半导体面缺陷.ppt

3 3面缺陷 面缺陷的定义面缺陷 在两个方向上尺寸很大 在一个方向上尺寸很小的缺陷 面缺陷的类型金属中常见的面缺陷有表面 晶界 亚晶界和相界 从原子结合的角度看 表面原子的结合键数减少 因此表面原子有强烈的倾向与环境中的原子或分子相互作用 晶体表层原子在不均匀力场作用下会偏离其平衡位置而移向晶体内部 但是正 负离子 或正 负电荷 偏离的程度不同 结果在晶体表面产生了双电层 图离子晶体表面的双电层 3 3 1表面 晶体内部的原子处于其他原子的包围中 处于均匀的力场中 总合力为零 处于能量最低的状态 而表面原子却不同 它与气相 或液相 接触 处于不均匀的力场之中 其能量较高 高出的能量称为表面自由能 晶体中不同晶面的表面能数值不同 这是由于表面能的本质是表面原子的不饱和键 而不同晶面上的原子密度不同 密排面的原子密度最大 则该面上任一原子与相邻晶面原子的作用键数最少 故以密排面作为表面时不饱和键数最少 表面能量低 晶体总是力图处于最低的自由能状态 所以一定体积的晶体的平衡几何外形应满足表面能总和为最小 自然界的有些矿物或人工结晶的盐类等常有规则的几何外形 他们的表面常由最密排面及次密排面组成 这是一种低能的几何形态 考虑其他因素的影响 大多数的晶体并不具有规则的几何外形 晶体的宏观表面可以加工的十分光滑 但从原子的尺度来看仍是十分粗糙而凸凹不平 不管表面是否平行于密排面 宏观表面基本上由一系列平行的原子密排面及相应的台阶组成 台阶的密度取决于表面和密排面的夹角 属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界 而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成 相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界 图晶界与亚晶界示意图 3 3 2晶界与相界 根据晶界两侧晶粒位相差的不同可分为小角度晶界和大角度晶界 亚晶界属于小角度晶界 1 小角度晶界相邻晶粒的位向差小于10 的晶界称为小角度晶界 根据形成晶界时的操作不同 晶界分为倾斜晶界 tiltboundary 和扭转晶界 twistboundary 图倾斜晶界与扭转晶界示意图 倾斜晶界又包括对称倾斜晶界和不对称倾斜晶界 下面先以简单立方晶体为例讨论 简单立方结构晶体的对称倾斜晶界倾斜晶界为 100 面 晶界 投影面为 001 面 两侧晶体的位向差为 相当于相邻晶粒绕 001 轴反向各自旋转 2而成 转轴是 001 几何特征是相邻两晶粒相对于晶界作旋转 转轴在晶界内并与位错线平行 为了填补相邻两个晶粒取向之间的偏差 使原子的排列尽可能接近原来的完整晶格 每隔几行就插入一片原子 图简单立方晶体中的对称倾斜晶界 对称倾斜晶界是最简单的小角度晶界 symmetricaltiltboundary 这种晶界的结构特点是由一系列平行等距离排列的同号刃位错所构成 位错间距离D 伯氏矢量b与取向差 之间满足下列关系由上式知 当 小时 位错间距较大 若b 0 25nm 1o 则D 14nm 若 10o 则位错间距太近 位错模型不再适应 结构特点是 由两组相互垂直的刃位错所组成 简单立方晶体中的不对称倾斜晶界 形成 界面是绕 001 轴旋转角度 的任意面 相邻两晶粒的取向差仍是很小的 角 但界面两侧晶粒是不对称的 界面与左侧晶粒轴向夹角为 2 与右侧晶粒的 100 成 2 晶界平面是任意面转轴是 001 简单立方晶体扭转晶界 旋转 角 晶面平面是 001 面 转轴是 001 两者互相垂直 结构特点 晶界是由两组相互垂直的螺位错构成的网络 形成 扭转后 为了降低原子错排引起的能量增加 晶面内的原子会适当位移以确保尽可能多的原子恢复到平衡位置 此即结构弛豫 不能回到平衡位置的 最后形成两组相互垂直分布的螺位错 推广 一般的小角度晶界 其旋转轴和界面可以有任意的取向关系 因此结构特点是由刃位错 螺位错或混合位错组成的二维位错网所组成 此为小角度晶界的位错模型 相邻晶粒的位向差大于10 的晶界称为大角度晶界 大角度晶界的结构较复杂 原子排列很不规则 由不规则的台阶组成的 晶界可看成坏区与好区交替相间组合而成 图大角度晶界模型 2 大角度晶界 大角度晶界的 重合位置点阵 模型 在二维正方点阵中 当两个相邻晶粒的位向差为37 时 设想两晶粒的点阵彼此通过晶界向对方延伸 其中一些原子将出现有规律的相互重合 由这些原子重合位置所组成比原来晶体点阵大的新点阵 通常称为重合位置点阵 图重合位置点阵模型 孪晶是指两个晶体 或一个晶体的两部分 沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系 这两个晶体就称为 孪晶 twin 此公共晶面就称孪晶面 图孪晶界 3 孪晶界 具有不同结构的两相之间的分界面称为 相界 按结构特点 相界面可分为共格 半共格和非共格相界三种类型 图具有完善共格关系的相界 图具有弹性畸变的共格相界 4 相界 共格界面 界面两侧两相点阵原子在界面处完全吻合的界面称为共格界面 形成条件 结构条件 界面处两相原子排列相同或相近 点阵参数条件 界面处两相原子间距相等或相近 界面处两相原子间距不相等时 形成共格界面需要原子位置的调整 此时的共格界面具有较高的弹性应变能 图半共格界面 图非共格界面 3 3 3界面能 概念 形成 或扩大 单位面积界面所做的非体积功 或自由焓增量 称为 比 界面能界面能的来源 与内部原子相比 界面原子所处的环境不同化学能 界面原子周围原子数或类型变化 引起键能的变化 应变能 界面原子偏离平衡位置引起弹性应变能 1 界面能与界面张力 界面张力是作用在单位长度界面边界上的力 界面张力数值上等于界面能 作用在界面的切线方向 指向界面缩小的方向影响因素 材料种类 成分 温度 具有各向异性 2 界面能影响单晶的外形 界面能主要是化学能 近似等于面上原子排列不同 具有明显的各向异性 例如fcc晶体的低能面 111 等 bcc晶体为 100 110 单晶体往往有规则的外形 3 晶界能与位向差 4 晶粒和第二相颗粒的稳定形状 总界面能 比界面能和界面面积的乘积对于非共格大角度界面 比界面能几乎是各向同性的 即常数 为了降低总的界面能 应该缩小界面面积 弯曲界面趋向于平直化 界面能影响晶粒和第二相的形状 三个颗粒交界处的界面张力平衡 根据力的平衡关系 12与 23的合力应与 31相平衡 三者可以构成一个三角形 利用三角形的正弦定理 以及诱导公式 单相合金的二维截面 对于各向同性的大角度晶界 因为界面能恒定 三个角度均为120度 稳定形状是6边形 加热时小于六边形的晶粒要缩小 直至消失 大于六边形的晶粒要长大 并逐渐演变为平衡晶粒形貌 单相合金晶粒的空间形状 晶粒的空间形状是较多6边形表面的多面体 第二相颗粒的形状 晶内形成第二相时 第二相形状取决于两个因素 基体与第二相的界面能 第二相产生的弹性应变能两相原子尺寸差别 5 时 应变能决定第二相形状 第二相一般为薄片 盘或碟 状 两相原子尺寸差别小时 界面能决定第二相形状 第二相往往为球 等轴 形 第二相位于晶界上当 透镜状 当 近球状 当 片状第二相位于界棱上 见下图 当 两相界面夹角120 当 两相界面夹角180 近球状 当 两相界面夹角0 1 晶界处点阵畸变大 存在晶界能 晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积 从而降低晶界的总能量 2 晶界处原子排列不规则 在常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用 致使塑性变形抗力提高 宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度 晶粒越细 材料的强度越高 这就是细晶强化 3 晶界处原子偏离平衡位置 具有较高的动能 并且晶界处存在较多的缺陷如空穴 杂质原子和位错等 故晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多 3 3 4晶界特性 4 在固态相变过程中 由于晶界能量较高且原子活动能力较大 所以新相易于在晶界处优先形核 原始晶粒越细 晶界越多 则新相形核率也相应越高 5 由于成分偏析和内吸附现象 特别是晶界富集杂质原子的情况下 往往晶界熔点较低 故在加热过程中 因温度过高将引起晶界熔化和氧化 导致 过热 现象产生 6 由于晶界能量较高 原子处于不稳定状态 以及晶界富集杂质原子的缘故 与晶内相比晶界的腐蚀速度一般较快 这就是用腐蚀剂显示金相样品组织的依据 也是某些金属材料在使用中发生晶间腐蚀破坏的原因 界面对材料性能的影响 界面是晶体中的面缺陷 对晶体材料的性质和转变过程有重要影响 界面阻碍位错运动 引起界面强化 提高材料的强度 界面阻碍变形 使变形分布均匀 提高材料的塑性 强度 塑性的提高相应使材料韧性也得到改善 因此 界面的增加 得到细晶组织 可大大改善材料的力学性能 界面具有高的能量 化学介质不稳定 产生晶界腐蚀 故影响材料的化学性能 界面也影响材料的物理性能 如材料组织中晶粒增大 界面减少 可提高导磁率 降低矫顽力 在高温下界面强度降低 成为薄弱环