一、引言
同一单晶不同晶面上的原子密度不同，因此在各个不同方向上所表现出的物理性质也不一样。例如，单晶硅（111）面上原子密度最大，在扩散中杂质沿[111] 方向扩散最慢，因而便于控制、容易获得均匀平整的结面，在硅器件生产中因此也常常要求取向为[111]的单晶。也有些器件，如MOS 器件目前大多采用（100）晶面，因为该晶面氧化成的SiO2 所具有的表面态比（111）、（110）晶向都小，利于开启电压的降低;同时,(100)面载流子迁移率较大，利于条跨导、增加速度。可见，在科研和生产中测定半导体单晶的晶向十必不可少的。
二、实验原理
1、结晶面与结晶方向
晶体中原子是无限周期性排列的，因此任意一种平面都不止一个，而是有许多个相互平行的平面，成为晶面族。我们可以选择一个坐标系来描写它:以已知惊天的空间格子中三
个方向作为坐标轴，这三个轴之间的夹角可以是任意的，每个圆子的坐标与坐标轴上的周期都成整数关系。对单晶硅而言，由于它属于立方晶系，所以可以取三个结晶轴互相垂直，三轴上的单位周期也相等。一个平面的空间位置在结晶学上通常用密勒指数来描写，它定义为晶面与三个轴截距的倒数。若用（hkl）表示晶面，用{hkl}表示晶面族，h、k、l 的倒数就是晶面族{hkl}中距原点最近的晶面在坐标轴上的截距，通族的其他晶面的截距为这组最小截距的整数倍。如我们常见的（111）面，就是只该平面与坐标系的三个轴（假设为x、y、z轴）的截距均为一个周期，所以截距的倒数为（111），如图1.1 所示。若某一个平面在X 轴
上的截距为一个周期，并且平行于y 轴的截距为一个周期，而平行于x 轴和z 轴，则该晶面为（010）面，其他可以类推。图1.3 是金刚石结果各晶面的空间位置。
晶面的方向以垂直于该面的发现方向表示，如（111）晶面方向以[111]表示。通常讲结晶方向就是指的这个发现方向，也就是晶体沿相应的平面族生长的方向。南京家教 www.nanjingjiajiaow.com
2、光点定向原理
判别晶体的生长方向有很多方法。最简单的晶体的外形来判别：[111]方向生长的单晶，外表面有明显对称三条棱；[100]方向生长的单晶有对称的四条棱；[110]方向生长的单晶有六条分布不对称的棱。也可以通过观察复试坑的图形确定晶向，但这些方法只能大体上指出晶体生长方向，而不能精确测量晶向与生长方向之间的夹角。最可靠的确定晶向的方法是x 射线衍射法，但由于设备庞大、过程复杂而不适于大规模工业生产。在科研和生产中现在大多数采用快速简便的激光测定单晶晶向。选用适当的预处理工艺，首先使待测单晶端面上暴露出某种与晶体结果有关的表面结构。再用氦氖激光器产生的红色激光照到该端面上，反射回来的光束排列和分布具有一定的规则。若用一个光屏拦住这些反射光束，就可以再屏上清楚的看到规则的对称图形。调整测量仪器，使反射图形的中心与光屏的中心重合，则此时单晶晶向与光线轴平行。测量角度后，就可以确定该晶向与所要求的晶面之间的夹角，从而确定晶体的晶向。这种规则的图形一般
有图1.4 所示三种形状。
为什么会得到以上图形呢？实际上，密勒指数简单的晶面族面间距大，所以这种晶面容易理解。对于一定的晶格，结点所占的体积时一定的，因此，在面间距大的晶面上，格点的面密度必然大。这样的晶面，单位表面能量小，容易在晶体生长过程中显露在外表，并且可以用腐蚀法或解理法在单晶端面上获得相关的表面结果而得到上述特征光图。
（1） 腐蚀法
在进行腐蚀之前应先将晶体端面用80＃金刚沙或用氧化铝粉在平板玻璃上湿磨，湿端面均匀打毛，洗净后按指定的工艺条件进行腐蚀。经过腐蚀后的硅单晶，{111}或{100}、{110}截面上会出现许多腐蚀坑，腐蚀坑底面平行于这些截面，而其侧面则湿另一些具有特定结晶学指数的晶面族，按轴对称的规律微绕着腐蚀坑的底面，构成各种具有特殊对称性的构造。腐蚀坑的限度约为10um 的数
量级，而激光束的直径约为1mm，因而同意束激光可以照射到学多腐蚀坑。腐蚀坑的形状不尽完整，在表面上的分布也不规则，但光反射到相同的方向。图1.5 是{111}面的典型腐蚀坑，有三个{221}侧面和一个{111}底面构成。当一束平行激光束照射在该腐蚀坑上时，即发生四个方向的反射。如将该晶体置于图1.6 所示的测量系统中，调整其方位，使被测晶轴的方向与入射激光轴相平行，则在光屏上就会显示出如图1.4（c）所示的反映荆州对称性的特征光图。
（2） 解理法
将待测晶锭的一端先磨成锥形，在盛有80＃金刚沙的研钵中研磨，使锥形对面上解理出微小的解理面。这些解理面都是按特定的晶向解理出来，因而包含着结晶学构造中的各种方向特征。在图1.3 所示的单晶硅一类的金刚石结构中，其一级理解面为{111}，这使因为此晶面族之间原子间距最大，键合最小，最容易在外力作用下发生解理。从图1.3 可以看出，[110]是一跟二次轴，其周围有两个对称的理解面（111）和（111）,如果[110]晶轴与激光束平行，则从（111）、(111)解理面上反射得到的特征光图呈二次轴对称。而[100]是一根四次轴，其周围有四个解理面，（111）、（111）、（111 ），因而特征光图具有四次轴对称性。由于研磨不能保证全部得到由理想的解理面组成的由规则小坑，而往往是杂乱无章的，因此反射出来的特征光图就显的比较暗淡，降低了定向精度。在硅单晶定向中主要采用腐蚀法。两种不同的预处理工艺所产生的特征光图的区别是：（1）由于小坑内暴露出来的晶面不同，反射光束的方位和角度也不用；（2）解理法产生的光图，其光斑呈点庄，这是因为其反射面为镜状解理面，这是由于腐蚀坑的侧面和底面的相交处的边缘呈圆钝状。南京家教
三、实验步骤
1.预检：一根硅单晶锭的晶向通常可以从其外部形状来粗略判断。在直拉硅单晶的柱面上通常显露处具有轴对称性的棱线，不仅可以从棱线的对称性判断他们围绕着什么晶轴，而且可以工具棱线间的相对位置来估计其他晶轴的大致取向。图1.8 是[111]和[100]晶轴方向直拉硅单晶的端面，可以看出在[111]晶向硅单晶的横断面上，相邻量晶棱的连线指向为[110]，与此垂直的方向为[112]。在[100]晶向硅单晶的横断面上，通过两个
棱的直径方向为[110]，两个[110]之间为[100]。晶棱截面边缘上分布的对称程度反映了截面和晶轴的垂直程度。在识别了这些晶轴方向的基础上还可以推断处另外一些晶轴方向。通过这样的预检，可以大致估计出晶锭的空间位置，使被测晶轴近似与激光轴平行。
2．将切好的样品端面用80＃金刚沙湿磨后，用水冲洗干净。
3．对于（111）晶面的硅单晶用5％的NaOH 水溶液煮沸7min，并用水冲洗干净即
可准备定向。对于（100）晶面的硅单晶，可以采用同样的腐蚀液。实验发现硅单晶对于腐蚀液浓度和时间要求并不十分严格。
4．调节光学系统，将玻璃镜面与样品架上的标准面贴平，使平行光束入射到镜面上，反射光的中心点与光屏的中心孔重合，这时认为光使垂直入射到镜面。
四、实验结论
实验所显示图像如下：
向的低指数晶面的空间位置由同一晶带的另一个晶面所取代。确定后一个晶面的方法就是用间接定向法。例如，图5中的(111)、（001）、（110）三个晶面同属于以[110]为晶带轴的一个晶带，（111）与（110）的夹角为35.26°，（111）与（001）的夹角为54.74°。所以可以先用直接定向法使（111）晶面垂直与入射光轴，在光屏上得到三叶光图。然后使晶体绕光轴旋转，使三叶光图中的一个光瓣与极坐标的00度线重合，此时［110］晶带轴处于水平位置，即与晶体夹具上的俯仰轴相平行。转动俯仰轴，前倾35.26°，使（110）晶面垂直于光轴；若使晶体后仰54.74°，即使（001）晶而垂直于光轴。这时垂直于光轴分别切割出的晶面即为(110)或（001）晶面。南京家教提供此文
