重掺杂对直拉硅单晶机械性能的影响

发布时间：2020-12-16 13:59

　　硅单晶的机械性能是包括集成电路在内的器件的制造和封装的限制因素。同时,硅单晶的机械性能还在无位错单晶生长、外延沉积以及硅片加工中起到十分重要的作用。因此,在过去的数十年中已经涌现出大量有关硅单晶机械性能的研究工作。尽管如此,硅单晶的机械性能的研究依旧不如电学性能和光学性能的研究那样深刻。因此,丰富硅单晶的机械性能的研究显得很有必要。本文利用显微压痕、纳米压痕、超声回波和四点弯曲等方法详细研究了高浓度的磷、砷、锑和锡等杂质对直拉硅单晶的硬度、弹性模量、断裂韧性和抵抗位错滑移的能力等机械性能的影响,得到的如下主要结果:对比研究了重掺磷和重掺砷对直拉硅单晶的机械性能的影响。从显微压痕的尺寸,得知重掺磷硅单晶比重掺砷硅单晶具有稍高的维氏硬度。纳米压痕和超声回波两种表征方法都表明重掺磷硅单晶比重掺砷硅单晶具有略高的杨氏模量。结合纳米压痕和显微拉曼光谱,指出:相比于重掺磷硅单晶,重掺砷硅单晶在纳米压痕的加载过程中,金刚石立方相（Si-Ⅰ相）向体心立方相（Si-Ⅱ相）的转变更为显著。通过对维氏压痕出现侧裂纹频率和长度的统计分析,结合维氏压痕法的断裂韧性计算结果,重掺磷硅单晶具有更高的断裂韧性,并用密... 

【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：68 页

【学位级别】：硕士

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图２．１硅单晶结构示意图，球表示硅原子，粗实线表示原子间的成键??

２．２硅单晶的基本力学性能??２．２．１硅单晶的晶体结构??硅单晶的化学键Ｓｉ－Ｓｉ键为共价键，其键强为３１０ＫＪ?ｍ〇ｒ１［２７］。图２．１为硅单??晶的晶体结构示意图［７］，硅单晶的晶体结构是典型的金刚石立方结构，其晶格常??数为０．５４３?ｎｍ。硅单晶的最密排面是｛１１１｝面，密排方向为＜１１０＞晶向，滑移系为??｛１１１丨＜１１０＞，因此硅单晶是各向异性材料，同时也是一种脆性材料。??？?Ｖ／?？??７?Ｖ??？?？？？?？??图２．１硅单晶结构示意图，球表示硅原子，粗实线表示原子间的成键??Ｆｉｇ．?２．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｃｒｙｓｔａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｓｉｌｉｃｏｎ；?ａｔｏｍ?ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ?ａｒｅ?ｓｈｏｗｎ?ａｓ?ｓｐｈｅｒｅｓ，??ｂｏｎｄｓ?ａｓ?ｂｏｌｄ?ｓｏｌｉｄ?ｌｉｎｅｓ．??２．２．２硅单晶的硬度??硬度是一种用来描述材料抵抗遭受永久破坏的性质。硬度是长久以来测试材??－?料机械性能的一个有效的指标。硬度并非一个基础物理量，可以通过测试方法来??分类，主要有三类，分别为静态压入硬度、划入硬度以及动态压入硬度［２８］。其??中静态压入压痕最为常用

?转变温度约为其熔点的一般，对于硅单晶材料，脆塑转变温度在５５０°Ｃ左右。当??温度高于脆塑转变温度时，图２．３所示为在高温时不同条件下的硅单晶的应力应??变曲线，表现出了良好的延展性［３（）］。??＾?Ａ０－?＾＊?０ｘ１０＊?＾?Ａ〇－??！?＾?！??＾?Ａ－ｒ２ｘ？〇５?Ｉ?Ａ??．ｘ?Ａ?Ｉ?Ｊ?ｆＸ?Ｉ?Ｌ??（ａ）〇?ＳＨＥＡＲ?ＩｔＲＡ，，，）?１０?（ｂ）°?湖?Ｗ。??图２．３不同位错浓度的硅单晶在８００°Ｃ下的应力应变曲线（ａ）掺氮区熔硅，（ｂ）普通高纯??区熔硅［３（）］。??ＦＩＧ．?２．３?Ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ?ｃｕｒｖｅｓ?ｏｆ?ｃｒｙｓｔａｌｓ?ｗｉｔｈ?ｖａｒｉｏｕｓ?ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ?ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ?ａｔ?８００°Ｃ，?（ａ）??Ｎｉｔｒｏｇｅｎ－ｄｏｐｅｄ?ｆｌｏａｔｉｎｇ－ｚｏｎｅ－ｇｒｏｗｎ?（ＦＺ－Ｓｉ）?ｓｉｌｉｃｏｎ，?（ｂ）?Ｕｓｕａｌ?Ｆｚ－Ｓｉ?ｏｆ?ｈｉｇｈ?ｐｕｒｉｔｙ［３０］．．??２．２．５硅单晶的断裂韧性??断裂韧性可以反映材料抑制裂纹扩展的能力。对于不同的材料，表征断裂韧??性的手段也不一样。拉伸试验一般用来测试塑形材料的断裂韧性，而不能用在脆??性材料上。对于脆性材料


本文编号：2920273