第7章合成与制备1-材料物理化学2013秋

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1、2013-10-24内容材料物理化学固体功能材料（部件）的种类PhysicsandChemistryofMaterials单晶材料的生长基本原理第六章固体功能材料的制备（1）Si材料的制备和单晶生长SiC半导体单晶生长施鹰；yshi@shu.edu.cnSiC(f)/SiC复合材料上海大学材料学院电子信息材料系6.1不同类型的微电子材料产品12013-10-24为什么选择Si1.资源丰富，且易于提高到极高的纯度；2.易于生长出大直径低位错的单晶：直径450mm,442kg的Si单晶3.工作温度高，带隙适中，不因本征激发而影响器件性能；4.易于

2、对Si进行宽范围可控n型和p掺杂，迁移率性能良好；5.易于通过沉积工艺制备出不同结构特性的外延薄层材料.7.欧姆接触性质好;8.是无毒绿色材料6.具有相当优良的力学性能，同时易于截断和解理Si单晶Si从原料到单晶1.氧化特性好;硅表面上很容易制SiO2的优点备高质量的介电层－－SiO2，方便地用于器件中的电气绝缘和表面钝化；2.化学性质稳定，高温性能稳定；3.能够担当化学阻挡层和扩散阻挡层；但可用化学方法使其微结构化易于去除；4.透明性能优良，有利于高质量抛光；5.高的电子击穿强度，与基底结合良好；第一步，石英（90%）还原脱氧成为熔炼级硅（99％）S

3、i从原料到单晶片22013-10-24利用杂质和SiHCl3沸点不同，用精馏的方法分离提纯•沸点SiCl4(57.6oC)SiHCl3(33oC)SiH2Cl2(8.2oC)SiH3Cl(-30.4oC)SiH4(-112oC)HCl(-84.7oC)achievedthecommonlyknown"elevennines"(99.999999999%)purity.第二步：熔炼级硅（99％）到电子级多晶硅6.2合成晶体的方法和技术:热力学分析热力学认为：晶体生长是一个动态过程，是从非平衡相向平衡相过度的过程。当体系达到两相热力学平衡时，并不生成新

4、相，只有在旧相处于过饱和状态时，才会出现新相。结构有序化+杂质排除CrystalGrowthSteps结晶过程驱动力•InduceSupersaturation结晶潜热•Nucleation(均相成核与非L均相成核)GTT过冷度，过饱和度c•Growthatdifferentrates固体与晶体的转化：转变潜热熔体过冷度oneachCrystalFace固体与液体的转化：熔解潜热•Resultsincrystalwitha液体与气体的转化：蒸发潜热particularCrystalHabitorshape固体与气体的转化：升华潜热任一潜

5、热L都与系统压力、体积、温度等条件有关32013-10-246.2合成晶体的方法和技术6.2.1不同类型单晶的生长技术人工晶体的制备实际上就是把组成晶体的基元（原子、分子或离子）解离后又重新使它们组合的过程。•体单晶生长技术按照晶体组分解离手段的不同，人工晶体的制备方法有三单晶生长通常利用籽晶在熔融高温炉里拉伸得到大类。的体材料，半导体硅的单晶生长可以获得电子级（99.999999%）的单晶硅气相法--使晶体原料蒸发或挥发，包含有化学气相沉积与射频溅射两种方法。熔融法--使晶体原料完全熔化，包含有提拉法、坩埚相对•外延生长技术移动法、区熔法、基座法

6、、冷坩埚法与焰熔法等。外延指在单晶衬底上生长一层新单晶的技术。溶液法--使晶体原料溶解在溶液中，新生单晶层的晶向取决于衬底，由衬底向外延伸包含有水溶液法、水热法与助熔剂法。而成，故称“外延层”。水溶液法在常压下生长晶体，温度约为80-90摄氏度；水热法是在高温高压下生长；助熔剂法则是在常压高温下生长晶体。直拉法、区熔法生长单晶硅棒，外延法生长单晶硅薄膜。体单晶生长方法CrystalHabit直拉法（CZ法）磁控直拉法垂直生长液体复盖直拉法蒸汽控制直拉法悬浮区熔法体单晶生长垂直梯度凝固法垂直布里奇曼法水平生长水平布里奇曼法法向生长速度慢的晶面，在生长过

7、程中会变大变宽，最终保留下来对于Si、Ge，{111}面簇原子面密度最大，其表面•在强制状态下获得的单晶外形能和法向生长速度最小，在无约束条件下获得的是在圆柱形晶体上残留了八面单晶是由{111}面簇所包围的正八面体。体的痕迹（晶棱）《100》方向生长42013-10-24晶核长大动力学模型完整突变光滑面生长模型（Kossel模型）晶体的生长机制取决于晶核的表面状态中性原子在晶格上的稳定性晶核表面状态：晶体相与母相的界面状态与其周围原子有关晶体生长中的输运过程完整突变光滑面晶体表面上不热量输运；非完整突变光滑面同格点位置所受的吸引力不质

8、量输运粗糙突变面相同扩散面二维晶核生长6.2.2FZ法：分凝现象与分凝系数非完整突变光滑