硅單晶的機(jī)械性能是包括集成電路在內(nèi)的器件的制造和封裝的限制因素。同時(shí),硅單晶的機(jī)械性能還在無(wú)位錯(cuò)單晶生長(zhǎng)、外延沉積以及硅片加工中起到十分重要的作用。因此,在過去的數(shù)十年中已經(jīng)涌現(xiàn)出大量有關(guān)硅單晶機(jī)械性能的研究工作。盡管如此,硅單晶的機(jī)械性能的研究依舊不如電學(xué)性能和光學(xué)性能的研究那樣深刻。因此,豐富硅單晶的機(jī)械性能的研究顯得很有必要。本文利用顯微壓痕、納米壓痕、超聲回波和四點(diǎn)彎曲等方法詳細(xì)研究了高濃度的磷、砷、銻和錫等雜質(zhì)對(duì)直拉硅單晶的硬度、彈性模量、斷裂韌性和抵抗位錯(cuò)滑移的能力等機(jī)械性能的影響,得到的如下主要結(jié)果:對(duì)比研究了重?fù)搅缀椭負(fù)缴閷?duì)直拉硅單晶的機(jī)械性能的影響。從顯微壓痕的尺寸,得知重?fù)搅坠鑶尉П戎負(fù)缴楣鑶尉Ь哂猩愿叩木S氏硬度。納米壓痕和超聲回波兩種表征方法都表明重?fù)搅坠鑶尉П戎負(fù)缴楣鑶尉Ь哂新愿叩臈钍夏Ａ�。結(jié)合納米壓痕和顯微拉曼光譜,指出:相比于重?fù)搅坠鑶尉?重?fù)缴楣鑶尉г诩{米壓痕的加載過程中,金剛石立方相（Si-Ⅰ相）向體心立方相（Si-Ⅱ相）的轉(zhuǎn)變更為顯著。通過對(duì)維氏壓痕出現(xiàn)側(cè)裂紋頻率和長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)合維氏壓痕法的斷裂韌性計(jì)算結(jié)果,重?fù)搅坠鑶尉Ь哂懈叩臄嗔秧g性,并用密... 

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圖２．１硅單晶結(jié)構(gòu)示意圖，球表示硅原子，粗實(shí)線表示原子間的成鍵??

２．２硅單晶的基本力學(xué)性能??２．２．１硅單晶的晶體結(jié)構(gòu)??硅單晶的化學(xué)鍵Ｓｉ－Ｓｉ鍵為共價(jià)鍵，其鍵強(qiáng)為３１０ＫＪ?ｍ〇ｒ１［２７］。圖２．１為硅單??晶的晶體結(jié)構(gòu)示意圖［７］，硅單晶的晶體結(jié)構(gòu)是典型的金剛石立方結(jié)構(gòu)，其晶格常??數(shù)為０．５４３?ｎｍ。硅單晶的最密排面是｛１１１｝面，密排方向?yàn)椋迹保保埃揪�，滑移系�??｛１１１丨＜１１０＞，因此硅單晶是各向異性材料，同時(shí)也是一種脆性材料。??？?Ｖ／?？??７?Ｖ??？?？？？?？??圖２．１硅單晶結(jié)構(gòu)示意圖，球表示硅原子，粗實(shí)線表示原子間的成鍵??Ｆｉｇ．?２．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｃｒｙｓｔａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｓｉｌｉｃｏｎ；?ａｔｏｍ?ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ?ａｒｅ?ｓｈｏｗｎ?ａｓ?ｓｐｈｅｒｅｓ，??ｂｏｎｄｓ?ａｓ?ｂｏｌｄ?ｓｏｌｉｄ?ｌｉｎｅｓ．??２．２．２硅單晶的硬度??硬度是一種用來(lái)描述材料抵抗遭受永久破壞的性質(zhì)。硬度是長(zhǎng)久以來(lái)測(cè)試材??－?料機(jī)械性能的一個(gè)有效的指標(biāo)。硬度并非一個(gè)基礎(chǔ)物理量，可以通過測(cè)試方法來(lái)??分類，主要有三類，分別為靜態(tài)壓入硬度、劃入硬度以及動(dòng)態(tài)壓入硬度［２８］。其??中靜態(tài)壓入壓痕最為常用

?轉(zhuǎn)變溫度約為其熔點(diǎn)的一般，對(duì)于硅單晶材料，脆塑轉(zhuǎn)變溫度在５５０°Ｃ左右。當(dāng)??溫度高于脆塑轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，圖２．３所示為在高溫時(shí)不同條件下的硅單晶的應(yīng)力應(yīng)??變曲線，表現(xiàn)出了良好的延展性［３（）］。??＾?Ａ０－?＾＊?０ｘ１０＊?＾?Ａ〇－??！?＾?！??＾?Ａ－ｒ２ｘ？〇５?Ｉ?Ａ??．ｘ?Ａ?Ｉ?Ｊ?ｆＸ?Ｉ?Ｌ??（ａ）〇?ＳＨＥＡＲ?ＩｔＲＡ，，，）?１０?（ｂ）°?湖?Ｗ。??圖２．３不同位錯(cuò)濃度的硅單晶在８００°Ｃ下的應(yīng)力應(yīng)變曲線（ａ）摻氮區(qū)熔硅，（ｂ）普通高純??區(qū)熔硅［３（）］。??ＦＩＧ．?２．３?Ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ?ｃｕｒｖｅｓ?ｏｆ?ｃｒｙｓｔａｌｓ?ｗｉｔｈ?ｖａｒｉｏｕｓ?ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ?ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ?ａｔ?８００°Ｃ，?（ａ）??Ｎｉｔｒｏｇｅｎ－ｄｏｐｅｄ?ｆｌｏａｔｉｎｇ－ｚｏｎｅ－ｇｒｏｗｎ?（ＦＺ－Ｓｉ）?ｓｉｌｉｃｏｎ，?（ｂ）?Ｕｓｕａｌ?Ｆｚ－Ｓｉ?ｏｆ?ｈｉｇｈ?ｐｕｒｉｔｙ［３０］．．??２．２．５硅單晶的斷裂韌性??斷裂韌性可以反映材料抑制裂紋擴(kuò)展的能力。對(duì)于不同的材料，表征斷裂韌??性的手段也不一樣。拉伸試驗(yàn)一般用來(lái)測(cè)試塑形材料的斷裂韌性，而不能用在脆??性材料上。對(duì)于脆性材料


本文編號(hào)：2920273