外延薄膜中的缺陷課件

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)過渡)如SiC(111)/Si(111)；Ag(001)/NaCl(001)同質(zhì)外延生長，異質(zhì)外延生長標(biāo)記: (HKL)/(hkl);UVW/uvw (001)Ni/(001)Cu;100Ni/100Cu(111)PbTe/(111)MgAl2O4; 211PbTe/101MgAl2O4第九章 外延薄膜中的缺陷多晶薄膜：薄膜由大量微小晶體(晶粒)組成。第九章 外延薄膜中公度失配：失配度a0a0a0=0.565

2、4 nma0=0.2866 nmGaAs(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公度失配：失配度a0a0a0=0.5654 nma0=0.2Those planes and directions which give the best lattice fit often, but certainly not always, determine the film-substrate orientationSi(111)Si(100)b-FeSi2:a=9.8

3、6,b=7.79,c=7.88(101)b-FeSi2/(lll)Si:010 b-FeSi2/-110Si(100)b-FeSi2/(100)Si:010b-FeSi2/110SiThose planes and directions whTilted-Layer EpitaxyTilted-Layer EpitaxyGraphoepitaxyGraphoepitaxy外延薄膜示意圖：三維集成電路外延薄膜示意圖：三維集成電路外延薄膜示意圖：太陽能電池外延薄膜示意圖：太陽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)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

4、模擬計算得到的Vergards LawVergard 規(guī)則Material Studio模擬計算得到的Vergard外延薄膜中的缺陷課件常見半導(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)與帶隙匹配常見半導(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A外延薄膜中的缺陷課件影響薄膜外延的因素溫度影響薄膜外延的因素溫度解理面的影響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，表面離子化，膜厚，失配度其它因素：殘留氣體，蒸鍍速率，襯底表面缺陷（電子束輻照），電材料中的各類缺陷點缺陷：空位，間隙原子，替代雜質(zhì)原子，間隙雜質(zhì)原子線缺陷

5、：刃型位錯，螺型位錯，層錯面缺陷: 孿晶界，小角晶界，共格晶界金屬，半導(dǎo)體：不同的結(jié)構(gòu)不同的特性表面點缺陷，表面線缺陷材料中的各類缺陷點缺陷：空位，間隙原子，替代雜質(zhì)原子，間隙雜金屬中的點缺陷：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：金屬中的點缺陷：空位間隙原子，替代雜質(zhì)平衡缺陷濃度：四面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

6、隙、八面體間隙數(shù)目：4,8,4面心立方金屬的間隙八面體間隙位坐標(biāo)：（1/2,0, 1/2)八面體和四面體間隙相互獨立、間隙大小八面體和四面體間隙相互獨立、間隙大小外延薄膜中的缺陷課件八面體間隙位坐標(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八面體間隙位坐標(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半導(dǎo)體中的點缺陷半導(dǎo)體具有敞形結(jié)構(gòu)：金剛石結(jié)構(gòu)堆

7、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)體中的點缺陷：雜質(zhì)原子多，具有不同的荷電狀態(tài)，半導(dǎo)體中的點缺陷半導(dǎo)體具有敞形結(jié)構(gòu)：金剛石結(jié)構(gòu)堆積系數(shù)為0.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, 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)晶胞中有8個原子，

8、8個四面體間隙，16個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？晶胞中有8個原子，8個四面體間隙，16個六面體間隙為什么半導(dǎo)點缺陷的畸變組態(tài)(局部對稱性改變)硅、鍺中的點缺陷有空位、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)，懸鍵形成兩個新鍵(b)和失去一個電子后(c)引起畸變，(d)是啞鈴狀空位.局部對稱性下降點缺陷的畸變組態(tài)(局部對稱性改變)硅、鍺中的點缺陷有空位、自Si中四面體間隙處(T位, 即1/2, 1/2, 1/2)的自

9、填隙原子(a)和(b)、(c)啞鈴狀自填隙原子Si中四面體間隙處(T位, 即1/2, 1/2, 1/2)的離子晶體的點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. TiO1.33體內(nèi)氧離子空位濃度達0.02, 正離子空位濃度達0.26TiO0.69體內(nèi)正離子空位濃度

10、達0.04、氧離子空位濃度達0.34. 離子晶體中的點缺陷離子晶體的點缺陷和元素晶體有所不同. 許多離子晶體的正離子和形變與滑移材料中的線缺陷刃型位錯螺型位錯滑移方向的不同形變與滑移材料中的線缺陷刃型位錯螺型位錯滑移方向的不同刃型位錯 螺型位錯兩種基本位錯示意圖(簡單立方結(jié)構(gòu))刃型位錯 伯格斯回路和伯格斯矢量刃型位錯：伯格斯矢量和位錯線方向垂直；螺型位錯：伯格斯矢量和位錯線方向平行；混合位錯：伯格斯矢量和位錯線方向成一角度；位錯線是一條曲線。伯格斯回路和伯格斯矢量刃型位錯：伯格斯矢量和位錯線方向垂直；位錯線能量 b2, 所以有的情況下位錯分解以降低能量全位錯、部分位錯(不全位錯):（1） b

11、等于單位點陣矢量的稱為“單位位錯”。 （2） b等于單位點陣矢量的整數(shù)倍的為“全位錯” （3） b 不等于單位點陣矢量或其整數(shù)倍的為“不全位錯”或稱“部分位錯” 伯格斯矢量守恒與點缺陷不同，位錯并不是熱力學(xué)上的要求，因為位錯具有特定的晶體學(xué)方向，所以對熵增的貢獻很小。位錯線能量 b2, 所以有的情況下位錯分解以降低能量與點密排原子示意圖密排原子示意圖外延薄膜中的缺陷課件ZnO中的伯格斯回路及部分位錯ZnO中的伯格斯回路及部分位錯Schokley不全位錯位錯的滑移和相互作用Schokley不全位錯位錯的滑移和相互作用Thompson四面體兩個英文大寫字母組成的矢量, 如AB等, 表示全位錯的柏格

12、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部分位錯的柏格斯矢量, 即111/3.Thompson四面體兩個英文大寫字母組成的矢量, 如AB等與螺型位錯垂直的生長表面的形貌與螺型位錯垂直的生長表面的形貌從01方向觀察的內(nèi)稟層錯(a)和外稟層錯(b)的結(jié)構(gòu)示意圖層錯從01方向觀察的內(nèi)稟層錯(a)和外稟層錯(b)的結(jié)構(gòu)示意外延薄膜中的缺陷課件金剛石結(jié)構(gòu)中位錯的兩種滑移類型金剛石結(jié)構(gòu)中的位錯和層錯金剛石結(jié)構(gòu)中位錯

13、的兩種滑移類型金剛石結(jié)構(gòu)中的位錯和層錯金剛石結(jié)構(gòu)中的內(nèi)稟層錯(a)外稟層錯(b)金剛石結(jié)構(gòu)中的內(nèi)稟層錯(a)外稟層錯(b)外延薄膜中的缺陷課件閃鋅礦結(jié)構(gòu)中的位錯和層錯帶有不同原子懸鍵的兩種60位錯閃鋅礦結(jié)構(gòu)中的位錯和層錯帶有不同原子懸鍵的兩種60位錯六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的俯視圖(a)和側(cè)視圖(b)Zn纖鋅礦結(jié)構(gòu)的位錯和層錯六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的俯視圖(a)和側(cè)視圖(b)Zn纖鋅礦結(jié)構(gòu)的位垂直位錯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面為對稱面的兩個面心立方晶體的結(jié)合, 形成所謂的孿晶(孿生的

14、晶體). 垂直位錯列孿晶界和其他面缺陷面心立方金屬(111)原子面的堆共格相界面兩側(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, 但可以逐一對應(yīng)和過渡, 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)的原子面已無逐一對應(yīng)和過渡的關(guān)系. 此時界面上出現(xiàn)一系列刃型失配位錯, 那些多余的半原子面一

15、直插到界面處. 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)的原子面和思考題:歸納薄膜中的晶體缺陷類型畫圖說明全位錯, 部分位錯的區(qū)別和聯(lián)系3. 畫圖說明外稟層錯的獲得思考題:外延薄膜中的失配位錯異質(zhì)半導(dǎo)體膜外延時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 外延薄膜中的失配位錯異質(zhì)半導(dǎo)體膜外延時由于二種材料晶格常數(shù)不fitstrainrelax外延薄膜中的應(yīng)變與失配位

16、錯pseudomorphic, 晶體結(jié)構(gòu)一樣0 膜內(nèi)張應(yīng)力ffitstrainrelax外延薄膜中的應(yīng)變與失配位錯pse無位錯薄膜單位面積內(nèi)的應(yīng)變能me 切變模量；v 泊松比h 薄膜厚度；f 失配度位錯產(chǎn)生后，應(yīng)變由f 變?yōu)閑 = f-b/S位錯產(chǎn)生后的總能量為彈性能和位錯能之和b考慮產(chǎn)生位錯在能量上是否有利產(chǎn)生位錯的臨界厚度產(chǎn)生失配位錯的驅(qū)動力來自薄膜應(yīng)變能的降低. 無位錯薄膜單位面積內(nèi)的應(yīng)變能me 切變模量；v 泊松比位錯產(chǎn)單位面積內(nèi)刃型位錯能me、ms薄膜和襯底的切變模量；v 泊松比r 位錯應(yīng)變場的有效范圍；b 伯格斯矢量單位長度位錯能：s單位面積內(nèi)位錯總長度：2/S單位面積內(nèi)刃型位錯能

17、me、ms薄膜和襯底的切變模量；v 泊松或：附：位錯能的其它表達式或：附：位錯能的其它表達式單位面積內(nèi)位錯能：對于薄膜，r h, r he = f-b/S應(yīng)變薄膜的臨界厚度S = b/(f-e)單位面積內(nèi)位錯能：對于薄膜，r h, r he = 產(chǎn)生位錯后的總能量E=Ed+EeE對e求極小值產(chǎn)生位錯后的總能量E=Ed+EeE對e求極小值外延薄膜中的缺陷課件臨界厚度：薄膜應(yīng)變隨膜厚的變化膜厚增大時， r h , r應(yīng)該用S/2，而不是h臨界厚度：薄膜應(yīng)變隨膜厚的變化膜厚增大時， r as, aeas(b) aeas,aeas(c) aeas(d) aeas,aeas, aeas(b) aeas,

18、aea失配位錯的成核機制主要有兩種: 1.來自襯底的穿過位錯的增殖, 2.薄膜表面位錯環(huán)的均勻成核. F=2e(1+)/(1-)hbsincos 應(yīng)變場對位錯的作用力Fd=eb2(1-cos2)/4(1-)ln(h/b) 位錯自身的張力失配位錯的成核和增殖穿過位錯引起失配位錯的過程(穿過位錯的增殖)失配位錯的成核機制主要有兩種: 失配位錯的成核和增殖穿過位錯而穿過位錯自身的線張力隨膜厚對數(shù)地緩慢增大, 它的表達式是: Fd=eb2(1-cos2)/4(1-)ln(h/b)這里的是位錯線芯部尺寸參數(shù), 對金屬它可以取為1, 即位錯線芯部尺寸為b, 對半導(dǎo)體它可以取為4, 即位錯線芯部尺寸為b/4

19、. 穿過位錯引起失配位錯的過程(穿過位錯的增殖)而穿過位錯自身的線張力隨膜厚對數(shù)地緩慢增大, 它的表達式是: 用薄膜應(yīng)變場對穿過位錯的作用應(yīng)力(=2F/hb)和位錯自身的線張應(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式. 但是, 要求上述兩個應(yīng)力相等的判據(jù)實際上是過低了, 因為此時位錯受到的凈作用力為零, 即使依靠熱激活, 位錯運動速度也太小, 因此更合理的判據(jù)是：對穿過位錯的作用應(yīng)力應(yīng)超過位錯線張力, 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生長的若干外

20、延SiGe薄膜的實驗臨界厚度曲線也符合得很好 用薄膜應(yīng)變場對穿過位錯的作用應(yīng)力(=2F/hb)和位表面成核的半位錯環(huán)(a)擴展后引起失配位錯(b)表面成核的半位錯環(huán)(a)擴展后引起失配位錯(b)穿過位錯可滑移線段AB的增殖過程穿過位錯可滑移線段AB的增殖過程穿過位錯上Frank-Reed源的增殖過程穿過位錯上Frank-Reed源的增殖過程 一定失配度條件下薄膜中的應(yīng)變和位錯的演化過程:薄膜厚度小于臨界值時, 薄膜和襯底完全共格, 薄膜中沒有失配位錯, 薄膜是應(yīng)變膜. 薄膜厚度大于臨界值時, 開始形成失配位錯, 薄膜應(yīng)變開始松弛, 但由于位錯滑移運動摩擦力的存在, 應(yīng)變的松弛比較緩慢. 薄膜厚

21、度繼續(xù)增大, 位錯增殖機制起動, 產(chǎn)生大量失配位錯, 應(yīng)變的松弛顯著加快. 在失配位錯增加的同時穿過位錯也顯著增加. 要使薄膜中失配位錯和穿過位錯減少, 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^渡層等. 一定失配度條件下薄膜中的應(yīng)變和位錯的演化過程:島狀薄膜中的應(yīng)變和失配位錯 失配度大時薄膜的生長模式將從大面積地一層一層生長改變?yōu)閸u狀生長或單層加島狀生長, 隨著島的不斷增大, 其中的應(yīng)變和失配位錯也有一個演化過程. 為簡單起見, 設(shè)想一個方形的島, 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, 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. 襯底上薄膜的長方形島島狀薄膜中的應(yīng)變和失配位錯 失配度大時薄膜的生長模式將從大面長方形島生長過程中應(yīng)變的變化 每產(chǎn)生一根位錯