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第七章硅中的缺陷本章讨论原生长硅单晶和器件工艺中的硅片中最重要的一些缺陷，包括它们的本质、几何分布、形成的机理、它们之间的相互作用和关系等等。
关于氧沉淀方面的内容放在第八章中讨论。
要成功地制造有效的硅器件必须在硅片的有效工作区内消除晶体缺陷。
随着集成电路技术的集成度越来越高，器件制造工艺变得越来越复杂，增加了在硅片中引入缺陷的机会。
除非我们对这些缺陷的本质和形成机理有了了解，否则它们会不确定地发生，从而影响所制成的器件的性能。
基于这一基本目的，对硅片中缺陷的了解必须最终与它们对器件电性能的影响相联系。
硅片中的许多缺陷本身对于电性能并没有什么有害的影响，但是当它们与其他杂质相互作用后可以变成很有害的结构。
这样的相互作用决定了由硅片中缺陷引起的器件失效的两种主要模式(在这里没有考虑介电、金相、光刻等方面的缺陷)：晶体管“管道”和结漏电流。
“管道”在机理上是短接发射极和集电极的导电通路，通常被认为是发射极区的掺杂剂沿着穿过晶体管的位错产生增强了的扩散所引起的结果。
PN结漏电流通常是铜、铁、铬等这样一些杂质的沉淀引起的产生电流的结果，这些沉淀在器件工艺过程中通过在各种缺陷处成核的过程而产生。
另一种主要的器件失效模式——MOS电荷储存失效，也是由和结漏电流同样的杂质缺陷反应所引起的。
在整个半导体工业中，硅单晶经受了从晶体生长开始经过硅片加工和完全的器件制造工艺这样一些步骤。
甚至在现代的高质量的无位错生长的硅片中，在工艺过程中还是会诱生出各种各样的微缺陷。
为了方便起见，这些缺陷可以分为两类：原生长缺陷和工艺诱生缺陷(也称二次缺陷)。
某些缺陷是在晶体生长时产生的，因此被称为原生长缺陷。
由于硅的晶格结构(金刚石结构)的特点决定了有形成孪晶的可能性，不适当的生长条件会导致孪晶和堆垛层错的产生；太大的温度梯度等条件会导致位错的形成。
现代技术生长的硅晶体通常是无位错无孪晶的，然而考虑到提高硅单晶的成品率的需要，讨论这些问题还是有意义的。
《材料科学基础》考试重点及答案1晶体点阵有实际原子、离子、分子或各种原子集团，按一定几何规律的具体排列方式称为晶体结构或为晶体点阵。
2晶格用以描述晶体中原子排列规律的空间格架。
3配位数原子周围最近邻等距离的原子数目；在离子晶体里，一个正离子周围的最近邻负离子数称为配位数。
4晶体缺陷晶体中原子偏离其平衡位置而出现的不完整性区域。
5位错晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。
6位错反应有两个位错合成为一个新位错或有一个位错分解为几个新位错的过程。
7小角晶界两个相邻晶粒位向差小于10度的晶界称为小角晶界。
8晶面能由于晶界上原子排列不规律产生点阵畸变，引起能量升高，这部分能量称为晶面能。
9固熔体固态下一种组元熔解在另一种组元中而形成的新相。
10间隙相又称为简单间隙化合物非金属原子与过渡族原子的半径的比值小于0.59，化合物具有比较简单的结构称为间隙化合物。
11过冷度实际开始结晶温度与理论结晶温度之间的温度差称为过冷度。
12均匀形核在过冷的液态金属中，依靠液态金属本身的能量变化获得驱动力由晶胚直接形核的过程。
13非均匀形核在过冷液态金属中，若晶胚是依附在其他物质表面上成核的过程。
14形核率单位时间单位体积内所形成的晶核数目。
15相图又称状态图或平衡图表示材料系统中相得状态与温度及成分之间关系的一种图形。
成分过冷这种有液相成分改变而形成的的过冷。
16伪共晶这种有非共晶成分的合金得到的共晶组织。
17包晶转变当有些合金凝固到达一定温度时，已结晶出来的一定成分的固相与剩余的液相发生反应生成另一种固相，这种转变为共晶转变。
18 扩散第一定律：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质量（通称为扩散通量）与该截面处的浓度梯度成正比。
19 科肯道尔效应：由于两种原子扩散速度不同，导致扩散偶的一侧向另一侧发生物质静输送的性质。
20 本征扩散：以本征缺陷为媒介发生的扩散称为本征扩散。
(处于热平衡状态的晶体内部总存在一定数量的点缺陷，这类点缺陷也称为本征缺陷)。
第七章晶体缺陷透射电子显微镜下观察到不锈钢316L (00Cr17Ni14Mo2)的位错线与位错缠结
§7-1 引言
前面讲的都是理想状态的完整晶体，晶体中没有任何缺陷，晶体中的所有原子都在各自的平衡位置，处于能量最低状态。
然而这样的理想晶体在现实中是不存在的，实际晶体中存在着大量的这样那样的缺陷。
所以，实际晶体都是非完整晶体。
晶体中原子排列的不完整性称为晶体缺陷。
一、晶体缺陷的分类
按照晶体缺陷的几何形态可以分为四类：
点缺陷(point defects)——零维缺陷
线缺陷，又称为位错(dislocation)——一维缺陷
面缺陷——二维缺陷
体缺陷——三维缺陷
二、晶体缺陷对材料的影响
晶体缺陷对晶体材料性能的影响非常大：
力学性能：如，强度、硬度、塑性、韧性等；
物理性能：如，电阻率、扩散系数等、比容、比热容；
化学性能：如，耐蚀性等；
冶金性能：如，固态相变等；
工艺性能：如，锻造性能、冲压性能、切削性能等。
§7-2 点缺陷
常见的点缺陷有：
空位(vacancy
间隙原子(interstitial atom)
置换原子(substitutional atom)
图3.1 晶体中的各种点缺陷
1-大的置换原子；2-肖脱基空位；3-异类间隙原子；4-复合空位；
5－弗兰克尔空位；6-小的置换原子
3、过饱和空位形成
在一定温度时，晶体具有平衡的空位浓度。
当空位浓度超
过平衡浓度时，就称为过饱和。
获得过饱和点缺陷（空位和间隙原子）的方式：
淬火(quenching)：温度升高，平衡浓度增大，急速冷却后，空位来不及消失，被保留下来，形成过饱和空位。
冷变形(cold work)：较低温度下塑性变形，会产生空位，超过此温度时的平衡浓度。
辐照(raidation)：高能粒子（中子、质子、氘核、α-粒子、电子等）照射时，晶体点阵上的原子被击出，进入点阵间隙，留下空位，并形成间隙原子。
间隙原子又可分为两种：
同类的间隙原子，如前所述，一般是空位形成时产生的，空位浓度越高，则同类间隙原子的浓度也越高。
异类间隙原子一般都是半径很小的原子，如钢铁中的碳、氮、硼、氢原子即属此类。
尽管这些原子半径很小，但是仍比晶格间隙的尺寸大，所以也会造成晶格畸变。
异类间隙原子在一定温度也有一个平衡浓度，称之为固态溶解度，简称“固溶度”。
间隙原子的固溶度通常都很小，但是对金属强化却起着极其重要的作用。
见§2-3 合金相结构/固溶体/间隙固溶体
置换原子
置换原子是溶入金属晶体并且占据原来基体原子平衡位置的异类原子。
由于置换原子的半径和基体原子的半径总有些差异，所以也会使其周围原子偏离平衡位置，造成晶格畸变。
置换原子的固溶度一般较大，有些可以互为置换原子，如Cu-Ni合金，Ni在Cu（或Cu在Ni）中的固溶度可以达到100%，即Cu原子和Ni原子可以互相置换。
见§2-3 合金相结构/固溶体/置换固溶体
四、点缺陷对金属性能的影响
1．对物理性能的影响
电阻增加，体积膨胀，密度减小
2．对力学性能的影响
高温性能
过饱和的点缺陷，如淬火空位、辐照缺陷，可以提高金属的屈服强度。
点缺陷小结
1、点缺陷是热力学稳定的缺陷。
2、不同金属点缺陷形成能不同。
3、点缺陷浓度与点缺陷形成能、温度密切相关
4、点缺陷对金属的物理及力学性能有明显影响
5、点缺陷对材料的高温蠕变、沉淀、回复、表面氧化、烧结
有重要影响。
