晶体缺陷检测ppt课件
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《晶体缺陷》课件
热稳定性
晶体缺陷可能影响材料在高温下的稳 定性，降低其使用温度范围。
比热容
晶体缺陷可能影响比热容，改变材料 吸收和释放热量的能力。
光学性能的影响
折射率与双折射
光吸收与散射
晶体缺陷可能导致折射率变化和双折射现 象，影响光学性能。
晶体缺陷可能导致光吸收增强或光散射增 加，改变光学透射和反射特性。
荧光与磷光
热电效应
某些晶体缺陷可能导致热电效应增强，影响 热电转换效率。
介电常数
晶体缺陷可能影响介电常数，改变电场分布 和电容。
电阻温度系数
晶体缺陷可能影响电阻温度系数，改变温度 对电阻的影响。
热学性能的影响
热导率变化
晶体缺陷可能降低材料的热导率，影 响热量传递和散热性能。
热膨胀系数
晶体缺陷可能影响热膨胀系数，影响 材料在温度变化下的尺寸稳定性。
。
韧性下降
晶体缺陷可能导致材料韧性下 降，使其在受到外力时更容易
脆裂。
疲劳性能
晶体缺陷可能影响材料的疲劳 性能，降低其循环载荷承受能
力。
强度与延展性
晶体缺陷可能影响材料的强度 和延展性，从而影响其承载能
力和塑性变形能力。
电学性能的影响
导电性变化
晶体缺陷可能改变材料的导电性，影响其在 电子设备中的应用。
传感器
基于晶体缺陷的原理，可以设计新型传感器，如压力传感 器、温度传感器和气体传感器等，以提高传感器的灵敏度 和稳定性。
在新能源领域中的应用
太阳能电池
在太阳能电池中，可以利用晶体 缺陷来提高光吸收效率和载流子 的收集效率，从而提高太阳能电
池的光电转换效率。
燃料电池
在燃料电池中，可以利用晶体缺陷 来改善电极的催化活性和耐久性， 从而提高燃料电池的性能和稳定性 。
《晶体结构缺陷》PPT课件
面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。
精选课件
8
图2-3 面缺陷－晶界
精选课件
9
图2-4 面缺陷－堆积层错 面心立方晶体中的抽出型层错(a)和插入型层错(b)
精选课件
10
图２－５ 面缺陷－共格晶面 面心立方晶体中{111}面反映孪晶
精选课件
11
二、按缺陷产生的原因分类
1. 热缺陷 2. 杂质缺陷 3. 非化学计量缺陷 4. 其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷 等
精选课件
2
§2.1 晶体结构缺陷的类型
分类方式：
几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等 形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计
量ห้องสมุดไป่ตู้陷等
精选课件
3
一、按缺陷的几何形态分类
1.点缺陷（零维缺陷）
缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三 维方向上缺陷的尺寸都很小。包括：
空位(vacancy) 间隙质点(interstitial particle) 杂质质点(foreign particle)，如图2-1所示。 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材 料的高温动力学过程等有关。
本节介绍以下内容： 一、点缺陷的符号表征：Kroger-Vink符号 二、缺陷反应方程式的写法
精选课件
18
一、点缺陷的符号表征:Kroger-Vink符号
以MX型化合物为例：
1.空位（vacancy）用V来表示，符号中的右下标表示缺陷 所在位置，VM含义即M原子位置是空的。
2.间隙原子（interstitial）亦称为填隙原子，用Mi、Xi 来表示，其含义为M、X原子位于晶格间隙位置。
精选课件
4
(a)空位
(弗仑克尔缺陷 和肖特基缺陷)
精选课件
8
图2-3 面缺陷－晶界
精选课件
9
图2-4 面缺陷－堆积层错 面心立方晶体中的抽出型层错(a)和插入型层错(b)
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10
图２－５ 面缺陷－共格晶面 面心立方晶体中{111}面反映孪晶
精选课件
11
二、按缺陷产生的原因分类
1. 热缺陷 2. 杂质缺陷 3. 非化学计量缺陷 4. 其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷 等
精选课件
2
§2.1 晶体结构缺陷的类型
分类方式：
几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷等 形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计
量ห้องสมุดไป่ตู้陷等
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3
一、按缺陷的几何形态分类
1.点缺陷（零维缺陷）
缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三 维方向上缺陷的尺寸都很小。包括：
空位(vacancy) 间隙质点(interstitial particle) 杂质质点(foreign particle)，如图2-1所示。 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材 料的高温动力学过程等有关。
本节介绍以下内容： 一、点缺陷的符号表征：Kroger-Vink符号 二、缺陷反应方程式的写法
精选课件
18
一、点缺陷的符号表征:Kroger-Vink符号
以MX型化合物为例：
1.空位（vacancy）用V来表示，符号中的右下标表示缺陷 所在位置，VM含义即M原子位置是空的。
2.间隙原子（interstitial）亦称为填隙原子，用Mi、Xi 来表示，其含义为M、X原子位于晶格间隙位置。
精选课件
4
(a)空位
(弗仑克尔缺陷 和肖特基缺陷)
第二章晶体结构缺陷(线缺陷课件-9)
(2) 混合位错特征:混合位错可分解为刃型分量 混合位错特征: 和螺型分量,它们分别具有刃位错和螺位错的特征。 和螺型分量,它们分别具有刃位错和螺位错的特征。 位错环( 位错环(dislocation loop)是一种典型的混合位错。 是一种典型的混合位错。
（a）混合位错的形成 ） （b）混合位错分解为刃位错 ） 和螺位错示意图
螺位错形成示意图
晶体局部滑移造成的螺型位错
螺型位错具有以下特征：
♦ 1).螺型位错无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。 ♦ 2).根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不
同，螺型位错可分为右旋和左旋螺型位错。 ♦ 3).螺型位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线，而 且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。 ♦ 4).纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位 错线的平面都可以作为它的滑移面。但实际上，滑移 通常是在那些原子密排面上进行。 ♦ 5). 螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加 而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。
1. 刃型位错
♦ （1）刃型位错（edge dislocation）的产生 刃型位错（
完整晶体滑移的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移的对 完整晶体滑移的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移的对 的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移 应强度，从而促进了位错理论的产生和发展。 应强度，从而促进了位错理论的产生和发展。 刃型位错： （2） 刃型位错： 作用下， ABCD面为滑移面发生 晶体在大于屈服值的切应力τ作用下，以ABCD面为滑移面发生 滑移。EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线 是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线， 滑移。EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体 的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。 的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。 刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。 刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。 (3)几何特征 (3)几何特征 位错线与原子滑移方向相垂直； 位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位错线周围原子受 压应力作用，原子间距小于正常晶格间距； 压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周 围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。 围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。 (4)分类 正刃位错， 分类： 负刃位错， (4)分类：正刃位错， “⊥” ；负刃位错， “┬ ” 。符号中 水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。 水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。
（a）混合位错的形成 ） （b）混合位错分解为刃位错 ） 和螺位错示意图
螺位错形成示意图
晶体局部滑移造成的螺型位错
螺型位错具有以下特征：
♦ 1).螺型位错无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。 ♦ 2).根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不
同，螺型位错可分为右旋和左旋螺型位错。 ♦ 3).螺型位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线，而 且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。 ♦ 4).纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位 错线的平面都可以作为它的滑移面。但实际上，滑移 通常是在那些原子密排面上进行。 ♦ 5). 螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加 而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。
1. 刃型位错
♦ （1）刃型位错（edge dislocation）的产生 刃型位错（
完整晶体滑移的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移的对 完整晶体滑移的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移的对 的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移 应强度，从而促进了位错理论的产生和发展。 应强度，从而促进了位错理论的产生和发展。 刃型位错： （2） 刃型位错： 作用下， ABCD面为滑移面发生 晶体在大于屈服值的切应力τ作用下，以ABCD面为滑移面发生 滑移。EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线 是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线， 滑移。EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体 的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。 的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。 刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。 刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。 (3)几何特征 (3)几何特征 位错线与原子滑移方向相垂直； 位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位错线周围原子受 压应力作用，原子间距小于正常晶格间距； 压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周 围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。 围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。 (4)分类 正刃位错， 分类： 负刃位错， (4)分类：正刃位错， “⊥” ；负刃位错， “┬ ” 。符号中 水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。 水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。
材料科学基础--第2章晶体缺陷PPT课件
辐照：在高能粒子的辐射下，金属晶体点阵上的原子 可能被击出，发生原子离位。由于离位原子的能量高， 在进入稳定间隙之前还会击出其他原子，从而形成大量 的间隙原子和空位（即弗兰克尔缺陷）。在高能粒子辐 照的情况下，由于形成大量的点缺陷，而会引起金属显 著硬化和脆化，该现象称为辐照硬化。
12
2.1.5点缺陷与材料行为
Or, there should be 2.00 – 1.9971 = 0.0029 vacancies per unit cell. The number of vacancies per cm3 is:
17
Other Point Defects
Interstitialcy - A point defect caused when a ‘‘normal’’ atom occupies an interstitial site in the crystal.
11
2.1.4 过饱和点缺陷
晶体中的点缺陷浓度可能高于平衡浓度，称为过饱和点 缺陷，或非平衡点缺陷。获得的方法：
高温淬火：将晶体加热到高温，然后迅速冷却（淬火 ），则高温时形成的空位来不及扩散消失，使晶体在低 温状态仍然保留高温状态的空位浓度，即过饱和空位。
冷加工：金属在室温下进行冷加工塑性变形也会产生 大量的过饱和空位，其原因是由于位错交割所形成的割 阶发生攀移。
6
2.1.1 分类
3.置换原子（Substitutional atom） 异类原子代换了原有晶体中的原子，而处于晶体点阵的结 点位置，称为置换原子，亦称代位原子。 各种点缺陷，都破坏了原有晶体的完整性。它们从电学
和力学这两个方面，使近邻原子失去了平衡。空位和直 径较小的置换原子，使周围原子向点缺陷的方向松弛， 间隙原子及直径较大的置换原子，把周围原子挤开一定 位置。因而在点缺陷的周围，就出现了一定范围的点阵 畸变区，或称弹性应变区。距点缺陷越远，其影响越小 。因而在每个点缺陷的周围，都会产生一个弹性应力场 。
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2.1.5点缺陷与材料行为
Or, there should be 2.00 – 1.9971 = 0.0029 vacancies per unit cell. The number of vacancies per cm3 is:
17
Other Point Defects
Interstitialcy - A point defect caused when a ‘‘normal’’ atom occupies an interstitial site in the crystal.
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2.1.4 过饱和点缺陷
晶体中的点缺陷浓度可能高于平衡浓度，称为过饱和点 缺陷，或非平衡点缺陷。获得的方法：
高温淬火：将晶体加热到高温，然后迅速冷却（淬火 ），则高温时形成的空位来不及扩散消失，使晶体在低 温状态仍然保留高温状态的空位浓度，即过饱和空位。
冷加工：金属在室温下进行冷加工塑性变形也会产生 大量的过饱和空位，其原因是由于位错交割所形成的割 阶发生攀移。
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2.1.1 分类
3.置换原子（Substitutional atom） 异类原子代换了原有晶体中的原子，而处于晶体点阵的结 点位置，称为置换原子，亦称代位原子。 各种点缺陷，都破坏了原有晶体的完整性。它们从电学
和力学这两个方面，使近邻原子失去了平衡。空位和直 径较小的置换原子，使周围原子向点缺陷的方向松弛， 间隙原子及直径较大的置换原子，把周围原子挤开一定 位置。因而在点缺陷的周围，就出现了一定范围的点阵 畸变区，或称弹性应变区。距点缺陷越远，其影响越小 。因而在每个点缺陷的周围，都会产生一个弹性应力场 。
晶体缺陷理论课件 - 第1章 位错的基本性质
晶体缺陷理论
第1章 位错的基本性质
合肥工业大学 宣天鹏
§1 §2 §3
引言 弹性力学基础知识 位错的应力场
§4
§5 §6
位错的弹性能、自由能及线张力
位错受力 位1章动画\刃位错.wmv
螺形位错移动方向与 b 垂直， b // t => 通过位错 线并包含 b 的所有晶面都可以成为滑移面，螺形 位错在原滑移面受阻时，可转移到与之相交的 另 一滑移面－－交叉滑移 第1章动画\螺位错
第1章动画\与刃型位 错的交互作用导致 其负攀移.swf
攀移运动引起了晶体体积的变化——非保守运动
由于螺位错的正应变等于零，所以其体膨胀 率等于零，即形成螺位错时体积不发生变化。
We/Ws=
=
一般金属材料的υ≈1/3，所以 We/Ws≈1.5
2. 柏氏矢量的物理意义及特征 ★柏氏矢量－－位错强度 ★柏氏矢量反映柏氏回路包含的 位错引起点阵畸变的总积累 ★位错能量、位错的受力、应力 场、位错反应都与柏氏矢量有关 柏氏矢量表示出晶体滑移的大小 和方向
柏氏矢量特征
3.混合位错
第2章 位错的点阵模型
滑移运动不引起晶体体积的变化——保守运动
同号位错相互排斥，异号位错相互吸引。
2.平行刃位错之间的相互作用
位错 I 作用于 ( x , y ) 处的应力，σyx使位错 II 滑移，压应力σxx使位错 II 正攀移， Fy 与反号
3.平行刃位错和螺位错之间的相互作用
§6.位错的攀移力
KT/b3
.wmv 第1章动画\螺形位 错形成.swf
二、 柏氏矢量 1. 柏氏矢量的确定方法 位错线由纸面向外为正，以大拇指指示， 按右手螺旋定则确定柏氏回路 ：避开位错 严重畸变的区域作一 回路，同样方法在完 整晶体作同一步数的回路，终点到起点的矢 量就是 柏氏矢量 柏氏矢量与起点无关，与路径无关－－ 一根不分叉的任何形状的位错只有一个柏氏 矢量
第1章 位错的基本性质
合肥工业大学 宣天鹏
§1 §2 §3
引言 弹性力学基础知识 位错的应力场
§4
§5 §6
位错的弹性能、自由能及线张力
位错受力 位1章动画\刃位错.wmv
螺形位错移动方向与 b 垂直， b // t => 通过位错 线并包含 b 的所有晶面都可以成为滑移面，螺形 位错在原滑移面受阻时，可转移到与之相交的 另 一滑移面－－交叉滑移 第1章动画\螺位错
第1章动画\与刃型位 错的交互作用导致 其负攀移.swf
攀移运动引起了晶体体积的变化——非保守运动
由于螺位错的正应变等于零，所以其体膨胀 率等于零，即形成螺位错时体积不发生变化。
We/Ws=
=
一般金属材料的υ≈1/3，所以 We/Ws≈1.5
2. 柏氏矢量的物理意义及特征 ★柏氏矢量－－位错强度 ★柏氏矢量反映柏氏回路包含的 位错引起点阵畸变的总积累 ★位错能量、位错的受力、应力 场、位错反应都与柏氏矢量有关 柏氏矢量表示出晶体滑移的大小 和方向
柏氏矢量特征
3.混合位错
第2章 位错的点阵模型
滑移运动不引起晶体体积的变化——保守运动
同号位错相互排斥，异号位错相互吸引。
2.平行刃位错之间的相互作用
位错 I 作用于 ( x , y ) 处的应力，σyx使位错 II 滑移，压应力σxx使位错 II 正攀移， Fy 与反号
3.平行刃位错和螺位错之间的相互作用
§6.位错的攀移力
KT/b3
.wmv 第1章动画\螺形位 错形成.swf
二、 柏氏矢量 1. 柏氏矢量的确定方法 位错线由纸面向外为正，以大拇指指示， 按右手螺旋定则确定柏氏回路 ：避开位错 严重畸变的区域作一 回路，同样方法在完 整晶体作同一步数的回路，终点到起点的矢 量就是 柏氏矢量 柏氏矢量与起点无关，与路径无关－－ 一根不分叉的任何形状的位错只有一个柏氏 矢量
第二章(之二)--晶体缺陷检测
l 电子衍射作用远比X射线与物质的交互作用强烈，因而 在金属和合金的微观分析中特别适用于对含少量原子的 样品，如薄膜、微粒、表面等进行结构分析。
A
21
半导体异质结构中的位错
位错的透射电子显微镜照片
中间稍亮区域（晶粒）里的暗 线就是所观察到位错的像。
A
22
光学显微镜（助教内容）
u 结构和原理 u 光学显微镜的性能参数 u 光学显微镜的使用
A
12
（2）位错与层错的腐蚀坑观察
(100)硅片表面的位错
(111)硅片表面的位错
（111）面
（100）面
（Hale Waihona Puke 10）面蚀坑是一倒置正四 面体（三角锥体）
蚀坑是一倒置四棱 蚀坑为两个对顶 锥体，从表面看呈 三角锥体 实心正方形A
13
（3）层错、位错密度的测量
• 位错密度 是垂直于位错线单位截面积中穿过的位错线数。 • 多点平均法。
清洗、金属电极制作过程
影响载流子浓度和少子寿命，导致A 器件失效。
3
（2）线缺陷——位错
G 位错是半导体中最主要的缺陷。位错产生的根本原因是 晶体内部应力的存在，例如在晶体制备、后热处理等过程 中，由于不均匀的加热或冷却，晶体内部存在应力就可产 生位错。除此之外，杂质原子引起位错。刃型位错后发生 滑移。
AFM的工作原理
探针
显微镜有一根纳米级粗细的探针，
被固定在可灵敏操控的微米级弹性悬 臂上。当探针很靠近样品时,其顶端的 原子与样品表面原子间的作用力会使 悬臂弯曲，偏离原来的位置。根据扫 描样品时探针的偏离量或振动频率重 建三维图像，就能间接获得样品表面 的形貌或原子成分。
如图所示采用的激光检测探针悬臂
A
A
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半导体异质结构中的位错
位错的透射电子显微镜照片
中间稍亮区域（晶粒）里的暗 线就是所观察到位错的像。
A
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光学显微镜（助教内容）
u 结构和原理 u 光学显微镜的性能参数 u 光学显微镜的使用
A
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（2）位错与层错的腐蚀坑观察
(100)硅片表面的位错
(111)硅片表面的位错
（111）面
（100）面
（Hale Waihona Puke 10）面蚀坑是一倒置正四 面体（三角锥体）
蚀坑是一倒置四棱 蚀坑为两个对顶 锥体，从表面看呈 三角锥体 实心正方形A
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（3）层错、位错密度的测量
• 位错密度 是垂直于位错线单位截面积中穿过的位错线数。 • 多点平均法。
清洗、金属电极制作过程
影响载流子浓度和少子寿命，导致A 器件失效。
3
（2）线缺陷——位错
G 位错是半导体中最主要的缺陷。位错产生的根本原因是 晶体内部应力的存在，例如在晶体制备、后热处理等过程 中，由于不均匀的加热或冷却，晶体内部存在应力就可产 生位错。除此之外，杂质原子引起位错。刃型位错后发生 滑移。
AFM的工作原理
探针
显微镜有一根纳米级粗细的探针，
被固定在可灵敏操控的微米级弹性悬 臂上。当探针很靠近样品时,其顶端的 原子与样品表面原子间的作用力会使 悬臂弯曲，偏离原来的位置。根据扫 描样品时探针的偏离量或振动频率重 建三维图像，就能间接获得样品表面 的形貌或原子成分。
如图所示采用的激光检测探针悬臂
A
《晶体缺陷》PPT课件
晶体中空位
4
原子作热振动，一定温度下原子热振动能量一定，呈统计分布， 在瞬间一些能量大的原子克服周围原子对它的束缚，迁移至别处， 形成空位。
空位形成引起点阵畸变，亦会割断键力，故空位形成需能量， 空位形成能（ΔEV）为形成一个空位所需能量。
5
6．1．1 空位的热力学分析
点缺陷是热力学稳定的缺陷：点缺陷与线、面缺陷的区别 之一是后者为热力学不稳定的缺陷。在一定温度下，晶体中
空位与位错
1、点缺陷 2、线缺陷
2.1 柏氏矢量 2.2 位错的运动 2.3 位错的应力场 2.4 位错的应变能 2.5 位错的受力 2.6 位错与晶体缺陷的相互作用 2.7 位错的萌生与增值 2.8 实际晶体中的位错组态 2.9 位错的观测
晶体缺陷--点缺陷
2
6．1 空位
空位和间隙原子经常是同时出现和同时存在的两类点缺 陷，如图
22
2．柏氏矢量b的物理意义
1） 表征位错线的性质 据b与位错线的取向关系可确定位错线性质，如图6-16
2）b表征了总畸变的积累 围绕一根位错线的柏氏回路任意扩大或移动，回路中
包含的点阵畸变量的总累和不变，因而由这种畸变 总量所确定的柏氏矢量也不改变。 3）b表征了位错强度 同一晶体中b大的位错具有严重的点阵畸变，能量高且 不稳定。 位错的许多性质，如位错的能量，应力场，位错受力 等，都与b有关。
10
6．1．4 空位对金属性能的影响
1．对电阻的影响 空位引起点阵畸变，使传导电子受到散射，产生附加电阻
2．对力学性能的影响
3．对高温蠕变的影响
6．1．5 空位小结
• 1、空位是热力学稳定的缺陷 2、不同金属空位形成能不同。 3、空位浓度与空位形成能、温度密切相关
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滑移面
附加的原子或者 受热不均
位错线 刃形位错形成示意图
刃型位错后发生滑移4
位错形成的一系列 透射电子显微镜照片
5
（3）面缺陷
a. 堆垛层错：由位错的相关原子组成的多余原子面。 堆垛层错通常在外延生长层中观察到。一般要求外
延层中的层错密度小于102/cm2。
螺型位错后发生堆垛
6
b. 挛晶：从同一个界面生长出两种不同方向晶体 c. 晶界：具有很大取向差别的晶块结合时产生
16
1937年诺贝尔物理学奖：电子衍射
戴维森 贝尔电话实验室
G .P .汤姆孙 英国伦敦大学
背景：20世纪20年代中期物理学发展的关键时期。波动力学已经由薛定谔在德布罗 意的物质波假设的基础上建立起来，和海森伯从不同的途径创立的矩阵力学，共同 形成微观体系的基本理论。这一巨大变革的实验基础自然成了人们关切的课题，这 就激励了许多物理学家致力于证实粒子的波动性。直到1927年，才由美国的戴维森 和英国的G .P .汤姆孙分别作出电子衍射实验。虽然这时量子力学已得到广泛的运用， 但电子衍射实验成功引起了世人的注意。
自从60年代以来，商品透射电子显微镜都具有电子衍射功能（见电子显 微镜），而且可以利用试样后面的透镜，选择小至1微米的区域进行衍射 观察，称为选区电子衍射。
19
（a）非晶 （b）单晶 （c）多晶 （d）会聚束
硅单晶
图6.16 典型电子衍射图
20
在位错存在的区域附近，晶格发生了畸变，因此衍射 强度亦将随之变化，于是位错附近区域所成的像便会与 周围区域形成衬度反差，这就是用TEM观察位错的基本 原理，因上述原因造成的衬度差称为衍射衬度。 电子衍射作用远比X射线与物质的交互作用强烈，因 而在金属和合金的微观分析中特别适用于对含少量原子 的样品，如薄膜、微粒、表面等进行结构分析。
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为了研究表面结构，电子加速电压 也可低达数千甚至数十伏，这种装置 称低能电子衍射装置，称反射电子衍 射（RHEED）。
最简单的电子衍射装置。从阴极 K发出的电子被加速后经过阳极A 的光阑孔和透镜L到达试样S上， 被试样衍射后在荧光屏或照相底板 P上形成电子衍射图样。由于物质 （包括空气）对电子的吸收很强， 故上述各部分均置于真空中。电子 的加速电压一般为数万伏至十万伏 左右，称高能电子衍射——透射1。8
（2）位错与层错的腐蚀坑观察
(100)硅片表面的位错
(111)硅片表面的位错
（111）面
（100）面
（110）面
蚀坑是一倒置正四 面体（三角锥体）
蚀坑是一倒置四棱 蚀坑为两个对顶 锥体，从表面看呈 三角锥体 实心正方形
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（3）层错、位错密度的测量
• 位错密度 是垂直于位错线单位截面积中穿过的位错线数。 • 多点平均法。
图2.21 五点平均
图2.22 分区标图法
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2.2 X射线衍射法（XRD）
在近完整晶体中，缺陷、畸变等体现在X射线谱中只有几十弧秒， 而半导体材料进行外延生长要求晶格失配要达到10-4或更小。这样精 细的要求使双晶X射线衍射技术成为近代光电子材料及器件研制的必 备测量仪器，以双晶衍射技术为基础而发展起来的四晶及五晶衍射技 术（亦称为双晶衍射），已成为近代X射线衍射技术取得突出成就的 标志。纯谱线的形状和宽度由试样的平均晶粒尺寸、尺寸分布以及晶 体点阵中的主要缺陷决定，故对线形作适当分析，原则上可以得到上 述影响因素的性质和尺度等方面的信息。
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利用SIMS进行器件失效分析
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吸收 最强
吸收 次强
C
杂质C（替位）的最强红外吸收峰波长:16.4μm 杂质O （间隙）的红外吸收峰波长：9.1μm
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2、位错和层错的检测
腐蚀＋金相显微镜观测（简单常用的方法） X射线衍射法 （精确的方法） 电子显微镜
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2.1 腐蚀金相观察法
（1）检测基本原理
在适宜的腐蚀剂中，晶体表面靠近位错附近的区域其腐 蚀速度要比其它区域大，腐蚀一定时间后就会形成凹下的坑， 即所谓腐蚀坑，利用这个特性可进行位错和层错的显示。
• 由于位错是一种线缺陷， 晶格畸变是沿着一条线延伸 下来的，贯穿于整个晶体， 终止在表面或形成闭环，因 此在表面的交点是一个点状 小区域.
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单晶硅中点缺陷包括：
有意掺入电活性杂质（如P，B)
控制电导率和导电类型
氧，碳，硼杂质
来源于气态生长、化学试剂、石英玻璃 成为硅体内自间隙原子，并诱生出位错 和层错等缺陷，影响晶体整体完整性、载流子浓度 以及少子寿命，并容易导致器件漏电。
重金属杂质（Fe,Cu,Ni,Au,Al,Co等)
来源于硅片生长、加工（பைடு நூலகம்锈钢）、
清洗、金属电极制作过程
影响载流子浓度和少子寿命，导致器件失效。
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（2）线缺陷——位错
位错是半导体中最主要的缺陷。位错产生的根本原因是 晶体内部应力的存在，例如在晶体制备、后热处理等过程 中，由于不均匀的加热或冷却，晶体内部存在应力就可产 生位错。除此之外，杂质原子引起位错。刃型位错后发生 滑移。
第二章 晶向与晶体缺陷检测
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二、晶体缺陷检测
（一）晶体缺陷检测的重要性
（二）晶体缺陷的种类
点缺陷——空位、间隙杂质原子 （主要） 线缺陷——位错 （主要） 面缺陷——堆垛层错、挛晶界、晶界等 体缺陷——孔洞、夹杂物等 半导体加工过程中的二次缺陷
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（1）点缺陷
晶格中点缺陷常常是外来原子或杂质原子造成的。
挛晶
一个硅圆柱锭的晶界
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（三）晶体缺陷检测方法
1、点缺陷的检测
电学性能测量——有意掺杂原子浓度的确定 如：电阻率测量，霍尔效应测量， 对应N型或P型掺杂浓度
少子寿命测试——金属杂质分析 二次离子质谱——金属杂质分析 原子吸收光谱——金属杂质分析
红外光谱吸收法——碳、氧杂质 红外光谱：测量C、O、N杂质含量
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2.3 电子显微镜法
检测基本原理
当电子束照到晶体上，除了产生透射束（零级衍射）外，还会产生各 级衍射束，经物镜聚集后，在其后焦面形成电子衍射谱像。电子衍射原 理与X 射线衍射原理相同，遵循布拉格衍射定律，但电子能量高，波长 非常短（电子能量越大，电子波长越短。当加速电压为100 kV时，电子 的波长仅为0.0037nm ；当 E = 30KeV 时, λ≈ 0.007nm），衍射角小， 因此电子衍射是对晶体二维倒易点阵结构的放大显示，根据显示图形可 以鉴定所观察晶体的种类、结构、晶格常数等。