演示文稿外延薄膜中的缺陷

演示文稿外延薄膜中的缺陷現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六（優(yōu)選）外延薄膜中的缺陷現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六公度失配：失配度a0a0a0=0.5654nma0=0.2866nmGaAs(001)Fe(001)f=(0.5654-2*0.2866)/(2*0.2866)=-1.38%都是面內(nèi)晶格常數(shù)(110)Fe//(110)GaAs:[200]Fe//[100]GaAs現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六Thoseplanesanddirectionswhichgivethebestlatticefitoften,butcertainlynotalways,determinethefilm-substrateorientationSi(111)Si(100)b-FeSi2:a=9.86,b=7.79,c=7.88(101)b-FeSi2//(lll)Si:[010]b-FeSi2//[-110]Si(100)b-FeSi2//(100)Si:[010]b-FeSi2//[110]Si現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六Tilted-LayerEpitaxy現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六Graphoepitaxy現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六外延薄膜示意圖：三維集成電路現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六外延薄膜示意圖：太陽(yáng)能電池現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六材料的晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)晶格常數(shù)現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六MaterialStudio模擬計(jì)算得到的Vergard’sLawVergard規(guī)則現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六常見(jiàn)半導(dǎo)體材料帶隙與晶格常數(shù)的關(guān)系圖虛線：間接帶隙四元合金AlxGa1-xAs晶格常數(shù)與帶隙匹配現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六影響薄膜外延的因素溫度現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六解理面的影響現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六其它因素：殘留氣體，蒸鍍速率，襯底表面缺陷（電子束輻照），電場(chǎng)，表面離子化，膜厚，失配度現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六材料中的各類缺陷點(diǎn)缺陷：空位，間隙原子，替代雜質(zhì)原子，間隙雜質(zhì)原子線缺陷：刃型位錯(cuò)，螺型位錯(cuò)，層錯(cuò)面缺陷:孿晶界，小角晶界，共格晶界……金屬，半導(dǎo)體：不同的結(jié)構(gòu)不同的特性表面點(diǎn)缺陷，表面線缺陷現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六金屬中的點(diǎn)缺陷：空位間隙原子，替代雜質(zhì)平衡缺陷濃度：四面體間隙位坐標(biāo)：（1/4,1/4,1/4)+各原子坐標(biāo)

其余四面體間隙坐標(biāo)。面心密堆積中的間隙面心密堆積中的間隙：現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六面心立方金屬的間隙八面體間隙位坐標(biāo)：（1/2,1/2,1/2)+各原子坐標(biāo)

其余八面體間隙坐標(biāo)。（1/2,0,1/2)

+（1/2,1/2,1/2)（1,1/2,1)

晶胞中原子、四面體間隙、八面體間隙數(shù)目：4,8,4現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六八面體和四面體間隙相互獨(dú)立、間隙大小現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六八面體間隙位坐標(biāo)：（1/2,0,1/2)+各原子坐標(biāo)

其余八面體間隙坐標(biāo)。體心立方金屬的間隙面心棱現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六體心立方密堆積的四面體間隙現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六體心立方密堆積的間隙不是正多面體，四面體間隙包含于八面體間隙之中晶胞中原子、四面體間隙、八面體間隙數(shù)目：2,12,6現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六半導(dǎo)體中的點(diǎn)缺陷半導(dǎo)體具有敞形結(jié)構(gòu)：金剛石結(jié)構(gòu)堆積系數(shù)為0.34FCC,HCP,BCC的堆積系數(shù)為0.74,0.74,0.68半導(dǎo)體凝結(jié)成固體時(shí)體積膨脹。半導(dǎo)體：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，間隙大，半導(dǎo)體中的點(diǎn)缺陷：雜質(zhì)原子多，具有不同的荷電狀態(tài)，現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六間隙位置坐標(biāo)：（1/2,1/2,1/2)+各原子坐標(biāo)

其余間隙位置坐標(biāo)。金剛石結(jié)構(gòu)中的間隙現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六金剛石結(jié)構(gòu)的晶胞中原子在底面的投影,數(shù)字是垂直方向上的坐標(biāo),其單位是晶格常數(shù)的1/8(b),四面體間隙(方形)和六角間隙(三角形)在底面的投影,現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六晶胞中有8個(gè)原子，8個(gè)四面體間隙，16個(gè)六面體間隙原子半徑：0.2165，T間隙到最近鄰原子中心的距離0.433，到次近鄰的距離0.500;H間隙到最近鄰原子中心距離為0.415為什么半導(dǎo)體中的填隙雜質(zhì)原子比金屬中的多？現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六點(diǎn)缺陷的畸變組態(tài)(局部對(duì)稱性改變)硅、鍺中的點(diǎn)缺陷有空位、自填隙原子、填隙雜質(zhì)原子、空位-雜質(zhì)原子等.硅中空位四周的懸鍵(a)，懸鍵形成兩個(gè)新鍵(b)和失去一個(gè)電子后(c)引起畸變，(d)是啞鈴狀空位.局部對(duì)稱性下降現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六Si中四面體間隙處(T位,即1/2,1/2,1/2)的自填隙原子(a)和<110>(b)、<100>(c)啞鈴狀自填隙原子現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六離子晶體的點(diǎn)缺陷和元素晶體有所不同.許多離子晶體的正離子和負(fù)離子各占一半,如NaCl等.但是,空位可以是負(fù)離子空位為主,此時(shí)離子晶體為了保證電中性,可以俘獲電子,如NaCl晶體的Cl離子空位上俘獲電子形成著名的“色心”.許多金屬氧化物的組分顯著偏離化學(xué)比,由此引起的點(diǎn)缺陷濃度很大.如TiOＸ中的x可以由0.69變到1.33.TiO體內(nèi)正、負(fù)離子空位濃度約0.0015.TiO1.33體內(nèi)氧離子空位濃度達(dá)0.02,正離子空位濃度達(dá)0.26TiO0.69體內(nèi)正離子空位濃度達(dá)0.04、氧離子空位濃度達(dá)0.34.

離子晶體中的點(diǎn)缺陷現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六形變與滑移材料中的線缺陷刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)滑移方向的不同現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)兩種基本位錯(cuò)示意圖(簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu))現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六伯格斯回路和伯格斯矢量刃型位錯(cuò)：伯格斯矢量和位錯(cuò)線方向垂直；螺型位錯(cuò)：伯格斯矢量和位錯(cuò)線方向平行；混合位錯(cuò)：伯格斯矢量和位錯(cuò)線方向成一角度；位錯(cuò)線是一條曲線?，F(xiàn)在是34頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六位錯(cuò)線能量~b2,所以有的情況下位錯(cuò)分解以降低能量全位錯(cuò)、部分位錯(cuò)(不全位錯(cuò)):（1）b等于單位點(diǎn)陣矢量的稱為“單位位錯(cuò)”。（2）b等于單位點(diǎn)陣矢量的整數(shù)倍的為“全位錯(cuò)”（3）b不等于單位點(diǎn)陣矢量或其整數(shù)倍的為“不全位錯(cuò)”或稱“部分位錯(cuò)”伯格斯矢量守恒與點(diǎn)缺陷不同，位錯(cuò)并不是熱力學(xué)上的要求，因?yàn)槲诲e(cuò)具有特定的晶體學(xué)方向，所以對(duì)熵增的貢獻(xiàn)很小?，F(xiàn)在是35頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六密排原子示意圖現(xiàn)在是36頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六現(xiàn)在是37頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六ZnO中的伯格斯回路及部分位錯(cuò)現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六Schokley不全位錯(cuò)位錯(cuò)的滑移和相互作用現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六Thompson四面體兩個(gè)英文大寫字母組成的矢量,如AB等,表示全位錯(cuò)的柏格斯矢量,即110/2.希文字母和英文字母組成的一組處于滑移面內(nèi)的矢量,如A,B等,表示Shockley部分位錯(cuò)的柏格斯矢量,即112/6.希文字母和英文字母組成的另一組和滑移面垂直的矢量,如A,B等,表示Frank部分位錯(cuò)的柏格斯矢量,即111/3.現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六與螺型位錯(cuò)垂直的生長(zhǎng)表面的形貌現(xiàn)在是41頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六從[01]方向觀察的內(nèi)稟層錯(cuò)(a)和外稟層錯(cuò)(b)的結(jié)構(gòu)示意圖層錯(cuò)現(xiàn)在是42頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六現(xiàn)在是43頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六金剛石結(jié)構(gòu)中位錯(cuò)的兩種滑移類型金剛石結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)和層錯(cuò)現(xiàn)在是44頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六金剛石結(jié)構(gòu)中的內(nèi)稟層錯(cuò)(a)外稟層錯(cuò)(b)現(xiàn)在是45頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六現(xiàn)在是46頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六閃鋅礦結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)和層錯(cuò)帶有不同原子懸鍵的兩種60位錯(cuò)現(xiàn)在是47頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的俯視圖(a)和側(cè)視圖(b)Zn纖鋅礦結(jié)構(gòu)的位錯(cuò)和層錯(cuò)現(xiàn)在是48頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六垂直位錯(cuò)列孿晶界和其他面缺陷面心立方金屬(111)原子面的堆垛次序是ABCABC,以(111)為界面的孿晶中的堆垛次序是ABCABCBACBA,這是以中心的C面為對(duì)稱面的兩個(gè)面心立方晶體的結(jié)合,形成所謂的孿晶(孿生的晶體).現(xiàn)在是49頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六共格相界面兩側(cè)的晶體具有完全確定的位向關(guān)系,一側(cè)的原子面和另一側(cè)的原子面可以取向不同或有扭折,但可以逐一對(duì)應(yīng)和過(guò)渡,具體的例子有Co的面心立方結(jié)構(gòu)和六角密堆結(jié)構(gòu)之間的界面、GaAs和InGaAs之間的界面等.Al中固溶少量Cu原子后形成的富Cu的一、二原子層厚的GP區(qū)和基體之間也可以認(rèn)為形成了共格相界面.部分共格界面的典型例子是GaAs(001)上生長(zhǎng)的較厚的InGaAs層,界面兩側(cè)晶粒取向雖有確定的取向關(guān)系,但界面兩側(cè)的原子面已無(wú)逐一對(duì)應(yīng)和過(guò)渡的關(guān)系.此時(shí)界面上出現(xiàn)一系列刃型失配位錯(cuò),那些多余的半原子面一直插到界面處.現(xiàn)在是50頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六思考題:歸納薄膜中的晶體缺陷類型畫(huà)圖說(shuō)明全位錯(cuò),部分位錯(cuò)的區(qū)別和聯(lián)系3.畫(huà)圖說(shuō)明外稟層錯(cuò)的獲得現(xiàn)在是51頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六外延薄膜中的失配位錯(cuò)異質(zhì)半導(dǎo)體膜外延時(shí)由于二種材料晶格常數(shù)不同引起的應(yīng)變稱為失配應(yīng)變.

溫度變化后由二種材料熱膨脹系數(shù)不同引起的應(yīng)變稱為熱應(yīng)變.溫度變化幾百度引起它們晶格常數(shù)的變化約103.一般情況下兩種材料外延生長(zhǎng)中產(chǎn)生應(yīng)變的主要因素是晶格常數(shù)的不同,但冷卻后熱膨脹系數(shù)引起的應(yīng)變的影響也不能忽略現(xiàn)在是52頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六fitstrainrelax外延薄膜中的應(yīng)變與失配位錯(cuò)pseudomorphic,晶體結(jié)構(gòu)一樣<0膜內(nèi)壓應(yīng)力=0無(wú)應(yīng)力>0膜內(nèi)張應(yīng)力f現(xiàn)在是53頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六無(wú)位錯(cuò)薄膜單位面積內(nèi)的應(yīng)變能me

切變模量；v

泊松比h

薄膜厚度；f

失配度位錯(cuò)產(chǎn)生后，應(yīng)變由f變?yōu)閑=f-b/S位錯(cuò)產(chǎn)生后的總能量為彈性能和位錯(cuò)能之和b考慮產(chǎn)生位錯(cuò)在能量上是否有利產(chǎn)生位錯(cuò)的臨界厚度產(chǎn)生失配位錯(cuò)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自薄膜應(yīng)變能的降低.現(xiàn)在是54頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六單位面積內(nèi)刃型位錯(cuò)能me、ms薄膜和襯底的切變模量；v

泊松比r

位錯(cuò)應(yīng)變場(chǎng)的有效范圍；b伯格斯矢量單位長(zhǎng)度位錯(cuò)能：s單位面積內(nèi)位錯(cuò)總長(zhǎng)度：2/S現(xiàn)在是55頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六或：附：位錯(cuò)能的其它表達(dá)式現(xiàn)在是56頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六單位面積內(nèi)位錯(cuò)能：對(duì)于薄膜，r>h,rhe=f-b/S應(yīng)變薄膜的臨界厚度S=b/(f-e)現(xiàn)在是57頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六產(chǎn)生位錯(cuò)后的總能量E=Ed+EeE對(duì)e求極小值現(xiàn)在是58頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六現(xiàn)在是59頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六臨界厚度：薄膜應(yīng)變隨膜厚的變化膜厚增大時(shí)，r<h,r應(yīng)該用S/2，而不是h現(xiàn)在是60頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六產(chǎn)生位錯(cuò)需要突破勢(shì)壘把無(wú)位錯(cuò)時(shí)薄膜的應(yīng)變能超過(guò)失配位錯(cuò)能作為產(chǎn)生失配位錯(cuò)的臨界值eceE1fE2位錯(cuò)數(shù)目增加膜厚增加現(xiàn)在是61頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六GexSi1-x/Si應(yīng)變薄膜臨界厚度的實(shí)驗(yàn)和理論曲線Ge的晶格常數(shù)為0.5657nm,Si的晶格常數(shù)為0.5431nm,請(qǐng)給出應(yīng)變薄膜臨界厚度的理論曲線表達(dá)式現(xiàn)在是62頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六(a)ae>as,ae>as(b)ae>as,ae<as(c)ae<as,ae>as(d)ae<as,ae<as應(yīng)變對(duì)晶格常數(shù)的影響現(xiàn)在是63頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六失配位錯(cuò)的成核機(jī)制主要有兩種:1.來(lái)自襯底的穿過(guò)位錯(cuò)的增殖,2.薄膜表面位錯(cuò)環(huán)的均勻成核.F=2e[(1+)/(1-)]hbsincos應(yīng)變場(chǎng)對(duì)位錯(cuò)的作用力Fd=e[b2(1-cos2)/4(1-)]ln(h/b)位錯(cuò)自身的張力失配位錯(cuò)的成核和增殖穿過(guò)位錯(cuò)引起失配位錯(cuò)的過(guò)程(穿過(guò)位錯(cuò)的增殖)現(xiàn)在是64頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六而穿過(guò)位錯(cuò)自身的線張力隨膜厚對(duì)數(shù)地緩慢增大,它的表達(dá)式是:

Fd=e[b2(1-cos2)/4(1-)]ln(h/b)這里的是位錯(cuò)線芯部尺寸參數(shù),對(duì)金屬它可以取為1,即位錯(cuò)線芯部尺寸為b,對(duì)半導(dǎo)體它可以取為4,即位錯(cuò)線芯部尺寸為b/4.穿過(guò)位錯(cuò)引起失配位錯(cuò)的過(guò)程(穿過(guò)位錯(cuò)的增殖)現(xiàn)在是65頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六

用薄膜應(yīng)變場(chǎng)對(duì)穿過(guò)位錯(cuò)的作用應(yīng)力(=2F/hb)和位錯(cuò)自身的線張應(yīng)力d(=2Fd/b)相等為判據(jù)

(e=0),也可以得到薄膜臨界厚度的表達(dá)式.但是,要求上述兩個(gè)應(yīng)力相等的判據(jù)實(shí)際上是過(guò)低了,因?yàn)榇藭r(shí)位錯(cuò)受到的凈作用力為零,即使依靠熱激活,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度也太小,因此更合理的判據(jù)是：對(duì)穿過(guò)位錯(cuò)的作用應(yīng)力應(yīng)超過(guò)位錯(cuò)線張力,即:-d=0.024e用這樣的判據(jù)得到的臨界厚度隨失配度的理論曲線比-d=0得到的曲線提高了幾倍,并且和Si(100)基底上500-550C生長(zhǎng)的若干外延SiGe薄膜的實(shí)驗(yàn)臨界厚度曲線也符合得很好現(xiàn)在是66頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六表面成核的半位錯(cuò)環(huán)(a)擴(kuò)展后引起失配位錯(cuò)(b)現(xiàn)在是67頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六穿過(guò)位錯(cuò)可滑移線段AB的增殖過(guò)程現(xiàn)在是68頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六

穿過(guò)位錯(cuò)上Frank-Reed源的增殖過(guò)程現(xiàn)在是69頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六

一定失配度條件下薄膜中的應(yīng)變和位錯(cuò)的演化過(guò)程:薄膜厚度小于臨界值時(shí),薄膜和襯底完全共格,薄膜中沒(méi)有失配位錯(cuò),薄膜是應(yīng)變膜.

薄膜厚度大于臨界值時(shí),開(kāi)始形成失配位錯(cuò),薄膜應(yīng)變開(kāi)始松弛,但由于位錯(cuò)滑移運(yùn)動(dòng)摩擦力的存在,應(yīng)變的松弛比較緩慢.

薄膜厚度繼續(xù)增大,位錯(cuò)增殖機(jī)制起動(dòng),產(chǎn)生大量失配位錯(cuò),應(yīng)變的松弛顯著加快.

在失配位錯(cuò)增加的同時(shí)穿過(guò)位錯(cuò)也顯著增加.要使薄膜中失配位錯(cuò)和穿過(guò)位錯(cuò)減少,需要減小失配度和薄膜厚度,或采取適當(dāng)?shù)拇胧┤缡褂锰荻冗^(guò)渡層等.現(xiàn)在是70頁(yè)\一共有77頁(yè)\編輯于星期六島狀薄膜中的應(yīng)變和失配位錯(cuò)

失配度大時(shí)薄膜的生長(zhǎng)模式將從大面積地一層一層生長(zhǎng)改變?yōu)閸u狀生長(zhǎng)或單層加島狀生長(zhǎng),隨著島的不斷增大,其中的應(yīng)變和失配位錯(cuò)也有一個(gè)演化過(guò)程.

為簡(jiǎn)單起見(jiàn),設(shè)想一個(gè)方形的島,它在x,y(平行界面),z(垂直界面)