DETERMINING THE ORIENTATION OF A SINGLE CRYSTAL BY ANALYZING THE INDENTATION GEOMETRY

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОРИЕНТАЦИИ МОНОКРИСТАЛЛА С ПОМОЩЬЮ АНАЛИЗА ГЕОМЕТРИИ ОТПЕЧАТКА ИНДЕНТОРА

Научная статья

Комаровский Н.Ю.^1, *, Ющук В.В.², Биндюг Д.В.³, Богембаев Н.Р.⁴

^{1, 2} АО «Гиредмет», Москва, Россия;

^{3, 4} Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (nickkomarovskiy[at]mail.ru)

Аннотация

Работа посвящена разработке методики по определению кристаллографической ориентации монокристалла. В качестве объекта исследования использовались монокристаллы арсенида галлия, выращенные методом Чохральского в кристаллографическом направлении <100>.

Описаны классические подходы к определению индексов плоскостей с помощью селективного травления (по формам ямок травления) и рентгеноструктурного анализа.

Были приведены результаты экспериментальных исследований монокристаллов ориентации <100>, направленные на детектирование плоскостей семейства {110}, являющихся плоскостями базового среза. Изучены процессы образования микротрещин, возникающих в ходе стандартных испытаний на определение микротвердости и показан закономерный характер их распространения по поверхности.

Ключевые слова: монокристалл, арсенид галлия, селективное травление, рентгеноструктурный анализ, микротвердость, ориентировка.

DETERMINING THE ORIENTATION OF A SINGLE CRYSTAL BY ANALYZING THE INDENTATION GEOMETRY

Research article

Komarovsky N.Yu.^1, *, Yushchuk V.V.², Bindyug D.V.³, Bogembayev N.R⁴

^{1, 2} Giredmet JSC, Moscow, Russia;

^{3, 4} National University of Science and Technology MISiS, Moscow, Russia

* Corresponding author (nickkomarovskiy[at]mail.ru)

Abstract

The current study discusses the development of a technique for determining the crystallographic orientation of a single crystal. Single crystals of gallium arsenide grown by the Czochralski method in the crystallographic direction of <100> were used as the subject of research.

The study describes classical approaches to the determination of plane indices using selective etching (based on the shapes of etch pits) and X-ray diffraction analysis.

It also presents the results of experimental studies of single crystals of orientation <100>, aimed at detecting the planes of the {110} family, which are the planes of the primary flat. The authors analyze the processes of formation of microcracks that occur during standard tests for the determination of microhardness and demonstrate the regular nature of their propagation over the surface.

Keywords: single crystal, gallium arsenide, selective etching, X-ray diffraction analysis, microhardness, orientation. Введение

Арсенид галлия (GaAs) – один из самых распространённых и изучаемых полупроводниковых соединений. Неуклонно растущий к нему интерес обусловлен тем, что арсенид галлия обладает уникальными электронными свойствами, которые превосходят такие известные полупроводники, как Ge и Si. Подвижность электронов в полупроводниках арсенида галлия выше, чем у аналогов, что позволяет приборам на его основе работать на частотах до 250 ГГц. Арсенид галлия получил широкое применение в сверхвысокочастотных элементах, используемых в гаджетах (смартфонах, планшетных ПК), в оптоэлектронике (для создания ультраярких светодиодов), в фотовольтаике (как в виде элементов солнечных батарей, так и в виде подложек каскадных фотоэлектрических преобразователей) [1].

Параметры кристаллической решетки GaAs и ее ориентация тесно взаимосвязаны с характеристиками полупроводниковых приборов [1], что обосновывает необходимость прецизионной детекции плоскостей базового среза. Классические методики, решающие данную задачу, имеют ряд ограничений, связанных с требованиями к геометрии образцов, тщательному соблюдению технологических параметров, что повышает энергоемкость их применения в рамках производства и сужает круг решаемых с их помощью задач.

Методы и принципы исследования

Традиционным подходом к определению ориентации выращенного монокристалла является селективное травление и рентгеноструктурный анализ [2].

Детектирование кристаллографических плоскостей с помощью дифрактометра основано на вращении поверхности монокристалла относительно пучка рентгеновских квантов, падающего под углом, соответствующим положению дифракционного максимума. Данная схема съемки определяет существенное требование к образцам – максимально возможная идеальность поверхности, что в ряде случаев является недостижимым [3].

Селективное травление с этой точки зрения является более перспективной методикой, так как позволяет работать со слитками любой формы. Для определения искомой ориентировки кристалла достаточно лишь изготовить плоский образец (пластину) и определить по нему ориентировку ямок травления. Но, помимо вышеобозначенных достоинств, данная технология обладает рядом сложностей в применении:

• Травитель не должен быть слишком активным, так как это может привести к соизмеримости скоростей травления гладкой поверхности и поверхности дефектов;
• Скорость травления ямки в глубину со временем уменьшается, так как затрудняется отвод продуктов реакции со дна ямки. На глубине ямки скорость травления в ширину будет меньше, чем у поверхности, что объясняет остроконечность ямок. Длительное травление может привести к нарушению четкости границ, следовательно, необходим подбор оптимального времени травления, позволяющего получить нужный размер ямки и достаточно четкие ее очертания;
• Зависимость геометрии от химической частоты и подбора временных параметров вносит погрешность в определение искомой кристаллографической ориентировки [4], [5].

Резюмируя вышеприведенные тезисы, можно сделать следующий вывод: селективное травление, одновременно не являясь требовательным к образцам с точки зрения их геометрии, сильно зависит от прецизионности соблюдения химической чистоты реактивов и времени химической реакции. Также нельзя не отметить высокую энергоемкость данного метода, что не может не сказаться на снижении КПД производства в целом. Пример применения данной методики на арсениде галлия, выращенном в направлении <100>, показан на рисунке 1.

Рис. 1 – Обоснование геометрии ямки:

А – расположение тетраэдра Томпсона в ГЦК решетке; Б – проекция ромба на плоскость семейства {100}; В – микрофотографии реальных фигур травления в арсениде галлия

 

С целью оптимизации данного технологического процесса нами был предложен подход ориентировки монокристаллических пластин и слитков по характерному положению микротрещин, возникающих при воздействии индентора на поверхность. Данная идея основана на том, что плоскостями скола в кристаллах с решеткой сфалерита являются плоскости <110>, в направлении которых и будет происходить рост трещин [6]. Перенос направления роста на поверхности слитка (пластины) позволит определить положения данных кристаллографических плоскостей, т.е. произвести ориентировку.

Для обработки заготовок резкой использовался прецизионный стенд Isomet Buehler. На данном станке производился срез монокристаллов под определенным углом для дальнейших полировки и травления. Данная установка позволяет благодаря своей рабочей зоне обрабатывать образцы диаметром до 100 мм.

Испытания на микротвердость полученного образца были проведены на микротвердомере Tukon 1102. Установка Tukon работает по методу Виккерса (индентор в виде алмазной пирамиды).

Оптические исследования протравленных образцов с отпечатками индентора проводились на микроскопе Axio Scope A1 Carl Zeiss (с программным обеспечением Tixomet). Геометрия отпечатков индентора анализировалась при увеличении 50 крат.

Оптимальный состав полирующего травителя, применяемого для облегчения анализа распространения трещин, был определен эмпирически –H₂SO₄ : HF : H₂SO₄ = 2:1:3.

Основные результаты

В качестве образцов для исследований служили пластины монокристаллического арсенида галлия, вырезанные с торцевой части слитка, выращенного в направлении <100>. Испытания на микротвердость проводились вдоль одного из диаметров образца так, как показано на рисунке 2.

Рис. 2 – Схема проведения испытаний

 

Цифрами на рисунке 2 показаны точки, в которых положение пластины относительно индентора было изменено на 30 °. Это было сделано с целью доказательство факта, что направление распространения трещин имеет одинаковый характер вне зависимости от расположения образца относительно индентора и зависит только от положения кристаллографических плоскостей, которое остается неизменным. В результате было подтверждено, что распространение трещин имеет одинаковое направление во всех точках. В качестве примера, на рисунках 3.1 и 3.2 показаны полученные в ходе последующей съемки изображения, иллюстрирующие идентичность направлений трещины в точке 1 и точке 2.

Рис. 3 – Иллюстрация независимости направления роста трещины от угла поворота индентора

 

В ходе переноса на поверхность кристалла направлений роста трещины, показанных на рисунке 3 были определены 4 области, которые должны соответствовать плоскостям семейства {110} (рисунок 4).

Рис. 4 – Обнаружение плоскостей семейства {110}:

1 – области выхода плоскостей семейства {110}; 2 – схематическое изображения расположения микротрещин, возникающих при воздействии индентора на поверхность; 3 – иллюстрация рентгеноструктурного анализа выявленных плоскостей

 

Для подтверждения соответствия найденных областей был проведен рентгеноструктурный анализ путем построения кривых качания относительно табличного значения для положения дифракционного максимума плоскостей семейства {110} у арсенида галлия (рисунок 4). Было показано, что рентгеновские максимумы, полученные от четырех найденных областей, лежат в пределах половины градуса от табличного значения – 19,62 °. Данный факт подтверждает работоспособность предлагаемой нами методики ориентировки.

Классические методы, описанные в [7] не могут конкурировать с предложенным решением в рамках работы с кристаллами сложной геометрии, но являются менее энергоемкими, чем оправдано применение рентгеноструктурного анализа для калиброванных монокристаллов. Применение же селективного травления в рамках ориентировки монокристаллических слитков, описанное в работе [8], [11] является более энергоемким, но на основе теоретической модели о скольжении дислокаций в решетке сфалерита позволяет дифференцировать плоскости с отрицательными индексами, что может являться необходимым условием для мест нанесения базового среза [9].

Предложенный нами подход является развитием методики, отраженной в [10], являющейся достаточно энергоемкой, но также направленной на исследование полупроводниковых соединений группы А^IIIB^V. Ключевым отличием нашего подхода является отсутствие необходимости математического подсчета, а также возможность анализа изменения микротвердости, что позволяет оценить однородность механических свойств поверхности. Еще одним отличительным компонентом нашего подхода является возможность локального анализа неоднородности по характерному вырождению трещины или изменению геометрии ее роста относительно точки приложения индентора. Иллюстрация этих явлений представлена на рисунке 5.

Рис. 5 – Характерные случаи фиксации локальной неоднородности предложенным нами подходом:

а – вырождение трещины в одном из направлений; б – смещение направлений роста трещины

 

Заключение

Предложенный метод позволяет:

• Детектировать места выхода плоскостей семейства {110}, снизив при этом энергоемкость данной процедуры;
• Производить анализ изменения микротвердости, что позволяет оценить однородность механических характеристик поверхности образца;
• Детектировать локальные несовершенства в кристалле путем обнаружения характерных особенностей роста трещин.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Einspruch N. G. GaAs Microelectronics: VLSI Electronics Microstructure Science / N. G. Einspruch, W. R. Wisseman. – Academic Press, 2014.
2. Мильвидский М. Г. Особенности дефектообразования в полупроводниках при изовалентном легировании / М. Г. Мильвидский // Физика и техника полупроводников. – 1983. – Т. 17. – №. – С. 2022-2024.
3. Kaminska M. Structural properties of As‐rich GaAs grown by molecular beam epitaxy at low temperatures / M. Kaminska, Z. Liliental‐Weber, E. R. Weber et al. // Applied physics letters. – 1989. – Vol. 54. – №. 19. – P. 1881-1883.
4. Kern W. Chemical etching of silicon, germanium, gallium arsenide, and gallium phosphide / W. Kern // RCA Rev. – 1978. – Vol. 39. – №. 2. – P. 278-308.
5. Хангулова В. С Травление полупроводников / В. С Хангулова. – М.: Издательство Мир, 1965. – 363 с.
6. Горелик С. С. Материаловедение полупроводников и диэлектриков / С. С. Горелик, М. Я. Дашевский. – 2003.
7. Горелик С. С. Рентгенографический и электронно-структурный анализ / С. С. Горелик, Ю. А. Скаков, Л. Н. Расторгуев. – Издание 3-е // Москва. – 1994.
8. Парфентьева И. Б. Особенности формирования дислокационной структуры в монокристаллах арсенида галлия, полученных методом чохральского / И. Б. Парфентьева, Б. В. Пугачев, В. Ф. Павлов и др. // Кристаллография. – 2017. – Т. 62. – №. – С. 259-263.
9. Бушманов М.А. Способ ориентирования базового среза на моно кристаллических слитках полупроводниковых материалов / М. А. Бушманов, И. В. Кириченко. – 1973.
10. Богданова, В. А. Влияние корреляции в распределении примесных дефектов на микромеханические свойства монокристаллов GaAs: Te / В. А. Богданова, Н. А. Давлеткильдеев, М. М. Нукенов и др. // Физика твердого тела. – 2008. – Т. 50. – №. – С. 236.
11. Shibata M. LEC growth of large GaAs single crystals / M. Shibata, T. Suzuki, S. Kuma et al. // Journal of crystal growth. – 1993. – Vol. 128. – №. 1-4. – P. 439-443.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Einspruch N. G. GaAs Microelectronics: VLSI Electronics Microstructure Science / N. G. Einspruch, W. R. Wisseman. – Academic Press, 2014.
2. Milvidsky M. G. Osobennosti defektoobrazovanija v poluprovodnikakh pri izovalentnom legirovanii [Features of Defect Formation in Semiconductors Under Isovalent Doping] / M. G. Milvidsky // Fizika i tekhnika poluprovodnikov [Physics and Technology of Semiconductors] . - 1983. - Vol. 17. - no. 11, pp. 2022-2024 [in Russian]
3. Kaminska M. Structural properties of As‐rich GaAs grown by molecular beam epitaxy at low temperatures / M. Kaminska, Z. Liliental‐Weber, E. R. Weber et al. // Applied physics letters. – 1989. – Vol. 54. – №. 19. – P. 1881-1883.
4. Kern W. Chemical etching of silicon, germanium, gallium arsenide, and gallium phosphide / W. Kern // RCA Rev. – 1978. – Vol. 39. – №. 2. – P. 278-308.
5. Khangulova, V. S. Travlenie poluprovodnikov [Etching of Semiconductors] / V. S. Khangulova. - M.: Mir, 1965 – 363 p. [in Russian]
6. Gorelik S. S. Materialovedenie poluprovodnikov i diehlektrikov [Materials Science of Semiconductors and Dielectrics] / S. S. Gorelik, M. Ya. Dashevsky. – 2003. [in Russian]
7. Gorelik S. S. Rentgenograficheskijj i ehlektronno-strukturnyjj analiz [Radiographic and Electron-Structural Analysis] / S. S. Gorelik , Yu A. Skakov, L. N. Rastorguev. 3rd Edition // Moscow. – 1994 [in Russian]
8. Parfentieva, I. B. Osobennosti formirovanija dislokacionnojj struktury v monokristallakh arsenida gallija, poluchennykh metodom chokhral'skogo [Features of the Formation of the Dislocation Structure in Gallium Arsenide Single Crystals Obtained by the Czochralski Method] / I. B. Parfentieva, B. V. Pugachev, V. F. Pavlov et al. // Kristallografiya [Crystallography]. - 2017. - Vol. 62. - no. 2, pp. 259-263 [in Russian]
9. Bushmanov M. A. Sposob orientirovanija bazovogo sreza na mono kristallicheskikh slitkakh poluprovodnikovykh materialov [A Method for Orienting the Primary flat on Mono-Crystalline Ingots of Semiconductor Materials] / M. A. Bushmanov, I. V. Kirichenko – 1973. [in Russian]
10. Bogdanova, V. A. Vlijanie korreljacii v raspredelenii primesnykh defektov na mikromekhanicheskie svojjstva monokristallov GaAs: Te [Influence of Correlation in the Distribution of Impurity Defects on the Micromechanical Properties of Gaas: Te] / V. A. Bogdanova, N. A. Davletkildeev, M. M. Nukenov et al. // Fizika tvyordogo tela [Solid Body Physics]. - 2008. - Vol. 50. - no. 2. - p. 236 [in Russian]
11. Shibata M. LEC growth of large GaAs single crystals / M. Shibata, T. Suzuki, S. Kuma et al. // Journal of crystal growth. – 1993. – Vol. 128. – №. 1-4. – P. 439-443.