СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ДИСЛОКАЦИОННЫХ ЯМОК ТРАВЛЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ПЛАСТИН МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ Российский патент 2025 года по МПК H01L21/302 

Изобретение относится к области полупроводниковых технологий, а именно к области обработки полупроводниковых материалов, а также к области выявления структурных дефектов кристаллов. Заявленный способ предназначен для выявления на кристаллографической плоскости {100} пластин монокристаллического арсенида галлия дислокационных ямок травления с целью дальнейшего их подсчета для оценки плотности дислокаций в слитке.

Монокристаллы арсенида галлия являются довольно распространенными полупроводниковыми материалами, которые имеют широкое применение во многих областях промышленности и электронике, в частности это мобильная связь, СВЧ-техника, солнечная энергетика, оптоэлектроника, оборудования для тепловизоров и многое другое. Монокристаллы арсенида галлия несовершенны, в них присутствуют дефекты. Одним из основных параметров влияющих на характеристики полупроводниковых материалов являются плотность линейных дефектов - дислокаций, которые существенно снижают ресурс приборов на основе GaAs, а в некоторых случаях вообще не позволяют добиться желаемых характеристик (Парфентьева И. Б. и др. Особенности формирования дислокационной структуры в монокристаллах арсенида галлия, полученных методом чохральского //Кристаллография. - 2017. - Т. 62. - №2. - С. 259-263.). В процессе роста монокристалла дислокации могут образовываться как путем наследования из затравочного кристалла, так и напрямую под воздействием термических напряжений и процессов релаксации энергии (Комаровский Н.Ю. и др. Определение ориентации монокристалла с помощью анализа геометрии отпечатка индентора //Международный научно-исследовательский журнал. - 2021. - №4-1 (106). - С. 20-25).

Дислокации ухудшают свойства монокристаллов арсенида галлия, являясь каналами быстрой диффузии неравновесных точечных дефектов. Помимо плотности дислокаций, также имеет значение неоднородность их распределения (Князев С.Н. и др. Методы исследования дислокационной структуры полупроводниковых монокристаллов группы AIIIBV //Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. - 2023. - Т. 25. - №4. - С. 323-336). Поэтому выявление дислокаций и контроль за плотностью их распределения по поверхности пластин является важной задачей как для совершенствования технологии роста монокристаллов GaAs, так и для оценки пригодности изготовленного материала для вышеуказанных применений.

Для изучения дислокационной структуры известен способ селективного травления пластин монокристаллического GaAs, суть которого заключается в использовании травителя, который избирательно реагирует на выходы дислокаций на поверхность пластины, создавая характерные локальные зоны эрозии, при этом форма этих зон может быть различной, что зависит от параметров травления, состава травителя и кристаллографической ориентации поверхности, при этом выбор конкретного состава травителя зависит от свойств исследуемого материала и особенностей поверхности таких, как химическая анизотропия, обусловленная кристаллической структурой. (Князев С.Н. и др. Методы исследования дислокационной структуры полупроводниковых монокристаллов группы AIIIBV //Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. - 2023. - Т. 25. - №4. - С. 323-336).

Известен способ селективного травления GaAs, в травителем на основе расплавов щелочей, в состав которого входят гидроксид калия, гексацианоферрат калия и вода. (Оксанич А.П., Когдась М.Г., Андросюк М.С.Методы улучшения структурного совершенства полуизолирующего GaAs диаметром 100 мм //Радиоэлектроника и информатика. - 2014. - №4 (67). - С.11-14). Исследования, которые проводились в данной работе, показали, что при травлении в течение 5 минут при температуре 82°С результаты селективного травления GaAs заметно варьируют как от кристалла к кристаллу, так и при переполировках одного и того же образца. Основной причиной нестабильности известного способа травления является сложность поддержания постоянной температуры образца и состава растворов, используемых для химической полировки и травления. Помимо этого, в процессе возникают фигуры травления и неровности поверхности, которые не связаны с дислокационной структурой материала, а также сливающиеся между собой дислокационные ямки травления.

Самым ближайшим аналогом является методика выявления дислокационных ямок травления пластин монокристаллического арсенида галлия посредством их химической обработки, включающая в себя следующие этапы: механическая шлифовка пластины абразивом для получения ровной и гладкой поверхности; химическая полировка в растворе, состоящем из H₂SO₄, Н₂О₂ и Н₂О в соотношении 3:1:1, которая позволяет удалить любые остаточные повреждения, вызванные шлифовкой; селективное травление в расплаве едкого калия (КОН) при температуре от 350 до 400°С до визуального проявления ямок травления, после чего осуществляют выявление дислокационных ямок травления. (Парфентьева И.Б., Пугачев Б.В., Павлов В. Ф. и др. Особенности формирования дислокационной структуры в монокристаллах арсенида галлия, полученных методом Чохральского / Кристаллография. 2017. Т. 62, №2. - С. 259-263. - DOI 10.7868/S0023476117020205. - EDN YIVAKV). Необъективность визуального контроля, обусловленная высокой скоростью возрастания температуры процесса, приводит либо к чрезмерному разрастанию областей эрозии (перетравливание), либо к их незначительному проявлению.

Основным недостатком указанных известных способов является то, что в результате селективного травления на некоторых участках пластин наблюдается большое скопление дислокационных ямок травления, что приводит к наложению их друг на друга или слиянию их между собой, что затрудняет их идентификацию и распознание и значительно усложняет подсчет плотности дислокаций при получении не точных значений.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное техническое решение, заключается в повышении точности идентификации ямок травления как с помощью визуального, так и автоматического подсчета, вследствие более четкого проявления границ между ямками травления и исключения их наложения друг на друга.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе выявления дислокационных ямок травления на поверхности пластин монокристаллического арсенида галлия, в ходе которого вначале осуществляют обработку пластин монокристаллического арсенида галлия, включающую в себя механическую шлифовку пластин монокристаллического арсенида галлия, их химическую полировку в полирующем травителе на основе серной кислоты и перекиси водорода, селективное травление пластин монокристаллического арсенида галлия в расплаве едкого калия, содержащем воду, а в конце осуществляют выявление дислокационных ямок травления, согласно изобретению, после селективного травления, перед выявлением дислокационных ямок травления, осуществляют дополнительную химическую обработку пластин монокристаллического арсенида галлия указанным полирующим травителем на основе серной кислоты и перекиси водорода, до момента образования визуальных границ между ямками травления.

Заявленный способ осуществляют следующим образом.

В качестве образцов для экспериментов использовали пластины из монокристаллического арсенида галлия, легированного оловом (далее в тексте - пластины) с концентрацией примеси около n≈3×10¹⁶ см^-3. Эти пластины были вырезаны из слитка, выращенного методом Чохральского с жидкостной герметизацией расплава - LEC, и имели поверхность, практически параллельную кристаллографической плоскости {100} (отклонение 4 угловые минуты).

Для обработки поверхности пластины (пластин) использовали механическую шлифовку тонким микрошлифпорошком с зернистостью M10, соответствующим ГОСТ 3647-80, на плоской поверхности (стекле). Шлифовка осуществлялась круговыми движениями, либо движениями в виде «вырисовывания восьмерки». Слой, удаленный в процессе шлифовки, составляет от 80 до 120 мкм, что контролировалось микрометром МК 0-25 мм. По завершении процесса механической шлифовки пластину (пластины) промывали в проточной воде и высушивали фильтровальной бумагой. Пластины имели матовую поверхность. После шлифовки пластины (пластин) подвергали химической полировке в не избирательном составе (полирующий травитель) на основе серной кислоты (H₂SO₄) и перекиси водорода (Н₂О₂), в результате чего поверхность пластины (пластин) приобретает зеркальный блеск, после чего пластину (пластины) промывали дистиллированной водой и высушивали. Химическую полировку пластины (пластин) проводили для удаления остаточного нарушенного слоя после механической шлифовки.

Следующим этапом обработки поверхности пластины (пластин) монокристаллического арсенида галлия является их селективное травление в расплаве кристаллогидрата (расплав едкого кали KOH с водой) KOH⋅Н₂О. Пластину (пластины) укладывали поверх указанного травителя и включали подогрев. Кристаллогидрат расплавлялся. Процесс травления пластины (пластин) проводили при нагревании. По окончании селективного травления пластину (пластины) монокристаллического арсенида галлия охлаждали до комнатной температуры, чтобы избежать раскола на несколько частей, после чего пластину (пластины) промывали и просушивали.

Здесь необходимо отметить следующее. В результате селективного травления на некоторых участках пластин наблюдается большое скопление дислокационных ямок травления, что приводит к наложению их друг на друга или слиянию их между собой (см. Фиг. 1). Это затрудняет их идентификацию (распознание) как визуальным способом, так и с помощью автоматизированной системы подсчета, что усложняет подсчет плотности дислокаций и, тем самым, приводит к получению не точных значений количества дислокационных ямок травления.

Окончательным этапом обработки пластины (пластин) монокристаллического арсенида галлия является дополнительная химическая обработка пластины (пластин) составом не избирательного травителя (полирующего) на основе серной кислоты (H₂SO₄) и перекиси водорода (Н₂О₂). В результате обработки пластин указанным травильным составом происходит растворение поверхности пластин в кристаллографическом направлении (100) на несколько микрон, в следствии чего проявляются четкие границы между «слипшимися» ямками травления. Образование четких границ дает возможность идентифицировать отдельные ямки травления, что упрощает их подсчет как визуально, так и с применением автоматизированных средств.

В случаях, когда селективное травление проводили с помощью расплава безводного едкого кали (КОН), результатов травления не наблюдалось, характерные ямки травления не образовывались, поверхность пластины была черной, что сделало невозможным использование указанного выше дополнительного этапа химической обработки.

Необходимость проведения дополнительного этапа химической обработки для более эффективного выявления дислокационных ямок травления показана посредством примеров, указанных ниже, когда при проведении исследований дополнительная химическая обработка пластин монокристаллического арсенида галлия после проведенного селективного травления применялась и не применялась.

Пример 1

Используемые для проведения исследования пластины монокристаллического арсенида галлия подвергали механической шлифовке микрошлифпорошком, затем - химической полировке в растворе серной кислоты и перекиси водорода в соотношении 1:1, в течение 25 секунд, в результате чего пластины приобрели зеркальную поверхность. Далее проводили селективное травление пластин в расплаве кристаллогидрата KOH⋅H₂O: укладывали пластину поверх травителя и подогревали до температуры от 200 до 420°С в течение 6-7 минут, после чего охлаждали до комнатной температуры. Как показал результат такой обработки, ямки травления, проявленные на пластинах монокристаллического арсенида галия, скапливались очень близко друг к другу или сливались до такой степени, что невозможно было четко идентифицировать границы их дислокаций (см. Фиг. 2), что негативно влияло на их итоговый подсчет.

Пример 2

Во втором примере проведения исследований, которые вначале вели аналогично Примеру 1, пластины монокристаллического арсенида галлия после проведения их селективного травления в расплаве кристаллогидрата KOH⋅H₂O подвергали дополнительной химической обработке в составе не селективного (не избирательного) травителя на основе серной кислоты и перекиси водорода в соотношении 4:1, в течение 5-10 секунд. В результате получали пластины с четкими границами дислокаций ямок травления (см. Фиг. 3). Наличие четких границ ямок травления дало возможность идентификации и подсчета дислокаций ямок травления, как визуальным осмотром, так и с помощью системы автоматического подсчета дислокаций.

Заявленный способ выявления дислокационных ямок травления на поверхности пластин монокристаллического арсенида галлия позволяет более четко проявлять границы между ямками травления и избавиться от их наложения друг на друга, что значительно улучшает их идентификацию как с помощью подсчета с использованием автоматизированной системы, так и их идентификации посредством визуального осмотра пластин. Применение полирующего травителя на основе серной кислоты и перекиси водорода в качестве дополнительной химической обработки пластин монокристаллического арсенида галлия после проведения их селективного травления позволяет повысить точность детекции ямок травления при применении автоматизированных систем подсчета дислокаций (например, «АСПД «Колибри»», свидетельство №2024615712 на программу для ЭВМ, опубл. 12.03.2024) на 15%. Это, в свою очередь, улучшает точность оценки плотности дислокаций в монокристаллическом арсениде галлия. Результаты подтверждают эффективность предложенного способа и открывают новые возможности для более точного количественного анализа дислокационной структуры GaAs.

Изобретение относится к области полупроводниковых технологий и может быть использовано для выявления структурных дефектов кристаллов. Его сущность заключается в том, что способ выявления дислокационных ямок травления на поверхности пластин монокристаллического арсенида галлия, в ходе которого вначале осуществляют обработку пластин монокристаллического арсенида галлия, включает в себя механическую шлифовку пластин монокристаллического арсенида галлия, их химическую полировку в травителе на основе серной кислоты и перекиси водорода, селективное травление пластин монокристаллического арсенида галлия в расплаве едкого кали, содержащем воду, а в конце осуществляют выявление дислокационных ямок травления: после селективного травления перед выявлением дислокационных ямок травления осуществляют дополнительную химическую обработку пластин монокристаллического арсенида галлия указанным полирующим травителем на основе серной кислоты и перекиси водорода до момента образования визуальных границ между ямками травления. Технический результат - обеспечение возможности повышения точности идентификации ямок травления. 3 ил.

Способ выявления дислокационных ямок травления на поверхности пластин монокристаллического арсенида галлия, в ходе которого вначале осуществляют обработку пластин монокристаллического арсенида галлия, включающую в себя механическую шлифовку пластин монокристаллического арсенида галлия, их химическую полировку в травителе на основе серной кислоты и перекиси водорода, селективное травление пластин монокристаллического арсенида галлия в расплаве едкого кали, содержащем воду, а в конце осуществляют выявление дислокационных ямок травления, отличающийся тем, что после селективного травления перед выявлением дислокационных ямок травления осуществляют дополнительную химическую обработку пластин монокристаллического арсенида галлия указанным полирующим травителем на основе серной кислоты и перекиси водорода до момента образования визуальных границ между ямками травления.