半導(dǎo)體材料第4講--硅單晶的制備ppt課件.ppt

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1、半導(dǎo)體材料陳易明晶體生長(zhǎng)的一般過(guò)程是先生成晶核，而后再長(zhǎng)大。一般認(rèn)為晶體從液相或氣相中的生長(zhǎng)有三個(gè)階段：①介質(zhì)達(dá)到過(guò)飽和、過(guò)冷卻階段；②成核階段；③生長(zhǎng)階段。關(guān)于晶體生長(zhǎng)的有兩個(gè)理論：1.層生長(zhǎng)理論；2.螺旋生長(zhǎng)理論。當(dāng)晶體生長(zhǎng)不受外界任何因素的影響時(shí)，晶體將長(zhǎng)成理想晶體，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)嚴(yán)格的服從空間格子規(guī)律，外形應(yīng)為規(guī)則的幾何多面體，面平、棱直，同一單形的晶面同形長(zhǎng)大。實(shí)際上晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中，真正理想的晶體生長(zhǎng)條件是不存在的，總會(huì)不同程度的受到復(fù)雜外界條件的影響，而不能嚴(yán)格地按照理想發(fā)育。晶體長(zhǎng)大的動(dòng)力學(xué)模型層生長(zhǎng)理論(Ko

2、sselW.,1927)：在晶核的光滑表面上生長(zhǎng)一層原子面時(shí)，質(zhì)點(diǎn)在界面上進(jìn)入晶格“座位”的最佳位置是具有三面凹入角的位置。質(zhì)點(diǎn)在此位置上與晶核結(jié)合成鍵放出的能量最大。因?yàn)槊恳粋€(gè)來(lái)自環(huán)境相的新質(zhì)點(diǎn)在環(huán)境相與新相界面的晶格上就位時(shí)，最可能結(jié)合的位置是能量上最有利的位置，即結(jié)合成鍵時(shí)成鍵數(shù)目最多，放出能量最大的位置。完整突變光滑面模型此模型假定晶體是理想完整的，并且界面在原子層次上沒(méi)有凹凸不平的現(xiàn)象，固相與流體相之間是突變的，這顯然是一種非常簡(jiǎn)單的理想化界面，與實(shí)際晶體生長(zhǎng)情況往往有很大的差距如圖：K為曲折面，有三角面凹入角，是

3、最有力的生長(zhǎng)部位；S是階梯面，具有二面凹入角的位置；A是最不利于生長(zhǎng)的部位。所以晶體在理想情況下生長(zhǎng)時(shí)，先長(zhǎng)一條行列，然后長(zhǎng)相鄰的行列。在長(zhǎng)滿一層面網(wǎng)后，再開(kāi)始長(zhǎng)第二層面網(wǎng)。晶面是平行向外推移而生長(zhǎng)的。層生長(zhǎng)理論的局限：按層生長(zhǎng)理論，晶體在氣相或在溶液中生長(zhǎng)時(shí)，過(guò)飽和度要達(dá)到25%以才能生長(zhǎng)，而且生長(zhǎng)不一定會(huì)連續(xù)實(shí)際上，某些生長(zhǎng)體系，過(guò)飽和度僅為2%時(shí)，晶體就能順利生長(zhǎng)螺旋生長(zhǎng)理論（FrankF.C.1949)：在晶體生長(zhǎng)界面上螺旋位錯(cuò)露頭點(diǎn)所出現(xiàn)的凹角及其延伸所形成的二面凹角可作為晶體生長(zhǎng)的臺(tái)階源，促進(jìn)光滑界面上的生長(zhǎng)?？?/p>

4、解釋層生長(zhǎng)理論所不能解釋的現(xiàn)象，即晶體在很低溫的過(guò)飽和度下能夠生長(zhǎng)的實(shí)際現(xiàn)象。位錯(cuò)的出現(xiàn)，在晶體的界面上提供了一個(gè)永不消失的臺(tái)階源。位錯(cuò)是晶體中的一維缺陷，它是在晶體某一列或若干列原子出現(xiàn)了錯(cuò)位現(xiàn)象，即原子離開(kāi)其平衡位置，發(fā)生有規(guī)律的錯(cuò)動(dòng)。模型認(rèn)為晶體是理想不完整的，其中必然會(huì)存在一定數(shù)量的位錯(cuò)，如果一個(gè)純螺型位錯(cuò)和一個(gè)光滑的相面相交，在晶面上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)永不消失的臺(tái)階源，在生長(zhǎng)過(guò)程中，臺(tái)階將逐漸變成螺旋狀，使晶面不斷向前推移。晶體將圍繞螺旋位錯(cuò)露頭點(diǎn)旋轉(zhuǎn)生長(zhǎng)。螺旋式的臺(tái)階并不隨著原子面網(wǎng)一層層生長(zhǎng)而消失，從而使螺旋式生長(zhǎng)持

5、續(xù)下去。螺旋狀生長(zhǎng)與層狀生長(zhǎng)不同的是臺(tái)階并不直線式地等速前進(jìn)掃過(guò)晶面，而是圍繞著螺旋位錯(cuò)的軸線螺旋狀前進(jìn)。隨著晶體的不斷長(zhǎng)大，最終表現(xiàn)在晶面上形成能提供生長(zhǎng)條件信息的各種各樣的螺旋紋。3－2　硅、鍺單晶的生長(zhǎng)一、獲得單晶的條件1、在金屬熔體中只能形成一個(gè)晶核。可以引入籽晶或自發(fā)形核，盡量地減少雜質(zhì)的含量，避免非均質(zhì)形核。2、固—液界面前沿的熔體應(yīng)處于過(guò)熱狀態(tài)，結(jié)晶過(guò)程的潛熱只能通過(guò)生長(zhǎng)著的晶體導(dǎo)出，即單向凝固方式。3、固—液界面前沿不允許有溫度過(guò)冷和成分過(guò)冷，以避免固—液界面不穩(wěn)定而長(zhǎng)出胞狀晶或柱狀晶。在滿足上述條件下，適當(dāng)

6、地控制固—液界面前沿熔體的溫度和晶體生長(zhǎng)速率，可以得到高質(zhì)量的單晶體。生長(zhǎng)硅、鍺單晶的方法很多，目前：鍺單晶主要用直拉法，硅單晶常采用直拉法與懸浮區(qū)熔法工藝直徑純度少數(shù)截流子壽命電阻率位錯(cuò)密度用途坩堝直拉法（CZ）的優(yōu)點(diǎn)是，可拉制大直徑和高摻雜低阻單晶。缺點(diǎn)是由于熔硅與石英坩堝（SiO2）熔接以及石墨的污染，將使大量的O、C及金屬雜質(zhì)進(jìn)入硅單晶，故CZ法不能制備高阻單晶。無(wú)坩堝區(qū)熔法（FZ）采用高頻感應(yīng)加熱，通過(guò)熔區(qū)移動(dòng)生長(zhǎng)單晶，由于工藝不接觸石英坩堝（SiO2）和石墨加熱，可拉制高純度、長(zhǎng)壽命單晶。缺點(diǎn)是單晶摻雜極為困難。

7、直拉單晶制造法（喬赫拉爾斯基法，Czochralski，CZ法）是把原料多硅晶塊放入石英坩堝中，在單晶爐中加熱融化，再將一根直徑只有10mm的棒狀晶種（稱籽晶）浸入融液中。在合適的溫度下，融液中的硅原子會(huì)順著晶種的硅原子排列結(jié)構(gòu)在固液交界面上形成規(guī)則的結(jié)晶，成為單晶體。溶體晶種單晶光圈位置坩堝壁直拉法能生長(zhǎng)直徑較大的單晶，目前已能生產(chǎn)φ200mm，重60kg的單晶．但直拉法由于坩堝與材料反應(yīng)，以及電阻加熱爐氣氛的污染，雜質(zhì)含量較大，生長(zhǎng)高純單晶困難制備時(shí)把晶種微微的旋轉(zhuǎn)向上提升，融液中的硅原子會(huì)在前面形成的單晶體上繼續(xù)結(jié)晶，

8、并延續(xù)其規(guī)則的原子排列結(jié)構(gòu)。若整個(gè)結(jié)晶環(huán)境穩(wěn)定，就可以周而復(fù)始的形成結(jié)晶，最后形成一根圓柱形的原子排列整齊的硅單晶晶體，即硅單晶錠。拉晶開(kāi)始，先引出一段直徑為3～5mm，有一定長(zhǎng)度的細(xì)頸，以消除結(jié)晶位錯(cuò)，這個(gè)過(guò)程叫做縮頸（引晶）。然后放大單晶體直徑至工藝要求，進(jìn)入等徑階段，直至大部分硅融液