1、多晶薄膜：薄膜由大量微小晶体多晶薄膜：薄膜由大量微小晶体(晶粒晶粒)组成。组成。单晶薄膜：薄膜中的全部原子或分子呈规则排列。单晶薄膜：薄膜中的全部原子或分子呈规则排列。外延薄膜：在单晶基片上，生长出的单晶薄膜与基外延薄膜：在单晶基片上，生长出的单晶薄膜与基片保持一定的晶体学取向关系。片保持一定的晶体学取向关系。(薄膜和薄膜和衬底材料之间晶格的连续过渡衬底材料之间晶格的连续过渡)如如SiC(111)/Si(111)；Ag(001)/NaCl(001)同质外延生长，异质外延生长同质外延生长，异质外延生长标记标记:(HKL)/(hkl);UVW/uvw(001)Ni/(001)Cu;100Ni/10
2、0Cu(111)PbTe/(111)MgAl2O4;211PbTe/101MgAl2O4第九章第九章 外延薄膜中的缺陷外延薄膜中的缺陷()/seefaaa()/seefnamama公度失配：公度失配：失配度失配度a0a0a0=0.5654 nma0=0.2866 nmGaAs(001)Fe(001)f=(0.5654-2*0.2866)/(2*0.2866)=-1.38%都是面内晶格常数都是面内晶格常数(110)Fe/(110)GaAs:200Fe/100GaAsThose planes and directions which give the best lattice fit often,
3、but certainly not always,determine the film-substrate orientationSi(111)Si(100)b-FeSi2:a=9.86,b=7.79,c=7.88(101)b-FeSi2/(lll)Si:010 b-FeSi2/-110Si(100)b-FeSi2/(100)Si:010b-FeSi2/110SiTilted-Layer EpitaxyGraphoepitaxy外延薄膜示意图：三维集成电路外延薄膜示意图：三维集成电路外延薄膜示意图：太阳能电池外延薄膜示意图：太阳能电池材料的晶格常数、热膨胀系数材料的晶格常数、热膨胀系数热膨胀系
4、数热膨胀系数晶格常数晶格常数Material Studio模拟计算得到的Vergards LawVergard 规则规则常见半导体材料带隙与晶格常数的关系图常见半导体材料带隙与晶格常数的关系图虚线：间接带隙虚线：间接带隙四元合金四元合金AlxGa1-xAs晶格常数与带隙匹配影响薄膜外延的因素影响薄膜外延的因素温度温度解理面的影响解理面的影响其它因素：残留气体，其它因素：残留气体，蒸镀速率，衬底表面蒸镀速率，衬底表面缺陷（电子束辐照），缺陷（电子束辐照），电场，表面离子化，电场，表面离子化，膜厚，失配度膜厚，失配度材料中的各类缺陷材料中的各类缺陷点缺陷：空位，间隙原子，替代杂质原子，点缺陷：空位
5、，间隙原子，替代杂质原子，间隙杂质原子间隙杂质原子线缺陷：刃型位错，螺型位错，层错线缺陷：刃型位错，螺型位错，层错面缺陷面缺陷:孪晶界，小角晶界，共格晶界孪晶界，小角晶界，共格晶界金属，半导体：不同的结构不同的特性金属，半导体：不同的结构不同的特性表面点缺陷，表面线缺陷表面点缺陷，表面线缺陷金属中的点缺陷：空位金属中的点缺陷：空位间隙原子，替代杂质间隙原子，替代杂质平衡缺陷浓度：平衡缺陷浓度：)/exp()/exp(/)(expkTEkSkTTSEn四面体间隙位坐标：四面体间隙位坐标：（1/4,1/4,1/4)+各原子坐标各原子坐标 其余四面体间隙坐标。其余四面体间隙坐标。面心密堆积中的间隙面
6、心密堆积中的间隙面心密堆积中的间隙：面心密堆积中的间隙：面心立方金属的间隙面心立方金属的间隙八面体间隙位坐标：八面体间隙位坐标：（1/2,1/2,1/2)+各原子坐标各原子坐标 其余八面体间隙坐标。其余八面体间隙坐标。（1/2,0,1/2)+（1/2,1/2,1/2)（1,1/2,1)晶胞中原子、四面体间隙、八面体间隙数目：4,8,4八面体和四面体间隙相互独立、间隙大小八面体和四面体间隙相互独立、间隙大小八面体间隙位坐标：八面体间隙位坐标：（1/2,0,1/2)+各原子坐标各原子坐标 其余八面体间隙坐标。其余八面体间隙坐标。体心立方金属的间隙体心立方金属的间隙面心棱体心立方密堆积的四面体间隙体
7、心立方密堆积的四面体间隙体心立方密堆积的间隙不是正体心立方密堆积的间隙不是正多面体，四面体间隙包含于八多面体，四面体间隙包含于八面体间隙之中面体间隙之中晶胞中原子、四面体间隙、晶胞中原子、四面体间隙、八面体间隙数目：八面体间隙数目：2,12,6半导体中的点缺陷半导体中的点缺陷半导体具有敞形结构：金刚石结构堆积系数为半导体具有敞形结构：金刚石结构堆积系数为0.34FCC,HCP,BCC的堆积系数为的堆积系数为0.74,0.74,0.68半导体凝结成固体时体积膨胀。半导体凝结成固体时体积膨胀。半导体：结构复杂，间隙大，半导体：结构复杂，间隙大，半导体中的点缺陷：杂质原子多，具有不同半导体中的点缺陷
8、：杂质原子多，具有不同的荷电状态，的荷电状态，间隙位置坐标：间隙位置坐标：（1/2,1/2,1/2)+各原子坐标各原子坐标 其余间隙位置坐标。其余间隙位置坐标。金刚石结构中的间隙金刚石结构中的间隙金刚石结构的晶胞中原子在底面的投影金刚石结构的晶胞中原子在底面的投影,数字是垂直数字是垂直方向上的坐标方向上的坐标,其单位是晶格常数的其单位是晶格常数的1/8(b),四面体间四面体间隙隙(方形方形)和六角间隙和六角间隙(三角形三角形)在底面的投影在底面的投影,晶胞中有晶胞中有8个原子，个原子，8个四面个四面体间隙，体间隙，16个六面体间隙个六面体间隙原子半径：原子半径：0.2165，T间隙到最近邻原子
9、中心的间隙到最近邻原子中心的距离距离0.433，到次近邻的距离，到次近邻的距离0.500;H间隙到最近邻原子中心距间隙到最近邻原子中心距离为离为0.415为什么半导体中的填隙杂质为什么半导体中的填隙杂质原子比金属中的多？原子比金属中的多？点缺陷的畸变组态点缺陷的畸变组态(局部对称性改变局部对称性改变)硅、锗中的点缺陷有空位、自填隙原子、填隙杂质硅、锗中的点缺陷有空位、自填隙原子、填隙杂质原子、空位原子、空位-杂质原子等杂质原子等.硅中空位四周的悬键硅中空位四周的悬键(a)，悬键形成两个新键，悬键形成两个新键(b)和失去一和失去一个电子后个电子后(c)引起畸变，引起畸变，(d)是哑铃状空位是哑铃
10、状空位.局局部部对对称称性性下下降降Si中四面体间隙处中四面体间隙处(T位位,即即1/2,1/2,1/2)的自填隙的自填隙原子原子(a)和和(b)、(c)哑铃状自填隙原子哑铃状自填隙原子离子晶体的点缺陷和元素晶体有所不同离子晶体的点缺陷和元素晶体有所不同.许多离子晶体的正许多离子晶体的正离子和负离子各占一半离子和负离子各占一半,如如NaClNaCl等等.但是但是,空位可以是负离空位可以是负离子空位为主子空位为主,此时离子晶体为了此时离子晶体为了保证电中性保证电中性,可以俘获电子可以俘获电子,如如NaClNaCl晶体的晶体的ClCl离子空位上俘获电子形成著名的离子空位上俘获电子形成著名的“色心色
11、心”.许多金属氧化物的组分显著偏离化学比许多金属氧化物的组分显著偏离化学比,由此引起的点缺陷由此引起的点缺陷浓度很大浓度很大.如如TiOTiO中的中的x x可以由可以由0.690.69变到变到1.33.1.33.TiOTiO体内正、负离子空位浓度约体内正、负离子空位浓度约0.0015.0.0015.TiOTiO1.331.33体内氧离子空位浓度达体内氧离子空位浓度达0.02,0.02,正离子空位浓度达正离子空位浓度达0.260.26TiOTiO0.690.69体内正离子空位浓度达体内正离子空位浓度达0.040.04、氧离子空位浓度达、氧离子空位浓度达0.34.0.34.离子晶体中的点缺陷离子晶
12、体中的点缺陷形变与滑移形变与滑移材料中的线缺陷材料中的线缺陷刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错滑移方向的不同滑移方向的不同刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错两种基本位错示意图两种基本位错示意图(简单立方结构简单立方结构)伯格斯回路和伯格斯矢量伯格斯回路和伯格斯矢量刃型位错：伯格斯矢量和位错线方向垂直；刃型位错：伯格斯矢量和位错线方向垂直；螺型位错：伯格斯矢量和位错线方向平行；螺型位错：伯格斯矢量和位错线方向平行；混合位错混合位错：伯格斯矢量和位错线方向成一角度；位错线是一：伯格斯矢量和位错线方向成一角度；位错线是一条曲线。条曲线。位错线能量位错线能量 b2,所以有的情况下位错分解以降低能量所以有
13、的情况下位错分解以降低能量全位错、部分位错全位错、部分位错(不全位错不全位错):（1）b 等于单位点阵矢量的称为等于单位点阵矢量的称为“单位位错单位位错”。（2）b等于单位点阵矢量的整数倍的为等于单位点阵矢量的整数倍的为“全位错全位错”（3）b 不等于单位点阵矢量或其整数倍的为不等于单位点阵矢量或其整数倍的为“不全位不全位错错”或称或称“部分位错部分位错”伯格斯矢量守恒伯格斯矢量守恒21bbb与点缺陷不同，位错并不是热力学上的要求，因为位与点缺陷不同，位错并不是热力学上的要求，因为位错具有特定的晶体学方向，所以对熵增的贡献很小。错具有特定的晶体学方向，所以对熵增的贡献很小。密排原子示意图密排原
14、子示意图ZnO中的伯格斯回路及部分位错中的伯格斯回路及部分位错Schokley不全位错不全位错位错的滑移和相互作用位错的滑移和相互作用Thompson四面体两个英文大写字母组成的矢量,如AB等,表示全位错的柏格斯矢量,即110/2.希文字母和英文字母组成的一组处于滑移面内的矢量,如A,B等,表示Shockley部分位错的柏格斯矢量,即112/6.希文字母和英文字母组成的另一组和滑移面垂直的矢量,如A,Bb等,表示Frank部分位错的柏格斯矢量,即111/3.与螺型位错垂直的生长表面的形貌与螺型位错垂直的生长表面的形貌从01方向观察的内禀层错(a)和外禀层错(b)的结构示意图层错层错金刚石结构中
15、位错的两种滑移类型金刚石结构中位错的两种滑移类型金刚石结构中的位错和层错金刚石结构中的位错和层错金刚石结构中的内禀层错金刚石结构中的内禀层错(a)外禀层错外禀层错(b)闪锌矿结构中的位错和层错闪锌矿结构中的位错和层错带有不同原子悬键的两种60位错六角纤锌矿结构的俯视图(a)和侧视图(b)Zn纤锌矿结构的位错和层错纤锌矿结构的位错和层错垂直位错列垂直位错列孪晶界和其他面缺陷孪晶界和其他面缺陷面心立方金属(111)原子面的堆垛次序是ABCABC,以(111)为界面的孪晶中的堆垛次序是ABCABCBACBA,这是以中心的C面为对称面的两个面心立方晶体的结合,形成所谓的孪晶(孪生的晶体).共格相界面两
16、侧的晶体具有完全确定的位向关系,一侧的原子面和另一侧的原子面可以取向不同或有扭折,但可以逐一对应和过渡,具体的例子有Co的面心立方结构和六角密堆结构之间的界面、GaAs和InGaAs之间的界面等.Al中固溶少量Cu原子后形成的富Cu的一、二原子层厚的GP区和基体之间也可以认为形成了共格相界面.部分共格界面的典型例子是GaAs(001)上生长的较厚的InGaAs层,界面两侧晶粒取向虽有确定的取向关系,但界面两侧的原子面已无逐一对应和过渡的关系.此时界面上出现一系列刃型失配位错,那些多余的半原子面一直插到界面处.思考题思考题:1.归纳薄膜中的晶体缺陷类型归纳薄膜中的晶体缺陷类型2.画图说明全位错画
17、图说明全位错,部分位错的区别和联系部分位错的区别和联系3.画图说明外禀层错的获得画图说明外禀层错的获得外延薄膜中的失配位错外延薄膜中的失配位错异质半导体膜外延时由于二种材料晶格常数不同异质半导体膜外延时由于二种材料晶格常数不同引起的应变称为引起的应变称为失配应变失配应变.温度变化后由二种材料热膨胀系数不同引起的应温度变化后由二种材料热膨胀系数不同引起的应变称为变称为热应变热应变.温度变化几百度引起它们晶格常数的变化约温度变化几百度引起它们晶格常数的变化约10 3.一一般情况下两种材料外延生长中产生应变的主要因素般情况下两种材料外延生长中产生应变的主要因素是晶格常数的不同是晶格常数的不同,但冷却
18、后热膨胀系数引起的应变但冷却后热膨胀系数引起的应变的影响也不能忽略的影响也不能忽略 fitstrainrelax外延薄膜中的应变与失配位错外延薄膜中的应变与失配位错pseudomorphic,晶体结构一样晶体结构一样0 膜内张应力膜内张应力f无位错薄膜单位面积内的应变能无位错薄膜单位面积内的应变能2121evEhfv e 切变模量；切变模量；v 泊松比泊松比h 薄膜厚度；薄膜厚度；f 失配度失配度位错产生后，应变由位错产生后，应变由f 变为变为 =f-b/S位错产生后的位错产生后的总能量为弹性能和位总能量为弹性能和位错能之和错能之和2121evEhv b考虑产生位错在能量上是否有利考虑产生位错
19、在能量上是否有利产生位错的临界厚度产生位错的临界厚度产生失配位错的驱动力来自产生失配位错的驱动力来自薄膜应变能的降低薄膜应变能的降低.单位面积内刃型位错能单位面积内刃型位错能2ln(/)12(1)esdesbEr bv e、s薄膜和衬底的切变模量；薄膜和衬底的切变模量；v 泊松比泊松比r 位错应变场的有效范围；位错应变场的有效范围；b 伯格斯矢量伯格斯矢量单位长度单位长度位错能：位错能：s单位面积内位错总长度：单位面积内位错总长度：2/S2ln(/)2(1)esdesbEr bv b72.2701.0:b)/ln(4)/ln()1(40202rRbrRb螺位错：刃位错：或：附：位错能的其它表达
20、式附：位错能的其它表达式2ln(/)1/(1)esdesbEr bSv 单位面积内位错能：单位面积内位错能：对于薄膜，对于薄膜，r h,r h =f-b/S()ln(/)1(1)esdesb fEh bv 应变薄膜的临界厚度应变薄膜的临界厚度S=b/(f-)2121evEhv()ln(/)1(1)esdesb fEh bv 产生位错后的总能量E=Ed+Eln(/)14(1)scesbh bhvE对求极小值临界厚度：临界厚度：ln(/)14(1)sccesbhhbfv薄膜应变随薄膜应变随膜厚的变化膜厚的变化膜厚增大时，r as,e s(b)aeas,e s(c)ae s(d)aeas,e s应变
21、对晶格常数的影响应变对晶格常数的影响失配位错的成核机制主要有两种失配位错的成核机制主要有两种:1.来自衬底的穿过位错的增殖来自衬底的穿过位错的增殖,2.薄膜表面位错环的均匀成核薄膜表面位错环的均匀成核.F=2 e(1+)/(1-)h bsinb bcos 应变场对位错的作用力应变场对位错的作用力Fd=eb2(1-cos2b b)/4(1-)ln(h/b)位错自身的张力位错自身的张力失配位错的成核和增殖失配位错的成核和增殖穿过位错引起失配位错的过程穿过位错引起失配位错的过程(穿过位错的增殖穿过位错的增殖)而穿过位错自身的线张力随膜厚对数地缓慢增大而穿过位错自身的线张力随膜厚对数地缓慢增大,它的表
22、它的表达式是达式是:Fd=eb2(1-cos2b b)/4(1-)ln(h/b)这里的这里的 是位错线芯部尺寸参数是位错线芯部尺寸参数,对金属它可以取为对金属它可以取为1,即即位错线芯部尺寸为位错线芯部尺寸为b,对半导体它可以取为对半导体它可以取为4,即位错线芯即位错线芯部尺寸为部尺寸为b/4.穿过位错引起失配位错的过程穿过位错引起失配位错的过程(穿过位错的增殖穿过位错的增殖)用薄膜应变场对穿过位错的作用应力用薄膜应变场对穿过位错的作用应力 (=2F/hb)和位错自身和位错自身的线张应力的线张应力 d(=2Fd/b)相等为判据相等为判据 (e=0),也可以得到薄膜临界厚度的表达式也可以得到薄膜
23、临界厚度的表达式.但是但是,要求上述两个应力要求上述两个应力相等的判据实际上是过低了相等的判据实际上是过低了,因为此时位错受到的净作用力为因为此时位错受到的净作用力为零零,即使依靠热激活即使依靠热激活,位错运动速度也太小位错运动速度也太小,因此更合理的判据因此更合理的判据是：是：对穿过位错的作用应力应超过位错线张力对穿过位错的作用应力应超过位错线张力,即即:-d=0.024 e用这样的判据得到的临界厚度随失配度的理论曲线比用这样的判据得到的临界厚度随失配度的理论曲线比 -d=0得到的曲线提高了几倍得到的曲线提高了几倍,并且和并且和Si(100)基底上基底上500-550 C生长的生长的若干外延
24、若干外延SiGe薄膜的实验临界厚度曲线也符合得很好薄膜的实验临界厚度曲线也符合得很好 表面成核的半位错环表面成核的半位错环(a)扩展后引起失配位错扩展后引起失配位错(b)穿过位错可滑移线段AB的增殖过程穿过位错上Frank-Reed源的增殖过程 一定失配度条件下薄膜中的应变和位错的演化过程一定失配度条件下薄膜中的应变和位错的演化过程:1.薄膜厚度小于临界值时薄膜厚度小于临界值时,薄膜和衬底完全共格薄膜和衬底完全共格,薄膜薄膜中没有失配位错中没有失配位错,薄膜是应变膜薄膜是应变膜.2.薄膜厚度大于临界值时薄膜厚度大于临界值时,开始形成失配位错开始形成失配位错,薄膜薄膜应变开始松弛应变开始松弛,但
25、由于位错滑移运动摩擦力的存在但由于位错滑移运动摩擦力的存在,应变的松弛比较缓慢应变的松弛比较缓慢.3.薄膜厚度继续增大薄膜厚度继续增大,位错增殖机制起动位错增殖机制起动,产生大量产生大量失配位错失配位错,应变的松弛显著加快应变的松弛显著加快.4.在失配位错增加的同时穿过位错也显著增加在失配位错增加的同时穿过位错也显著增加.要使要使薄膜中失配位错和穿过位错减少薄膜中失配位错和穿过位错减少,需要减小失配度需要减小失配度和薄膜厚度和薄膜厚度,或采取适当的措施如使用梯度过渡层或采取适当的措施如使用梯度过渡层等等.岛状薄膜中的应变和失配位错岛状薄膜中的应变和失配位错 失配度大时薄膜的生长模式将从大面积地
26、一层一层失配度大时薄膜的生长模式将从大面积地一层一层生长改变为岛状生长或单层加岛状生长生长改变为岛状生长或单层加岛状生长,随着岛的不随着岛的不断增大断增大,其中的应变和失配位错也有一个演化过程其中的应变和失配位错也有一个演化过程.为简单起见为简单起见,设想一个方形的岛设想一个方形的岛,它在它在x,y(平行界平行界面面),z(垂直界面垂直界面)上的尺寸分别为上的尺寸分别为X,Y,Z.如果岛只在如果岛只在x方向上和衬底存在失配度方向上和衬底存在失配度f,岛中的应变能岛中的应变能E 可以表可以表示为示为 E=eVf2/(1-)即应变能随即应变能随V(V=XYZ)而线性地增大而线性地增大.衬底上薄膜的
27、长方形岛衬底上薄膜的长方形岛长方形岛生长过程中应变的变化长方形岛生长过程中应变的变化 每产生一根位错，岛的应变降低每产生一根位错，岛的应变降低b/X1岛状薄膜中的应变和失配位错岛状薄膜中的应变和失配位错 E=eVf2/(1-)衬底上大面积逐层生长时位错也是一根一根产生的,位错产生时也会引起应变的突然松弛,也会得到类似的锯齿状曲线.P57 给出的是大面积逐层生长薄膜时、应变能和位错能之和为极小条件下的应变-厚度曲线,由于它没有考虑位错的产生需要克服势垒,不考虑单根位错的突然产生,因此得到了单调下降的连续曲线.每产生一根位错，岛的应变降低每产生一根位错，岛的应变降低b/X1正方形岛生长过程中失配位
28、错的产生岛边缘产生失配位错的原子过程外延薄膜中其他缺陷的产生外延薄膜中其他缺陷的产生CdTe(111)堆垛次序不同引起的孪晶薄片 化合物半导体膜中反相畴界的形成,(a)在Ge(001)面上生长,(b)在Ge(110)面上生长.在化合物半导体薄膜中可以产生反相畴界.化合物中一般有两种原子,图(a)的上方是GaAs110方向的投影图,黑白圆圈表示两种原子,大小圆圈表示前后两个(110)面上的原子.外延薄膜生长中产生的各种缺陷(1,3:刃型和螺型穿过位错,2:界面上的失配位错,4:表面上的生长卷线,5,6:堆垛层错,7:卵形缺陷,8:小丘,9:沉淀颗粒)思考：思考：从缺陷形成过程从缺陷形成过程,详细叙述在高质量外延详细叙述在高质量外延膜生长中应注意的问题膜生长中应注意的问题
