半導(dǎo)體材料第4講--晶體生長1

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1、半導(dǎo)體材料陳易明第三章晶體生長制造半導(dǎo)體器件的材料，絕大部分是單晶體，包括體單晶和薄膜單晶，因此，晶體生長問題對于半導(dǎo)體材料研制，是一個極為重要的問題。本章主要內(nèi)容：1、晶體生長的基本理論2、熔體中生長單晶的主要規(guī)律3、單晶的生長技術(shù)晶體生長理論基礎(chǔ)晶體的形成方式：晶體是在物相轉(zhuǎn)變的情況下形成的。物相有三種，即氣相、液相和固相。由氣相、液相轉(zhuǎn)變成固相可形成晶體，固相之間也可以直接產(chǎn)生轉(zhuǎn)變。晶體生長方式分三大類：固相生長液相生長，包括溶液生長和熔體生長氣相生長天然晶體的生長1．由氣相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔啵簭臍庀噢D(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟臈l件是要有足夠低的蒸氣壓。在火

2、山口附近常由火山噴氣直接生成硫、碘或氯化鈉的晶體。雪花就是由于水蒸氣冷卻直接結(jié)晶而成的晶體?；鹕娇谏L的硫(S)晶體夏威夷火山2.由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔啵?.從熔體中結(jié)晶,即熔體過冷卻時發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象，出現(xiàn)晶體；2.從溶液中結(jié)晶,即溶液達(dá)到過飽和時，析出晶體；3.水分蒸發(fā)，如天然鹽湖鹵水蒸發(fā)，鹽類礦物結(jié)晶出來；通過化學(xué)反應(yīng)生成難溶物質(zhì)。天然鹽湖鹵水蒸發(fā)珍珠巖3．由固相變?yōu)楣滔啵?).同質(zhì)多相轉(zhuǎn)變，某種晶體在熱力學(xué)條件改變的時候，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N在新條件下穩(wěn)定的晶體；2).原礦物晶粒逐漸變大，如由細(xì)粒方解石組成的石灰?guī)r與巖漿接觸時，受熱再結(jié)晶成為由粗粒方

3、解石組成的大理巖；細(xì)粒方解石大理巖3．由固相變?yōu)楣滔啵?).固溶體分解，在一定溫度下固溶體可以分離成為幾種獨(dú)立礦物；4).變晶，礦物在定向壓力方向上溶解，而在垂直于壓力方向上結(jié)晶，因而形成一向延長或二向延展的變質(zhì)礦物，如角閃石、云母晶體等；5).由固態(tài)非晶質(zhì)結(jié)晶，火山噴發(fā)出的熔巖流迅速冷卻，固結(jié)成為非晶質(zhì)的火山玻璃，這種火山玻璃經(jīng)過千百年以上的長時間以后，可逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶質(zhì)。晶體形成的熱力學(xué)條件課堂練習(xí)：參考課本圖3-1，從圖上直接說明氣-固相、固-液相轉(zhuǎn)變的條件。晶體形成的熱力學(xué)條件從圖3-1可直接看出：氣-固相轉(zhuǎn)變條件：溫度不變，物質(zhì)的

4、分壓大于其飽和蒸汽壓。壓力不變，物質(zhì)的溫度低于其凝華點(diǎn)。晶體形成的熱力學(xué)條件從圖3-1可直接看出：固-液相轉(zhuǎn)變的條件：對熔體，壓力不變，物質(zhì)的溫度低于其熔點(diǎn)不能看出的條件：液-固相，對溶液，物質(zhì)的濃度大于其溶解度。概括來說，氣－固相變過程時，要析出晶體，要求有一定的過飽和蒸氣壓。液－固相變過程時，要析出晶體，要求有一定的過飽和度。固－固相變過程時，要析出晶體，要求有一定的過冷度。詳見課本3－1－1晶核的形成研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶過程是由形核與長大兩個過程所組成。結(jié)晶時首先在液體中形成具有某一尺寸（臨界尺寸）的晶核，然后這些晶核不斷凝聚液體中的原子而

5、長大。形核過程和長大過程緊密聯(lián)系但又有所區(qū)別。晶核的形成在母相中形成等于或超過一定臨界大小的新相晶核的過程稱為“形核”形成固態(tài)晶核有兩種方法，1)均勻形核，又稱均質(zhì)形核或自發(fā)形核。2)非均勻形核，又稱異質(zhì)形核或非自發(fā)形核。晶核的形成均勻形核：當(dāng)母相中各個區(qū)域出現(xiàn)新相晶核的幾率相同，晶核由液相中的一些原子團(tuán)直接形成，不受雜質(zhì)粒子或外來表面的影響，這種形核叫均勻形核，又稱均質(zhì)形核或自發(fā)形核晶核的形成非均勻形核：若新相優(yōu)先在母相某些區(qū)域中存在的異質(zhì)處形核，即依附于液相中的雜質(zhì)或外來表面形核，則稱為非均勻形核。又稱異質(zhì)形核或非自發(fā)形核氣相中的均勻成

6、核在氣-固相體系中，氣體分子不停的做無規(guī)則的運(yùn)動，能量高的氣子發(fā)生碰撞后再彈開，這種碰撞類似于彈性碰撞，而某些能量低的分子，可能在碰撞后就連接在一起，形成一些幾個分子(多為2個)組成的“小集團(tuán)”，稱為“晶胚”。氣相中的均勻成核晶胚有兩種發(fā)展趨勢：1、繼續(xù)長大，形成穩(wěn)定的晶核；2、重新拆散，分開為單個的分子。晶體熔化后的液態(tài)結(jié)構(gòu)是長程無序的，但在短程范圍內(nèi)卻存在著不穩(wěn)定的接近于有序的原子集團(tuán)，它們此消彼長，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)起伏或叫相起伏。液相中的均勻成核當(dāng)溫度降到結(jié)晶溫度時，這些原子集團(tuán)就可能成為均勻形核的“胚芽”，稱為晶胚；其原子呈晶態(tài)的規(guī)則排列，

7、這就是晶核。液相中的均勻成核經(jīng)典成核理論經(jīng)典成核理論又稱為均相成核理論，是基于熱力學(xué)的分析，其基本思想是把成核視為過飽和蒸汽或溶質(zhì)的凝聚。設(shè)兩個分子碰撞形成晶胚，從分子到晶胚的變化看成一個體系經(jīng)典成核理論這個體系的吉布斯自由能的改變包括兩部分：1、氣相轉(zhuǎn)變?yōu)榫?固相)，體積減小，體積自由能減少，設(shè)體積自由能為△GV。2、晶胚的生成，會形成一個固氣界面，需要一定的表面能△GS。經(jīng)典成核理論體系總能量△G的變化：△總能量=△表面能+△體積自由能△G=△GS+△GV經(jīng)典成核理論說明：1、固相表面，是從無到有，所以表面自由能△GS大于02、氣體分

8、子的體積，從氣體到固體，體積減小，所以體積自由能降低，△GV小于0很多書將上式寫成：△G=△GS-△GV經(jīng)典成核理論σ為單位表面積的表面能，Δgv為形成單位體積晶胚的自由能改變量