自晶体管诞生至今的半个世纪中，硅材料始终是电子和微电子工业的主流材料。半导体硅材料为发达的电子工业提供了坚实的技术和物质基础，而电子工业的每一次发展进步都会对半导体硅材料做出相应的质量和数量上的要求，促使硅材料快速发展。同时，在今后的20年中硅材料作为信息材料的主导地位依然不可改变。因此，硅材料的研究和应用对各国的国民经济和社会发展有着极为重要的影响。 常温下，硅单晶材料是典型的脆性材料，它的断裂强度很低。同时，它的强度和韧性还受限于裂纹和台阶等缺陷的存在，因而对其断裂是无法事先预测的。而随着甚大规模集成电路(ULSI)的发展，硅片的直径也不断增加，在工艺过程中热和重力应力亦随之增加；同时，随着ULSI器件设计尺寸的减小，热处理中硅片的翘曲会使光刻精度下降；甚至会在硅片中产生滑移位错导致ULSI器件漏电流的增加。因此，提高和改善大直径硅片的机械性能，防止和减少可能产生的位错、位错滑移和硅片翘曲，成为半导体硅材料界研究的重点之一。而且，硅单晶作为当今最完美的人工晶体，可以使裂纹发射位错的机理得以阐明，并为材料的损伤断裂机理和宏微观力学理论提供指导。因此，硅材料的力学特性的研究对半导体硅材料的应用和微电子工业的发展具有重要影响，同时在基础理论上也具有重要的意义。 目前，国内外对半导体硅材料力学特性的研究主要集中于其失效判据和一些与晶体各向异性相关的力学特征。而对影响这些判据和特征，同时也对半导体硅材料的电学性能产生重要影响的因素——杂质，则由于其掺入量的微小而未予重视。对于近来国际上广泛关注的硅中的氮杂质、重掺硼杂质(能够抑制大直径直拉硅单晶中的Void缺陷)对半导体硅材料(特别是直拉硅单晶)的力学特性的研究则明显缺乏。 本文在综述了国内外对硅单晶力学特性研究的基础上，研究了硅单晶材料室温下的接触损伤和断裂特性的同时，着重指出了杂质(特别是氮杂质)在这些过程中所起的影响；同时也对高温时硅牛位错与杂质的相互作用以及杂质原子在高温时对硅单晶力学特性的影响进行了研究。研究首次指出了不同杂质对硅单晶硬度和裂纹的扩展的作 叼岁 浙江大学博士学位论文用。同时，还首次指出氮原子对断裂过程可能产生的影响和原因；并首次报导了硅单晶｛112｝＜110＞和｛112｝＜111＞晶向的断裂特征。而在高温下，则最先通过室温引入位错、高温热处理使位错移动的方法指出直拉硅单晶中氮杂质对位错滑移的强烈钉扎作用。而且，通过对经过不同热处理工艺的硅片中应力分布的测试，最先结合硅中杂质沉淀物和微缺陷的分布分析了硅片中应力分步产生的原因。 本文利用室温下的压痕和三点弯测试，发现杂质原子的存在对硅单晶的力学特性产生了直接的影响。压痕实验指出，氮原子的存在能够增加硅单晶的硬度，而重掺硼原子也起到同样的作用；与之相反的是，重掺锑则使硅单晶的硬度降低。我们认为，氮和重掺杂的硼原子对压痕下的位错具有强烈的钉扎作用，从而使硬度升高，而重掺锑则改变了能带结构，使其理想张应力降低，表现出硬度的下降。而室温下的三点弯测试则表明，含氮直拉硅单晶具有比普通直拉硅单晶高的断裂强度。这主要是由于氮原于的引入可能改变了表面的能级态，并在硅单晶中形成了高密度的小尺寸的沉淀物，从而改变了裂纹的扩展过程，外在的表现为接触和断裂强度的增加。同时，通过三点弯实验我们首次给出了起始裂纹在｛112｝＜111＞和｛112｝＜110＞晶向的硅单晶的断裂路径。而高温实验中，我们发现，由于氮原子本身和其高密度的小尺寸的沉淀物的强烈内订扎位错作用，位错的激活能被提高，使含氮硅单晶的力学强度也相应的提高。同时，重掺硼硅单晶的硼原子在1050C时也有对位错的强烈钉扎作用。我们也对原生和热处理后含氮和普通硅单晶的晶片的翘曲度和氧沉淀量做了对比研究；发现含氮硅单晶在750t6小时预处理，1150oC热处理18 ．J’时后，翘曲度和氧沉淀量有异常变化。而对这些经不同热处理工艺处理的硅片的应力分布的扫描，则发贩力分布与沉淀物和位错的分布有相应的关系。 总之，硅单晶力学特性，特别是杂质原子对硅单晶材料不同力学过程所起的影响作用的研究对改善半导体硅材料质量，使其能更好的应用于ULSI、MEMS等工业领域中起着重要作用。而通过对含氮硅单晶力学性能的研究，理解氮杂质在硅单晶材料不同力学过程中所产生的影响，将对我国开发具有自主知识产权的优质超大规模集成电路用硅材料具有很大的推动作用。