外延薄膜中的缺陷

1、多晶薄膜：薄膜由大量微小晶體(晶粒)組成。 單晶薄膜：薄膜中的全部原子或分子呈規(guī)則排列。 外延薄膜：在單晶基片上，生長(zhǎng)出的單晶薄膜與基片保持一定的晶體學(xué)取向關(guān)系。(薄膜和襯底材料之間晶格的連續(xù)過(guò)渡) 如SiC(111)/Si(111)；Ag(001)/NaCl(001) 同質(zhì)外延生長(zhǎng)，異質(zhì)外延生長(zhǎng) 標(biāo)記: (HKL)/(hkl);UVW/uvw (001)Ni/(001)Cu;100Ni/100Cu (111)PbTe/(111)MgAl2O4; 211PbTe/101MgAl2O4,第九章 外延薄膜中的缺陷,公度失配：,失配度,a0,a0,a0=0.5654 nm,a0=0.2866 nm,

2、GaAs(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:200Fe/100GaAs,Those planes and directions which give the best lattice fit often, but certainly not always, determine the film-substrate orientation,Si(111),Si(100),b-FeSi2:a=9.86,b=7.79,c=7.88,(101)b-FeSi2/(lll)Si:0

3、10 b-FeSi2/-110Si,(100)b-FeSi2/(100)Si:010b-FeSi2/110Si,Tilted-Layer Epitaxy,Graphoepitaxy,外延薄膜示意圖：三維集成電路,外延薄膜示意圖：太陽(yáng)能電池,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),Material Studio模擬計(jì)算得到的Vergards Law,Vergard 規(guī)則,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,影響薄膜外延的因素,溫度,解理面的影響,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

4、化，膜厚，失配度,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,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：,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

5、原子、四面體間隙、八面體間隙數(shù)目：4,8,4,八面體和四面體間隙相互獨(dú)立、間隙大小,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,體心立方密堆積的四面體間隙,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,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0.34 FCC,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)，,間隙位置

6、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,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,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？,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(

7、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,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(b)、(c)啞鈴狀自填隙原子,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TiO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.

8、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)0.26 TiO0.69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,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,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)),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。,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

9、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。,密排原子示意圖,ZnO中的伯格斯回路及部分位錯(cuò),Schokley不全位錯(cuò),位錯(cuò)的滑移和相互作用,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,

10、 如A, B等, 表示Frank部分位錯(cuò)的柏格斯矢量, 即111/3.,與螺型位錯(cuò)垂直的生長(zhǎng)表面的形貌,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),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),金剛石結(jié)構(gòu)中的內(nèi)稟層錯(cuò)(a)外稟層錯(cuò)(b),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),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),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

11、結(jié)合, 形成所謂的孿晶(孿生的晶體).,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.,思考題: 歸納

12、薄膜中的晶體缺陷類型 畫圖說(shuō)明全位錯(cuò), 部分位錯(cuò)的區(qū)別和聯(lián)系 3. 畫圖說(shuō)明外稟層錯(cuò)的獲得,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,fit,strain,relax,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)張應(yīng)力,f,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

13、 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.,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,或：,附：位錯(cuò)能的其它表達(dá)式,單位面積內(nèi)位錯(cuò)能：,對(duì)于薄膜，r h, r h,e = f-b/S,應(yīng)變薄膜的臨界厚度,S = b/(f-e),產(chǎn)生位錯(cuò)后的總能量E=Ed+Ee,E對(duì)e求極小值,臨界厚度：,薄膜應(yīng)變隨膜厚的變化,膜厚增大時(shí)， r

14、h , r應(yīng)該用S/2，而不是h,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,ec,e,E1,f,E2,位錯(cuò)數(shù)目增加,膜厚增加,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,(a) aeas, aeas,(b) aeas,aeas,(c) aeas,(d) aeas,aeas,應(yīng)變對(duì)晶格常數(shù)的影響,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

15、應(yīng)變場(chǎng)對(duì)位錯(cuò)的作用力 Fd=eb2(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),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=eb2(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),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.

16、 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,表面成核的半位錯(cuò)環(huán)(a)擴(kuò)展后引起失配位錯(cuò)(b),穿過(guò)位錯(cuò)可滑移線段AB的增殖過(guò)程,穿過(guò)位錯(cuò)上Frank-Reed源的增殖過(guò)程,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

17、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.,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

18、, 它在x,y(平行界面), z(垂直界面)上的尺寸分別為X, Y, Z. 如果島只在x方向上和襯底存在失配度f(wàn), 島中的應(yīng)變能E可以表示為 E=eVf2/(1-) 即應(yīng)變能隨V(V=XYZ)而線性地增大.,襯底上薄膜的長(zhǎng)方形島,長(zhǎng)方形島生長(zhǎng)過(guò)程中應(yīng)變的變化,每產(chǎn)生一根位錯(cuò)，島的應(yīng)變降低b/X1,島狀薄膜中的應(yīng)變和失配位錯(cuò),E=eVf2/(1-),襯底上大面積逐層生長(zhǎng)時(shí)位錯(cuò)也是一根一根產(chǎn)生的, 位錯(cuò)產(chǎn)生時(shí)也會(huì)引起應(yīng)變的突然松弛, 也會(huì)得到類似的鋸齒狀曲線. P57 給出的是大面積逐層生長(zhǎng)薄膜時(shí)、應(yīng)變能和位錯(cuò)能之和為極小條件下的應(yīng)變-厚度曲線, 由于它沒(méi)有考慮位錯(cuò)的產(chǎn)生需要克服勢(shì)壘, 不考慮單根位錯(cuò)的突然產(chǎn)生, 因此得到了單調(diào)下降的連續(xù)曲線.,每產(chǎn)生一根位錯(cuò)，島的應(yīng)變降低b/X1,正方形島生長(zhǎng)過(guò)程中失配位錯(cuò)的產(chǎn)生,島邊緣產(chǎn)生失配位錯(cuò)的原子過(guò)程,外延薄膜中其他缺陷的