35、硅中杂质对机械性能及缺陷形成的影响

硅中杂质对机械性能及缺陷形成的影响

1. 杂质对硅机械性能的影响

1.1 碳杂质的作用

碳杂质在硅中的浓度对其机械性能有着独特的影响。当碳浓度增加时，硅晶体的上屈服应力会单调上升。例如，当碳以(2.5×10^{16})原子/立方厘米的浓度溶解时，晶体的上屈服应力会提高到原来的(1.4)倍。不过，只有当碳杂质与浓度高于约(5×10^{17})原子/立方厘米的氧杂质共存时，才会使硅晶体的机械强度增加。这是因为碳本身对硅中位错的动态特性没有明显影响，但在直拉硅（CZ - Si）中，碳可以促进氧原子对位错的锁定。推测碳原子会并入位错的核心区域，成为氧原子团簇的优先成核位点，从而促进位错锁定。

1.2 氧杂质的影响

1.2.1 位错运动方面

• 当氧杂质溶解在硅中时，测量位错速度会变得困难，这是由于氧原子在位错上的偏聚导致位错固定。不过，通过原位X射线形貌观察技术可以克服这一难题。
• 硅中的位错迁移率随温度升高而迅速增加。在高纯度区熔硅（FZ - Si）中，位错速度在极低应力下仍与应力呈线性关系。在直拉硅中，当位错在高应力下以较高速度运动时，位错速度与应力的线性关系同样成立，且此时直拉硅中的位错速度与高纯度区熔硅相同。但当位错在低应力下以较低速度运动时，含氧量杂质的硅中位错速度低于高纯度硅，同时位错运动形状会受到干扰。当应力低于某个临界值时，含氧量杂质的硅中位错会停止运动，且临界应力值随氧浓度增加而增大。
• 理论分析表明，单个分散在硅晶体中的氧原子在相关温度范围内不影响位错速度，但会追上缓慢移动的位错并在位错线上形成团簇，导致位错线形状扰动和运动迟缓。原本新鲜的位错在含氧量杂质的硅中，