半导体材料第4讲--硅单晶的制备ppt课件.ppt

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1、半导体材料陈易明晶体生长的一般过程是先生成晶核，而后再长大。一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段：①介质达到过饱和、过冷却阶段；②成核阶段；③生长阶段。关于晶体生长的有两个理论：1.层生长理论；2.螺旋生长理论。当晶体生长不受外界任何因素的影响时，晶体将长成理想晶体，它的内部结构严格的服从空间格子规律，外形应为规则的几何多面体，面平、棱直，同一单形的晶面同形长大。实际上晶体在生长过程中，真正理想的晶体生长条件是不存在的，总会不同程度的受到复杂外界条件的影响，而不能严格地按照理想发育。晶体长大的动力学模型层生长理论(Ko

2、sselW.,1927)：在晶核的光滑表面上生长一层原子面时，质点在界面上进入晶格“座位”的最佳位置是具有三面凹入角的位置。质点在此位置上与晶核结合成键放出的能量最大。因为每一个来自环境相的新质点在环境相与新相界面的晶格上就位时，最可能结合的位置是能量上最有利的位置，即结合成键时成键数目最多，放出能量最大的位置。完整突变光滑面模型此模型假定晶体是理想完整的，并且界面在原子层次上没有凹凸不平的现象，固相与流体相之间是突变的，这显然是一种非常简单的理想化界面，与实际晶体生长情况往往有很大的差距如图：K为曲折面，有三角面凹入角，是

3、最有力的生长部位；S是阶梯面，具有二面凹入角的位置；A是最不利于生长的部位。所以晶体在理想情况下生长时，先长一条行列，然后长相邻的行列。在长满一层面网后，再开始长第二层面网。晶面是平行向外推移而生长的。层生长理论的局限：按层生长理论，晶体在气相或在溶液中生长时，过饱和度要达到25%以才能生长，而且生长不一定会连续实际上，某些生长体系，过饱和度仅为2%时，晶体就能顺利生长螺旋生长理论（FrankF.C.1949)：在晶体生长界面上螺旋位错露头点所出现的凹角及其延伸所形成的二面凹角可作为晶体生长的台阶源，促进光滑界面上的生长。可

4、解释层生长理论所不能解释的现象，即晶体在很低温的过饱和度下能够生长的实际现象。位错的出现，在晶体的界面上提供了一个永不消失的台阶源。位错是晶体中的一维缺陷，它是在晶体某一列或若干列原子出现了错位现象，即原子离开其平衡位置，发生有规律的错动。模型认为晶体是理想不完整的，其中必然会存在一定数量的位错，如果一个纯螺型位错和一个光滑的相面相交，在晶面上就会产生一个永不消失的台阶源，在生长过程中，台阶将逐渐变成螺旋状，使晶面不断向前推移。晶体将围绕螺旋位错露头点旋转生长。螺旋式的台阶并不随着原子面网一层层生长而消失，从而使螺旋式生长持

5、续下去。螺旋状生长与层状生长不同的是台阶并不直线式地等速前进扫过晶面，而是围绕着螺旋位错的轴线螺旋状前进。随着晶体的不断长大，最终表现在晶面上形成能提供生长条件信息的各种各样的螺旋纹。3－2　硅、锗单晶的生长一、获得单晶的条件1、在金属熔体中只能形成一个晶核。可以引入籽晶或自发形核，尽量地减少杂质的含量，避免非均质形核。2、固—液界面前沿的熔体应处于过热状态，结晶过程的潜热只能通过生长着的晶体导出，即单向凝固方式。3、固—液界面前沿不允许有温度过冷和成分过冷，以避免固—液界面不稳定而长出胞状晶或柱状晶。在满足上述条件下，适当

6、地控制固—液界面前沿熔体的温度和晶体生长速率，可以得到高质量的单晶体。生长硅、锗单晶的方法很多，目前：锗单晶主要用直拉法，硅单晶常采用直拉法与悬浮区熔法工艺直径纯度少数截流子寿命电阻率位错密度用途坩埚直拉法（CZ）的优点是，可拉制大直径和高掺杂低阻单晶。缺点是由于熔硅与石英坩埚（SiO2）熔接以及石墨的污染，将使大量的O、C及金属杂质进入硅单晶，故CZ法不能制备高阻单晶。无坩埚区熔法（FZ）采用高频感应加热，通过熔区移动生长单晶，由于工艺不接触石英坩埚（SiO2）和石墨加热，可拉制高纯度、长寿命单晶。缺点是单晶掺杂极为困难。

7、直拉单晶制造法（乔赫拉尔斯基法，Czochralski，CZ法）是把原料多硅晶块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化，再将一根直径只有10mm的棒状晶种（称籽晶）浸入融液中。在合适的温度下，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。溶体晶种单晶光圈位置坩埚壁直拉法能生长直径较大的单晶，目前已能生产φ200mm，重60kg的单晶．但直拉法由于坩埚与材料反应，以及电阻加热炉气氛的污染，杂质含量较大，生长高纯单晶困难制备时把晶种微微的旋转向上提升，融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，

8、并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始的形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶锭。拉晶开始，先引出一段直径为3～5mm，有一定长度的细颈，以消除结晶位错，这个过程叫做缩颈（引晶）。然后放大单晶体直径至工艺要求，进入等径阶段，直至大部分硅融液