1　晶體定向切割分析

1. 1　定向分析

  目前世界上所用的晶體材料如 Si、 等單Ge質晶體或 GaAs、GaP 、InP 等化合物半導體晶體 都 是 閃 鋅 礦 結 構, 一 般 都 是 沿 〈111〉、〈100〉或 〈110〉取向生長而成。其相互間的關系模型如圖 1 所示。在用這些晶體的晶片做外延生長時, 在不同的晶向上外延沉積的速率是不同的。因此, 正晶向生長的晶體在用戶做外延時都要求晶片偏向鄰近晶面某一角度 ( 一般在 5°以內) , 以保證在同樣生長條件下外延沉積速率較快, 并且外延層的表面質量也較好。

1. 2　定向原理
  晶體定向的方法很多, 下面僅介紹我單位所用的 YX -Ⅱ型 x 射線衍射儀的定向方法。YX -Ⅱ型定向儀只能做一維旋轉, 它特別適用于已知晶向的精密定向。它的定向原理如圖 2 所示, 把切割好的晶片表面置于 Hhkl位置, 探測器置于2Hhkl位置。如所測表面正好為 ( hkl) , 則探測器就會獲得最大衍射值。如所測表面與 ( hkl) 面有一夾角 5 , 則入射線與晶面 ( hkl) 的夾角就為 H 5 , 只有相應地把晶體旋轉 5 值, 才能滿±足 Brag g 方程 ( 2dhklsinH nK 其中: dhkl為 hkl=,晶面族的晶間距, H為入射線與晶面 ( hkl ) 的夾角, K為入射線波長, n 為衍射級, 從而使探測器獲得最大的衍射值。

2　單晶的定向切割
  把晶片的定向原理應用到生產中, 就是使定向儀與切片機密切配合, 從而切割出合乎要求的晶片。我廠所用定向儀為遼東射線儀器有限公司生產的 YX-Ⅱ型定向儀, 切片機為瑞士 T S23 內圓切片機, 切割材料為 Si、GaAs、GaP。由于切片機有兩個可調整切片角度的刻度盤, 一為水平旋轉, 一為垂直旋轉。因此必須把上述的偏角 5 分解成相應的兩個分量 A和 B。5 與 A B、之 間是球面直角 三角形的關系, 即: cos5 = cosAcosB。 5 < 5° 球面直角三角形可近似當時, 地視為平面直角三角形, 即 5 = A2+ B2。
在直拉單晶中, 5 一般都小于 5° 則可用, 此近似公式。根據以上理論, 在實踐中, 加上各晶面間的轉換關系, 反復實驗, 終于摸索出了以下所述方法, 準確實現了晶體的正向切割或從一個晶面到另一任意晶面的 定向切割問題。具體方法如下: 首先, 在晶錠頂端作垂直的標記 “ , 切↑”下測試片。

2. 1　測水平偏移角
  使晶片上的標記為 “ , 置于測試儀上改↑”變入射角度找出最大衍射時的入射角 X。
    當 X> H時 ( 見圖 3) , 此時 A為正值, X=H A 應按圖中所示的旋轉方向來校正晶向。+,

  當 X< H時, A為負值 ( 見圖 4) , 此時 X= H A 應按圖中所示旋轉方向來校正晶向。-

  取 下 測 試 片, 旋 轉 180° 標 記 成使“ , 再測出衍射最大時入射角的值 X′↓”。û用公式 A ûX- X′即可得出晶片在水平=2方向上的偏差。校正旋轉的方向, 根據 X 和 H的大小, 用圖 3 或圖 4 所示的旋轉方向確定。

2. 2　測垂直方向偏移角
    旋轉晶片使標記成 “ , 在 x 光衍射儀上→”測出衍射最大時的入射角 X。
當 X> H時 ( 見圖 5) , B 為正值, X= H B, 應+按圖中所示的旋轉方向進行校正。
當 X< H時 ( 見圖 6) , B 為負值, X= H B,-應按圖中所示旋轉方向校正晶向。
取下晶片并旋轉 180°使標記成 “ , 再測←”出衍射最大時入射角 X′。
    û用公式 B= ûX- X′即可得出晶向在垂直2方向上的偏差。校正旋轉方向, 根據 X 和 H的大小對比, 用圖 5 或圖 6 所示的方向確定。

  圖5 X>H時 B 旋轉方向

圖6 X>H時 B 旋轉方向

    通過以上的測量和計算, 我們就得出了晶向在水平和垂直方向的偏移角 A和 B的值以及校正的旋轉方向。在切片機上按所得結果設定導軌左右和上下偏轉的角度, 即可得到正晶向的晶片。定出了正晶向, 根據單晶的晶體結構再偏轉, 就可切出向其它晶向偏轉的晶片。目前, 通過大批量的加工, 我們已熟練地掌握了這一技術。切割精度達到 5′以內。