演示文稿外延薄膜中的缺陷目前一頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)（優(yōu)選）外延薄膜中的缺陷目前二頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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目前三頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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目前四頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)Tilted-LayerEpitaxy目前五頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)Graphoepitaxy目前六頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)外延薄膜示意圖：三維集成電路目前七頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)外延薄膜示意圖：太陽能電池目前八頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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)目前九頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)MaterialStudio模擬計(jì)算得到的Vergard’sLawVergard規(guī)則目前十頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)目前十一頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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)與帶隙匹配目前十二頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)目前十三頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)影響薄膜外延的因素溫度目前十四頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)解理面的影響目前十五頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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，失配度目前十六頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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，表面線缺陷目前十七頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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：目前十八頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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目前十九頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)八面體和四面體間隙相互獨(dú)立、間隙大小目前二十頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)目前二十一頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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目前二十二頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)體心立方密堆積的四面體間隙目前二十三頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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目前二十四頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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)，目前二十五頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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)中的間隙目前二十六頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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,目前二十七頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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？目前二十八頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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)稱性下降目前二十九頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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)啞鈴狀自填隙原子目前三十頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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)缺陷目前三十一頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)形變與滑移材料中的線缺陷刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)滑移方向的不同目前三十二頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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))目前三十三頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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。目前三十四頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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。目前三十五頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)密排原子示意圖目前三十六頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)目前三十七頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)ZnO中的伯格斯回路及部分位錯(cuò)目前三十八頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)Schokley不全位錯(cuò)位錯(cuò)的滑移和相互作用目前三十九頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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.目前四十頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)與螺型位錯(cuò)垂直的生長(zhǎng)表面的形貌目前四十一頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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)目前四十二頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)目前四十三頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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)目前四十四頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)金剛石結(jié)構(gòu)中的內(nèi)稟層錯(cuò)(a)外稟層錯(cuò)(b)目前四十五頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)目前四十六頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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)目前四十七頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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)目前四十八頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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).目前四十九頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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)的原子面已無逐一對(duì)應(yīng)和過渡的關(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.目前五十頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)思考題:歸納薄膜中的晶體缺陷類型畫圖說明全位錯(cuò),部分位錯(cuò)的區(qū)別和聯(lián)系3.畫圖說明外稟層錯(cuò)的獲得目前五十一頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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目前五十二頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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無應(yīng)力>0膜內(nèi)張應(yīng)力f目前五十三頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)無位錯(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)力來自薄膜應(yīng)變能的降低.目前五十四頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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目前五十五頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)或：附：位錯(cuò)能的其它表達(dá)式目前五十六頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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)目前五十七頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)產(chǎn)生位錯(cuò)后的總能量E=Ed+EeE對(duì)e求極小值目前五十八頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)目前五十九頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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目前六十頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)產(chǎn)生位錯(cuò)需要突破勢(shì)壘把無位錯(cuò)時(shí)薄膜的應(yīng)變能超過失配位錯(cuò)能作為產(chǎn)生失配位錯(cuò)的臨界值eceE1fE2位錯(cuò)數(shù)目增加膜厚增加目前六十一頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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)式目前六十二頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)(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)的影響目前六十三頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)失配位錯(cuò)的成核機(jī)制主要有兩種:1.來自襯底的穿過位錯(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)的成核和增殖穿過位錯(cuò)引起失配位錯(cuò)的過程(穿過位錯(cuò)的增殖)目前六十四頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)而穿過位錯(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.穿過位錯(cuò)引起失配位錯(cuò)的過程(穿過位錯(cuò)的增殖)目前六十五頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)

用薄膜應(yīng)變場(chǎng)對(duì)穿過位錯(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)穿過位錯(cuò)的作用應(yīng)力應(yīng)超過位錯(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目前六十六頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)表面成核的半位錯(cuò)環(huán)(a)擴(kuò)展后引起失配位錯(cuò)(b)目前六十七頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)穿過位錯(cuò)可滑移線段AB的增殖過程目前六十八頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)

穿過位錯(cuò)上Frank-Reed源的增殖過程目前六十九頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)

一定失配度條件下薄膜中的應(yīng)變和位錯(cuò)的演化過程: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),開始形成失配位錯(cuò),薄膜應(yīng)變開始松弛,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)穿過位錯(cuò)也顯著增加.要使薄膜中失配位錯(cuò)和穿過位錯(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^渡層等.目前七十頁\總數(shù)七十七頁\編于十六點(diǎn)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)演化過程.

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