重摻雜對直拉硅單晶機械性能的影響

郭華

摘要：現如今，我國的科技發展十分迅速，硅單晶的機械性能是包括集成電路在內的器件的制造和封裝的限制因素。同時，硅單晶的機械性能還在無位錯單晶生長、外延沉積以及硅片加工中起到十分重要的作用。因此，在過去的數十年中已經涌現出大量有關硅單晶機械性能的研究工作。盡管如此，硅單晶的機械性能的研究依舊不如電學性能和光學性能的研究那樣深刻。因此，豐富硅單晶的機械性能的研究顯得很有必要。本文利用顯微壓痕、納米壓痕、超聲回波和四點彎曲等方法詳細研究了高濃度的磷、砷、銻和錫等雜質對直拉硅單晶的硬度、彈性模量、斷裂韌性和抵杭位錯滑移的能力等機械性能的影響，得到的如下主要結果。

關鍵詞：直拉硅單晶;重摻磷;重摻砷

引言

21世紀的我們，正處在信息技術飛速發展的時期。信息產業已然超過鋼鐵、汽車等傳統制造業成為當今世界第一大產業。而在我國的信息技術產業也成為了國民經濟的重要組成部分。信息產業的基礎便是半導體工業。半導體工業，尤其是其核心集成電路工業，在這個時代一直處于迅猛發展的階段。半導體材料制造技術不斷得到改進、優化，從集成電路到超大規模集成電路，半導體技術的發展帶動了全行業的不斷進步。計算機更新換代速度之快、網絡速度的持續提高，這些都受益于半導體材料的發展應用。社會上的各個產品制造、信息溝通等領域都少不了半導體工業、信息技術的身影，因此半導體產業發展的水平，已經可以作為一個衡量國家經濟發展水平的標桿。

1重摻雜對直拉硅單晶機械性能的影響

1.1雜質對硅單晶墓本力學性能的影響

雜質原子對硅單晶的基本力學性能有著顯著的影響。但也有文獻報道，n型重摻雜改變了硅單晶的費米能級的位置，這有效促進了硅單晶中位錯扭折的濃度的增加，從而提高了位錯的滑移速率，因此也有研究表明，重摻磷會降低硅單晶的硬度。

1.2位錯滑移的臨界切應力

位錯在晶體中運動會周期性地遇到晶格阻力，這使得在常溫下，硅單晶中位錯滑移非常難，只有當溫度高于脆塑轉變溫度的時候，位錯滑移才容易發生，硅單晶也才容易發生塑性變形。因此，材料的塑形變形通常是通過位錯的運動來完成的。而位錯在絕對零度時運動到相鄰的晶格位置要克服的最小應力就被稱為Peierls應力，它是表征材料塑形最基本的物理量之一。然而在現實中，無法實現在低溫下不破壞硅單晶晶體的前提下使其發生塑形變形，因此Peierls應力的大小無法直接測得。通常采用高溫條件下硅單晶中位錯滑移需要的最小應力外推至絕對零度的應力值作為Peierls應力，約為68GPa。

1.3殘余應力誘生的位錯滑移

利用壓痕的殘余應力作為驅動力，在高溫下研究位錯滑移的方法，最早是由S.M.Hu提出的，其在研究氧原子對位錯滑移影響的時候使用了顯微壓痕法。具體實驗步驟為，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，壓痕周圍會引入大量位錯，而壓痕周圍在卸載后依舊會有一定的殘余應力存在。之后，在樣品高溫退火時，由于臨界脫釘應力非常小，殘余引力會驅動位錯進行滑移，形成一系列由60。位錯組成的位錯半環。隨著位錯的滑移，殘余應力逐漸減小，當殘余應力的大小減小至等于該溫度下的臨界脫釘應力時，位錯停止滑移。

1.4拉更光譜測試

采用拉夏光譜研究維氏壓痕引起的相變。實驗中采用放大倍數為100倍的物鏡聚焦激光光束，光斑直徑為-1um。激光功率為20mW，測試時間為lOs。每個樣品皆測試三個顯微壓痕。壓痕的載荷為lOg。加載和卸載速率為lOg。實驗中將激光光斑對準壓痕中心位置。需要提到的是，由于壓痕的徑向裂紋會影響相變的結果。因此實驗中采用lOg的維氏壓痕，出現的徑向裂紋極小，可以忽略。

1.5低溫下位錯滑移的臨界切應力

重摻P和重摻As硅單晶樣品在6000C下處理20min，壓痕引入的位錯的滑移速度和附加切應力之間的關系。實驗中測量位錯滑移的長度，再除以滑移時間，就可以視為位錯滑移速度。無論是重摻P硅單晶樣品，還是重摻As硅單晶樣品，位錯滑移的速度和附加切應力都呈線性關系。將兩條直線延伸至x軸，與x軸的交點，可以粗略地視為位錯滑移的臨界切應力。重摻P硅單晶樣品有著更大的臨界切應力。需要注意的是，這里得出的臨界切應力并不是準確的臨界切應力，因為在附加切應力1-20MPa的區間內，位錯滑移速度迅速增加，二者并非線性關系.

2硅單晶的斷裂韌性

斷裂韌性可以反映材料抑制裂紋擴展的能力。對于不同的材料，表征斷裂韌性的手段也不一樣。拉伸試驗一般用來測試塑形材料的斷裂韌性，而不能用在脆性材料上。對于脆性材料，主流的方法有兩種。第一種，使用抗彎曲試驗來進行表征，材料杭彎曲能力越強，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。維氏壓痕測試法，通過維氏壓頭引入壓痕，統計壓痕四周出現的徑向裂紋的長度，配合硅單晶的硬度和楊氏模量來計算的。室溫下，硅單晶在維氏壓頭引入壓痕時，不只會產生垂直表面徑向裂紋，會造成平行于表面的裂紋的擴展，出現局部材料剝落的情況。

結語

（1）相比于重摻砷硅單晶，重摻磷硅單晶表現出略高的硬度、略低的楊氏模量。重摻砷硅單晶在被施加壓痕的過程中，有更多的Si-I相轉變為Si-II相，Si-II相良好的彈性模量解釋了重摻砷硅單晶表現出更好的楊氏模量的原因。（2相比于重摻砷硅單晶，重摻磷硅單晶表現出更高的斷裂韌性，原因在于無位錯硅單晶的裂紋通過解理進行擴展，而Si-P鍵鍵能比Si-As鍵鍵能要高，因此重摻磷硅單晶中的裂紋在擴展是需要消耗更多的能量。（3）相比于重摻砷硅單晶，重摻磷硅單晶表現出更低的位錯滑移激活能。原因在于n型重摻導致了重摻硅單晶費米能級發生變化，增加了位錯扭折對的形成，促進了位錯的滑移。本文中重摻磷硅單晶的摻雜濃度略大于重摻砷硅單晶濃度，因此表現出的激活能略低。（4）重摻銻和重摻錫硅單晶在硬度、楊氏模量及斷裂韌性等機械性能方面沒有表現出明顯差異。兩種重摻硅單晶在斷裂韌性上差異較小的原因在于，Si-Sb鍵的鍵長能比Si-Sn鍵的鍵長差異不大，故而兩種重摻硅片的裂紋擴展是需要消耗的能量比較接近，因此表現出的斷裂韌性沒有差異。

參考文獻

[1]劉恩科，朱秉生，羅晉生，半導體物理學.第七版.北京：電子工業出版社。2015，68.

[2]張泰華.微/納米力學測試技術及其應用.機械工業出版社，2005.