重?fù)诫s對(duì)直拉硅單晶機(jī)械性能的影響

郭華

摘要：現(xiàn)如今，我國(guó)的科技發(fā)展十分迅速，硅單晶的機(jī)械性能是包括集成電路在內(nèi)的器件的制造和封裝的限制因素。同時(shí)，硅單晶的機(jī)械性能還在無位錯(cuò)單晶生長(zhǎng)、外延沉積以及硅片加工中起到十分重要的作用。因此，在過去的數(shù)十年中已經(jīng)涌現(xiàn)出大量有關(guān)硅單晶機(jī)械性能的研究工作。盡管如此，硅單晶的機(jī)械性能的研究依舊不如電學(xué)性能和光學(xué)性能的研究那樣深刻。因此，豐富硅單晶的機(jī)械性能的研究顯得很有必要。本文利用顯微壓痕、納米壓痕、超聲回波和四點(diǎn)彎曲等方法詳細(xì)研究了高濃度的磷、砷、銻和錫等雜質(zhì)對(duì)直拉硅單晶的硬度、彈性模量、斷裂韌性和抵杭位錯(cuò)滑移的能力等機(jī)械性能的影響，得到的如下主要結(jié)果。

關(guān)鍵詞：直拉硅單晶;重?fù)搅?重?fù)缴?/p>

引言

21世紀(jì)的我們，正處在信息技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)期。信息產(chǎn)業(yè)已然超過鋼鐵、汽車等傳統(tǒng)制造業(yè)成為當(dāng)今世界第一大產(chǎn)業(yè)。而在我國(guó)的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)也成為了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)便是半導(dǎo)體工業(yè)。半導(dǎo)體工業(yè)，尤其是其核心集成電路工業(yè)，在這個(gè)時(shí)代一直處于迅猛發(fā)展的階段。半導(dǎo)體材料制造技術(shù)不斷得到改進(jìn)、優(yōu)化，從集成電路到超大規(guī)模集成電路，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了全行業(yè)的不斷進(jìn)步。計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代速度之快、網(wǎng)絡(luò)速度的持續(xù)提高，這些都受益于半導(dǎo)體材料的發(fā)展應(yīng)用。社會(huì)上的各個(gè)產(chǎn)品制造、信息溝通等領(lǐng)域都少不了半導(dǎo)體工業(yè)、信息技術(shù)的身影，因此半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的水平，已經(jīng)可以作為一個(gè)衡量國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的標(biāo)桿。

1重?fù)诫s對(duì)直拉硅單晶機(jī)械性能的影響

1.1雜質(zhì)對(duì)硅單晶墓本力學(xué)性能的影響

雜質(zhì)原子對(duì)硅單晶的基本力學(xué)性能有著顯著的影響。但也有文獻(xiàn)報(bào)道，n型重?fù)诫s改變了硅單晶的費(fèi)米能級(jí)的位置，這有效促進(jìn)了硅單晶中位錯(cuò)扭折的濃度的增加，從而提高了位錯(cuò)的滑移速率，因此也有研究表明，重?fù)搅讜?huì)降低硅單晶的硬度。

1.2位錯(cuò)滑移的臨界切應(yīng)力

位錯(cuò)在晶體中運(yùn)動(dòng)會(huì)周期性地遇到晶格阻力，這使得在常溫下，硅單晶中位錯(cuò)滑移非常難，只有當(dāng)溫度高于脆塑轉(zhuǎn)變溫度的時(shí)候，位錯(cuò)滑移才容易發(fā)生，硅單晶也才容易發(fā)生塑性變形。因此，材料的塑形變形通常是通過位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來完成的。而位錯(cuò)在絕對(duì)零度時(shí)運(yùn)動(dòng)到相鄰的晶格位置要克服的最小應(yīng)力就被稱為Peierls應(yīng)力，它是表征材料塑形最基本的物理量之一。然而在現(xiàn)實(shí)中，無法實(shí)現(xiàn)在低溫下不破壞硅單晶晶體的前提下使其發(fā)生塑形變形，因此Peierls應(yīng)力的大小無法直接測(cè)得。通常采用高溫條件下硅單晶中位錯(cuò)滑移需要的最小應(yīng)力外推至絕對(duì)零度的應(yīng)力值作為Peierls應(yīng)力，約為68GPa。

1.3殘余應(yīng)力誘生的位錯(cuò)滑移

利用壓痕的殘余應(yīng)力作為驅(qū)動(dòng)力，在高溫下研究位錯(cuò)滑移的方法，最早是由S.M.Hu提出的，其在研究氧原子對(duì)位錯(cuò)滑移影響的時(shí)候使用了顯微壓痕法。具體實(shí)驗(yàn)步驟為，在室溫下使用壓頭（通常為維氏壓頭）在硅單晶片上引入壓痕，壓痕周圍會(huì)引入大量位錯(cuò)，而壓痕周圍在卸載后依舊會(huì)有一定的殘余應(yīng)力存在。之后，在樣品高溫退火時(shí)，由于臨界脫釘應(yīng)力非常小，殘余引力會(huì)驅(qū)動(dòng)位錯(cuò)進(jìn)行滑移，形成一系列由60。位錯(cuò)組成的位錯(cuò)半環(huán)。隨著位錯(cuò)的滑移，殘余應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)殘余應(yīng)力的大小減小至等于該溫度下的臨界脫釘應(yīng)力時(shí)，位錯(cuò)停止滑移。

1.4拉更光譜測(cè)試

采用拉夏光譜研究維氏壓痕引起的相變。實(shí)驗(yàn)中采用放大倍數(shù)為100倍的物鏡聚焦激光光束，光斑直徑為-1um。激光功率為20mW，測(cè)試時(shí)間為lOs。每個(gè)樣品皆測(cè)試三個(gè)顯微壓痕。壓痕的載荷為lOg。加載和卸載速率為lOg。實(shí)驗(yàn)中將激光光斑對(duì)準(zhǔn)壓痕中心位置。需要提到的是，由于壓痕的徑向裂紋會(huì)影響相變的結(jié)果。因此實(shí)驗(yàn)中采用lOg的維氏壓痕，出現(xiàn)的徑向裂紋極小，可以忽略。

1.5低溫下位錯(cuò)滑移的臨界切應(yīng)力

重?fù)絇和重?fù)紸s硅單晶樣品在6000C下處理20min，壓痕引入的位錯(cuò)的滑移速度和附加切應(yīng)力之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量位錯(cuò)滑移的長(zhǎng)度，再除以滑移時(shí)間，就可以視為位錯(cuò)滑移速度。無論是重?fù)絇硅單晶樣品，還是重?fù)紸s硅單晶樣品，位錯(cuò)滑移的速度和附加切應(yīng)力都呈線性關(guān)系。將兩條直線延伸至x軸，與x軸的交點(diǎn)，可以粗略地視為位錯(cuò)滑移的臨界切應(yīng)力。重?fù)絇硅單晶樣品有著更大的臨界切應(yīng)力。需要注意的是，這里得出的臨界切應(yīng)力并不是準(zhǔn)確的臨界切應(yīng)力，因?yàn)樵诟郊忧袘?yīng)力1-20MPa的區(qū)間內(nèi)，位錯(cuò)滑移速度迅速增加，二者并非線性關(guān)系.

2硅單晶的斷裂韌性

斷裂韌性可以反映材料抑制裂紋擴(kuò)展的能力。對(duì)于不同的材料，表征斷裂韌性的手段也不一樣。拉伸試驗(yàn)一般用來測(cè)試塑形材料的斷裂韌性，而不能用在脆性材料上。對(duì)于脆性材料，主流的方法有兩種。第一種，使用抗彎曲試驗(yàn)來進(jìn)行表征，材料杭彎曲能力越強(qiáng)，材料的斷裂韌性越高。第二種方法是采用維氏壓痕法表征材料的斷裂韌性。維氏壓痕測(cè)試法，通過維氏壓頭引入壓痕，統(tǒng)計(jì)壓痕四周出現(xiàn)的徑向裂紋的長(zhǎng)度，配合硅單晶的硬度和楊氏模量來計(jì)算的。室溫下，硅單晶在維氏壓頭引入壓痕時(shí)，不只會(huì)產(chǎn)生垂直表面徑向裂紋，會(huì)造成平行于表面的裂紋的擴(kuò)展，出現(xiàn)局部材料剝落的情況。

結(jié)語(yǔ)

（1）相比于重?fù)缴楣鑶尉В負(fù)搅坠鑶尉П憩F(xiàn)出略高的硬度、略低的楊氏模量。重?fù)缴楣鑶尉г诒皇┘訅汉鄣倪^程中，有更多的Si-I相轉(zhuǎn)變?yōu)镾i-II相，Si-II相良好的彈性模量解釋了重?fù)缴楣鑶尉П憩F(xiàn)出更好的楊氏模量的原因。（2相比于重?fù)缴楣鑶尉?，重?fù)搅坠鑶尉П憩F(xiàn)出更高的斷裂韌性，原因在于無位錯(cuò)硅單晶的裂紋通過解理進(jìn)行擴(kuò)展，而Si-P鍵鍵能比Si-As鍵鍵能要高，因此重?fù)搅坠鑶尉е械牧鸭y在擴(kuò)展是需要消耗更多的能量。（3）相比于重?fù)缴楣鑶尉?，重?fù)搅坠鑶尉П憩F(xiàn)出更低的位錯(cuò)滑移激活能。原因在于n型重?fù)綄?dǎo)致了重?fù)焦鑶尉зM(fèi)米能級(jí)發(fā)生變化，增加了位錯(cuò)扭折對(duì)的形成，促進(jìn)了位錯(cuò)的滑移。本文中重?fù)搅坠鑶尉У膿诫s濃度略大于重?fù)缴楣鑶尉舛龋虼吮憩F(xiàn)出的激活能略低。（4）重?fù)戒R和重?fù)藉a硅單晶在硬度、楊氏模量及斷裂韌性等機(jī)械性能方面沒有表現(xiàn)出明顯差異。兩種重?fù)焦鑶尉г跀嗔秧g性上差異較小的原因在于，Si-Sb鍵的鍵長(zhǎng)能比Si-Sn鍵的鍵長(zhǎng)差異不大，故而兩種重?fù)焦杵牧鸭y擴(kuò)展是需要消耗的能量比較接近，因此表現(xiàn)出的斷裂韌性沒有差異。

參考文獻(xiàn)

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[2]張?zhí)┤A.微/納米力學(xué)測(cè)試技術(shù)及其應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社，2005.