关键词：直拉硅单晶;;重掺磷;;重掺砷;;重掺锑;;重掺锡;;机械性能
摘 要：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,并用密度泛函数(DFT)理论计算得到的Si-P键的键强大于Si-As键的键强的结果对其进行了解释。对于位错滑移,无论是在低温(600℃)时依靠恒定的切应力的作用还是在高温(900-1200℃)时依靠压痕残余应力的驱动,重掺磷硅单晶中的位错滑移都需要克服更高的临界应力。此外,位错滑移速度与温度之间的关系表明:重掺磷硅单晶具有稍低的位错滑移激活能。对比研究了掺杂浓度相当接近的重掺锑和重掺锡对直拉硅单晶的机械性能的影响。维氏硬度测试表明,重掺锑和重掺锡对硅单晶硬度的影响没有明显差异。超声回波法测试表明,两种重掺硅单晶的杨氏模量非常接近。此外,重掺锑和重掺锡对硅单晶的断裂韧性的影响也没有明显差异。通过研究位错在恒定切应力驱动下的滑移行为,发现:在500℃时,重掺锑硅单晶表现出更高的位错滑移临界切应力,当温度升高到600℃时,两种重掺硅单晶的位错滑移临界切应力的差异明显减小。位错在高温(800-1200℃)下依靠压痕残余应力的滑移情况表明:两种重掺硅单晶中位错在高温下滑移的临界切应力几乎没有差别。
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