غير المنفصلة البلورية على تنعيم السطوح.[6] هدف البحث: البلورية دراسةالمستويات هو لشراي ح اشباه الموصلات باستخدام تقينة ضوي ية مجهرية بسيطة تستخدم في مختبرات البلوات لصناعة الصناعية الشركات الاحادية. الجانب العملي: تم الحصول على النماذج البلورية المصنع في (100) للسليكون وللمستوي شركة المنصور العامة باستخدام تقنية 3

4 system) (Cubic والموضحة في الشكل.(2) يظهر في الشكل( b, ( a 2 تا ثير المحلول الكيمياي ي المفضل CP-4 1 part HF : 3part HNO 3 : 10 part CH 3 COOH 40 sec جي 1HF: 10H 2 O عند درجة حرارة الغرفة و فف بالهواء المقطر ثم يغسل بالماء الجاف. الاظهار الكيمياي ي لندب الانخلاعات تظهر النماذج البلورية با حدى محاليل الاظهار الكمياي يةالمدونة في الجدول (1) ثم تفحص باستخدام مجهر ضوي ي عاكس لنوع Metallux 3 ولقوة تكبير مختلفة تتراوح ( ) مرة. النتاي ج والمناقشة: تعطي تقنية الاظهار الكيمياي ي هيي ات هندسية لندب الانخلاعات عى شراي ح السلكون بالا مكان الاستدلال من خلالها الى المستويات البلورية اعتمادا على المصادر العلمية المعتمدة لذلك [7 1]. شراي ح السيليكون للمستوي ) 111 ): يوضح الشكل,b) ( a 1 الصور المجهرية لندب الانخلاعات المظهرة لسطوح شراي ح السليكون وللمستوي ) 111 ( عند قوة تكبير مختلفة, بعد عمليات التنعيم و الصقل ثم استخدام المحلول الكيمياي ي الذي مكوناته هي:- الوزن 50% محلول هيدروكسيد الصوديوم عنددرجة حرارة weight % NaOH at 65 C 10 min يظهر الشكل,b) ( a 1 هيي ات هندسية على شكل مثلثات مسطحة ذي حافات حادة. تشير المستوي (111) في شراي ح السليكون ] 6 [.تعزى تلك الندب الى التنعيم و الصقل والمحاليل الكيمياي ية المفضلة في ا ظهار هيي ات ندب الانخلاعات العاي دة للمستوي (111 ( في تركيب المكعب لبلورات الماس diamond,حيث تتحفر ثلاث جوانب هرمية three-side inverted pyramid من المستوي ) 111 ( وحسب توزيع معامل ملر في البلورات ذات نظام مكعب تغير الهيي ات الهندسية لندب الانخلاعات في المستوي (111) لشراي ح السليكون عند قوة تكبيرمختلفة, حيث تظهر مثلثات هرمية القاعدة را سه يشير الى الاتجاه [111],b) ( a 3 العلمية [3,4]. يعزى سبب الاختلاف في هيي ات الندب في الشكل (b,a)3 عن الشكل (b,a)1 الى فعالية محلول الاظهار المفضل CP-4 ولفترة زمنية قليلة في ا براز وتجسيم ندب الانخلاعات المثلثية با شكالها الهندسية لشراي ح السليكون. شراي ح السليكون للمستوي (100) يوضح الشكل (b,a)4 صور مجهرية لندب الانخلاعات المظهرة على السطوح المستوي (100) لشراي ح السليكون عند قوة تكبير مختلفة بعد عمليات التنعيم الصقل واستخدام المحلول الكيمياي ي المفضل 5 gm CrO 3 : 10 ml H 2 O: 7.5 ml HF at 20 min يظهر في الشكل ((b,a)4 الهيي ات الهندسية لندب الانخلاعات على شكل مربعات مسطحة ذي حافات حادة, يعزى ذلك الى تا ثير الاظهار لتحفير الجوانب الاربعة الهرمية pyramids) ( four side في النظام المكعب لتركيب بلورات السليكون حيث يقترب معامل ملر في المستوي (100) لتركيب بلورات الدايمود (Diamond) ذات FCC الى الشكل المربع وكما موضح في الشكل (2) [4]. 4

5 References [1] R. Hull [ Properties of Crystalline Silicon (INSPEC, London, 1999)] [2] D. K. Schroder, Semiconductor Material and Device Characterization,John Wiley & Sons, New York,( 1998), p [3] R. B. Bergmann," Crystal Growth Res". 1, 241 (1999) [4] Saria D.AL Alagawi& Mnal A.aboud Optical Method to Determine the Orientation of Monocrystalline Wafers Eng&Technology, Vol.25, No.8,2007 [5] Seeger, Semiconductor Physics (Springer, Berlin- Heidelberg, 1999), p. 161 [6] ANNUAL Book of ASTM Standards Sections 10,Vol.10.05,Electronics (11),(1988) [7] D. Walker, V. Kumar, K. Mi, P. Sandvik, P. Kung, X. H. Zhang, and M. Razeghi, Appl. Phys. Lett. 76, 403 (2000). الاستنتاجات - 1 ا مكانية اعتماد الفحوصات المجهرية عند قوة تكبير مختلفة في تحديد الاتجاه البلوري لشراي ح السليكون من خلال ا لاظهارالكيمياي ي لندب الانخلاعات على تلك السطوح. - 2 تظهر الفحوصات المجهرية ندب ذات هيي ات مثلثية مسطحة للمستوي ) 111 ( على شراي ح السليكون. - 3 فعالية المحاليل الكيمياي ية المفضلة في تغيير الهيي ات الهندسية لندب الانخلاعات على السطوح للمستوي ) 111 (. - 4 تظهر الفحوصات المجهرية ندب انخلاعات ذات هيي ات مربعة للمستوي (100) على شراي ح السليكون - 5 ا ن معدلات الاظهار للمستوي (100) ابطي من (111) ويعزى ذلك الى اختلاف معدلات االتحلل Rates) (Dissolution لسطوح شراي ح السيليكون والتناقص حسب التسلسل التالي: - [111]>[100]>[110] 5

6 جدول ) (1 المحاليل الكيمياي ية المستخدمة في ا ظهار المستويات لبعض بلورات ا شباه الموصلات ظروف الاظهار محلول الاظهار العدد weight % Sodium hydroxide Solution CP-4 1 part HF: 3 part HNO 3 : 10 part CH 3 COOH 5gm CrO 3 : 10 ml H 2 O 7.5 ml HF (5-20)min at 65ºC (5-40 ) sec (10-20 )min مو شرات عامة لاظهار الندب لمستوي (111) لاظهار الندب لمستوي (111) لاظهار المستوي (100) ( a ) ( b ) شكل (1) صور مجھریة لندب الانخلاعات المظھرة على شراي ح السیلیكون وللمستوي ) 111 ( باستخدام المحلول القاعدي - a تكبیر b- X500 تكبیر X1000 6

7 شكل (2 ( المستویات لمعامل ملر الواطي ة في النظام المكعب [4](Diamond) (a) (b) شكل ) 3 ( صورمجھریة لندب الانخلاعات المظھرة على شراي ح السیلیكون وللمستوي ) 111 تكبیر X1000 -b 300X تكبیر - a ( باستخدام المحلول CP-4 (a) (b) (100) شكل (4) صور مجھریة لندب الانخلاعات المظھرة على شراي ح السلیكون وللمستوي باستخدام محلول اوكسید الكرومa X b250 X - 397