第9章单晶硅的制备.ppt

第九章 单晶硅的制备  9.1 单晶硅基础知识 （1）晶体的熔化与凝固 晶体在缓慢加热和冷却过程中，有个温度平台，有固定的结晶（熔化温度），但非晶体没有。 硅的熔点：1416±4℃ 熔化热（结晶潜热）：12.1Kcal/mol (Cp.m=20 kJ mol-1k-1) 升温曲线的物理化学过程变化（熔化）：升温----晶体保持原有结构（对称和空间群不变，但分子由于吸热，热运动加快---到达熔点后，尽管晶体吸热，但温度保持平台，吸收的热量使晶体结构发生变化，熔化（熔化热），晶体结构发生相变，但体系温度不变。克拉佩龙方程（dp/dT=ΔHm/TΔVm)），待全部熔化后，熔体吸热，分子热运动加快，熔体温度升高） 步冷曲线（结晶）：（同学分析）（降温速率是如何影响固体材料的结构？）（温控？） （2）结晶的宏观特征和动力 过冷度（△T）：结晶需要晶核，一定的过冷度，才能形成晶核。在温度等于熔点（Tm）时，溶解与凝固达到平衡，很难结晶。 当温度高于熔点时：液态自由能GL，大于固态自由能GS， （液态向固态转化时,自由能增大，反应不能进行，不能结晶） △G= GL- GS＞0， 当温度低于熔点时： △G= Gs- GL＜0，液态向固态转化，自由能降低，结晶能自发进行。 （3）晶核的形成 自发结晶： 熔体在一定的过冷度下，自发形成自发形成晶坯，不断长大成晶核。继续长大成晶体。 晶坯的临界半径：与过冷度直接相关。过冷度大，临界半径小，容易形成晶核；过冷度小，临界半径大，难于产生晶核。 非自发结晶： 从体系外引入晶种，或籽晶，起晶核作用，籽晶（晶种）不断长大。 晶体结晶的过程： 是液相中的原子向固相（晶核，晶种或籽晶）表面扩散，沉积，堆积方式按固相的空间点阵规律堆积排列，使固相晶体不断长大（晶体长大） 二维晶核的形成和晶体的生长 单晶和多晶： 单晶：晶体的各个部分的取向一致，空间点阵排列规律相同，由一个晶核生长而成的晶体，就是单晶。 单晶可以小到一个晶胞，一个晶核，大到几百公斤，组成和结构都相同，有规则的外表面和棱线。 多晶：多个晶体（晶粒）组成，具有多种晶向，结合没有规律，晶体与晶体接触，形成晶界。多个晶核结晶长大形成的多晶材料。 9.2 区熔法制单晶硅 区熔法（Zone melting method),又称为Fz法（Float-Zone method)，早在1953年由Keck和Golay率先采用此法生长单晶硅。 特点：氧含量低（不使用坩埚，直接在硅棒上区域熔炼），低金属污染，纯度高，主要用于生产高反压，大功率的电子元件，如可控硅，整流器等，可以生长高电阻率的硅单晶。区熔高阻单晶硅，可以制作晶闸管（1500A、4000V）和红外探测器。 区熔单晶硅生长系统： 炉体（包括炉膛，上轴，下轴，导轨，机械传动装置和基座），高频发生器和高频槽路线圈（高频加热线圈），系统控制柜，真空系统，气体供给系统和水冷却系统等。 国际上最著名的区熔单晶炉公司：丹麦Haldortopsoe公司。 工艺过程 ①原料准备：多晶硅棒表面滚磨，头部磨锥，腐蚀和清洗，去除表面污染；籽晶的选择与处理：确定籽晶晶向，［１００]或[111]，清洗，去污等。 ②装炉：硅棒安装在射频线圈上部，籽晶安装在射频线圈下部。 ③关炉门：N2吹扫空气1-2次(排空气，节约Ar气体，有效排除空气），每次10分钟左右，抽真空，向炉内充入惰性气体（Ar,或H2和N2的混合气体，H2可以出去硅棒表面的氧化层，降低单晶硅材料的氧含量），使炉膛内气压略高于大气压，流动气氛。（否则高温密闭，压力很大，易引起爆炸） ④射频线圈接上高频电压加热，使硅棒底部开始熔化，下降硅棒，与籽晶熔接。熔接后硅棒和射频线圈快速上升，缩颈，消除位错。晶颈拉完后，慢慢的让单晶的直径增大到目标大小（放肩），转肩，等径生长，直至生长结束。 ⑤为改善单晶质量和提高径向电阻率的均匀性，一般是结晶生长轴与多晶硅棒的中心轴线不同心的“偏心”。 区熔单晶硅的掺杂方法 ①装填法：在多晶硅棒接近圆锥的部位，钻一小孔，放入分凝系数小的杂质（Ga：0.008； In：0.0004)，依靠分凝效应，是杂质在单晶硅轴向均匀分布。（分凝系数：固相与液相中的溶解度的比值） ②气相掺杂：以Ar气体为载气和稀释气体，直接将PH3（N型）或B2H6（P型）吹入硅熔融区域内，达到掺杂目的。气相掺杂的区熔单晶硅电阻率比较均匀，能满足一般功率器件和整流器的要求，成本比中子嬗变掺杂单晶硅成本低很多，是制备N型区熔单晶硅的一种较好的掺杂方法。工业上常用。 ③中子嬗变法掺杂Neutron Transmutation Doping (NTD) ：(适宜低浓度掺杂） 这