重掺杂对直拉硅单晶机械性能的影响

郭华

摘要：现如今，我国的科技发展十分迅速，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、断裂韧性和抵杭位错滑移的能力等机械性能的影响，得到的如下主要结果。

关键词：直拉硅单晶;重掺磷;重掺砷

引言

21世纪的我们，正处在信息技术飞速发展的时期。信息产业已然超过钢铁、汽车等传统制造业成为当今世界第一大产业。而在我国的信息技术产业也成为了国民经济的重要组成部分。信息产业的基础便是半导体工业。半导体工业，尤其是其核心集成电路工业，在这个时代一直处于迅猛发展的阶段。半导体材料制造技术不断得到改进、优化，从集成电路到超大规模集成电路，半导体技术的发展带动了全行业的不断进步。计算机更新换代速度之快、网络速度的持续提高，这些都受益于半导体材料的发展应用。社会上的各个产品制造、信息沟通等领域都少不了半导体工业、信息技术的身影，因此半导体产业发展的水平，已经可以作为一个衡量国家经济发展水平的标杆。

1重掺杂对直拉硅单晶机械性能的影响

1.1杂质对硅单晶墓本力学性能的影响

杂质原子对硅单晶的基本力学性能有着显著的影响。但也有文献报道，n型重掺杂改变了硅单晶的费米能级的位置，这有效促进了硅单晶中位错扭折的浓度的增加，从而提高了位错的滑移速率，因此也有研究表明，重掺磷会降低硅单晶的硬度。

1.2位错滑移的临界切应力

位错在晶体中运动会周期性地遇到晶格阻力，这使得在常温下，硅单晶中位错滑移非常难，只有当温度高于脆塑转变温度的时候，位错滑移才容易发生，硅单晶也才容易发生塑性变形。因此，材料的塑形变形通常是通过位错的运动来完成的。而位错在绝对零度时运动到相邻的晶格位置要克服的最小应力就被称为Peierls应力，它是表征材料塑形最基本的物理量之一。然而在现实中，无法实现在低温下不破坏硅单晶晶体的前提下使其发生塑形变形，因此Peierls应力的大小无法直接测得。通常采用高温条件下硅单晶中位错滑移需要的最小应力外推至绝对零度的应力值作为Peierls应力，约为68GPa。

1.3残余应力诱生的位错滑移

利用压痕的残余应力作为驱动力，在高温下研究位错滑移的方法，最早是由S.M.Hu提出的，其在研究氧原子对位错滑移影响的时候使用了显微压痕法。具体实验步骤为，在室温下使用压头（通常为维氏压头）在硅单晶片上引入压痕，压痕周围会引入大量位错，而压痕周围在卸载后依旧会有一定的残余应力存在。之后，在样品高温退火时，由于临界脱钉应力非常小，残余引力会驱动位错进行滑移，形成一系列由60。位错组成的位错半环。随着位错的滑移，残余应力逐渐减小，当残余应力的大小减小至等于该温度下的临界脱钉应力时，位错停止滑移。

1.4拉更光谱测试

采用拉夏光谱研究维氏压痕引起的相变。实验中采用放大倍数为100倍的物镜聚焦激光光束，光斑直径为-1um。激光功率为20mW，测试时间为lOs。每个样品皆测试三个显微压痕。压痕的载荷为lOg。加载和卸载速率为lOg。实验中将激光光斑对准压痕中心位置。需要提到的是，由于压痕的径向裂纹会影响相变的结果。因此实验中采用lOg的维氏压痕，出现的径向裂纹极小，可以忽略。

1.5低温下位错滑移的临界切应力

重掺P和重掺As硅单晶样品在6000C下处理20min，压痕引入的位错的滑移速度和附加切应力之间的关系。实验中测量位错滑移的长度，再除以滑移时间，就可以视为位错滑移速度。无论是重掺P硅单晶样品，还是重掺As硅单晶样品，位错滑移的速度和附加切应力都呈线性关系。将两条直线延伸至x轴，与x轴的交点，可以粗略地视为位错滑移的临界切应力。重掺P硅单晶样品有着更大的临界切应力。需要注意的是，这里得出的临界切应力并不是准确的临界切应力，因为在附加切应力1-20MPa的区间内，位错滑移速度迅速增加，二者并非线性关系.

2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，主流的方法有两种。第一种，使用抗弯曲试验来进行表征，材料杭弯曲能力越强，材料的断裂韧性越高。第二种方法是采用维氏压痕法表征材料的断裂韧性。维氏壓痕测试法，通过维氏压头引入压痕，统计压痕四周出现的径向裂纹的长度，配合硅单晶的硬度和杨氏模量来计算的。室温下，硅单晶在维氏压头引入压痕时，不只会产生垂直表面径向裂纹，会造成平行于表面的裂纹的扩展，出现局部材料剥落的情况。

结语

（1）相比于重掺砷硅单晶，重掺磷硅单晶表现出略高的硬度、略低的杨氏模量。重掺砷硅单晶在被施加压痕的过程中，有更多的Si-I相转变为Si-II相，Si-II相良好的弹性模量解释了重掺砷硅单晶表现出更好的杨氏模量的原因。（2相比于重掺砷硅单晶，重掺磷硅单晶表现出更高的断裂韧性，原因在于无位错硅单晶的裂纹通过解理进行扩展，而Si-P键键能比Si-As键键能要高，因此重掺磷硅单晶中的裂纹在扩展是需要消耗更多的能量。（3）相比于重掺砷硅单晶，重掺磷硅单晶表现出更低的位错滑移激活能。原因在于n型重掺导致了重掺硅单晶费米能级发生变化，增加了位错扭折对的形成，促进了位错的滑移。本文中重掺磷硅单晶的掺杂浓度略大于重掺砷硅单晶浓度，因此表现出的激活能略低。（4）重掺锑和重掺锡硅单晶在硬度、杨氏模量及断裂韧性等机械性能方面没有表现出明显差异。两种重掺硅单晶在断裂韧性上差异较小的原因在于，Si-Sb键的键长能比Si-Sn键的键长差异不大，故而两种重掺硅片的裂纹扩展是需要消耗的能量比较接近，因此表现出的断裂韧性没有差异。

参考文献

[1]刘恩科，朱秉生，罗晋生，半导体物理学.第七版.北京：电子工业出版社。2015，68.

[2]张泰华.微/纳米力学测试技术及其应用.机械工业出版社，2005.