34、硅晶体中杂质对力学性能的影响

硅晶体中杂质对力学性能的影响

1. 硅晶体中的位错与热循环

在 900°C 下，对于应力幅值 (T_{\sim}=7.5) 和 10 MPa 以及应力速率 (\dot{\sigma}=5\times10^{-2}) MPa/s 的情况，FZ - Si 中，位错密度会随着循环次数的增加而上升。而热循环的情况则更为复杂，在热循环的加热和冷却过程中，温度的不均匀分布会导致热应力的产生，因此温度和应力都会随时间变化。

当硅晶圆中含有如氧这类能有效固定位错的杂质时，有两种效应会抑制位错密度的增加：
- 应力幅值未超临界值 ：如果应力循环的幅值没有超过位错产生的临界应力，位错源就不会产生位错。在这种情况下，即使经过多次应力循环，晶圆实际上也不会产生位错。
- 高温无应力阶段 ：在实际的器件生产过程中，晶圆会在高温下保持一段时间无应力状态，因为此时晶圆内温度均匀。即使在位错源在之前的热循环加热或冷却过程中产生了位错并进入晶圆，当晶圆处于高温时，这些位错会因被氧原子捕获而固定。因此，每次循环后位错源的密度会回到循环开始前的初始值，结果是即使经过多次循环，位错密度也能保持在较低水平。这就是为什么 CZ - Si 晶圆比 FZ - Si 晶圆更能抵抗热循环引起的翘曲。

以下是一个简单的表格总结两种硅晶体的特点：
| 硅晶体类型 | 位错密度与循环关系 | 抗热循环翘曲能力 |
| — | — | — |
| FZ - Si | 位错密度随循环次数增加 | 较弱 |
| CZ - Si | 位错密度保持较低水平 | 较强 |

2. 氧沉淀对硅力学强度的影响