湖大材料工程基础课件第八章 单晶与半导体工艺.ppt

第8章 单晶与半导体工艺 ;随着电子技术、激光技术和一些新型陶瓷材料的迅速发展，在很多场合下需要单晶材料（材料整体只有一个晶粒，内部没有晶界）。 单晶是由结构基元（原子，原子团，离子），在三维空间内按长程有序排列而成的固态物质。或者说是由结构基元在三维空间内，呈周期排列而成的固态物质。如水晶，金刚石，钻石、宝石等。; 集成电路的制造工序;单向有序排列决定了它具有以下特征： （1）均匀性：同一单晶不同部位的宏观性质相同； （2）各向异性：在单晶的不同方向上一般有不同的物理性质； （3）自限性：单晶在可能的情况下，有自发地形成一定规则几何多面体的趋向； （4）对称性：单晶在某些特定的方向上其外形及物理性质是相同的； （5）最小内能和最大稳定性：物质的非晶态一般能够自发地向晶态转变。;在半导体工业中需要单晶的原因是因为缺陷会大大降低这些材料的电气特性。 半导体工业不仅需要没有晶界的单晶材料，而且要求材料的位错、杂质原子以及其它点缺陷的浓度都要低。 内容：单晶的生长工艺 电路芯片的工艺步骤（氧化、光刻、浸蚀、扩散、离子注入、互连、装配以及包装等）;§8.1 单晶的生长工艺;首先将结晶的物质通过熔化或溶解方式转变成熔体或溶液。再控制其热力学条件生成晶相，并让其长大。 生长块状单晶材料多用熔体法，常温溶液法，高温溶液法及其它。 一、 熔体法生长晶体?此法为最常用方法，是从结晶物质的熔体中生长晶体。适用于光学半导体，激光技术上需要的单晶材料。;晶体生长的必要条件 根据晶体生长时体系中存在的—由熔体(m)向晶体(c)自发转变时—两相间自由焓的关系：Gm(T)Gc(T) 即△G=Gc(T)-Gm(T)≈△He-Te△Se-T△Se =△T△Se 0 ??? 结晶时，△Se0，只有△T0 。 熔体单晶生长的必要条件：体系温度低于平衡温度。 体系温度低于平衡温度的状态称为过冷。△T的绝对值称为过冷度。过冷度作为熔体晶体生长的驱动力。一般情况：该值越大，晶体生长越快。当值为零时，晶体生长停止。;晶体生长的充分条件 晶体生长是发生在固-液（或晶-液）界面上。通常为保证晶粒生长只需使固-液界面附近很小区域熔体处于过冷态，绝大部分熔体处于过热态（温度高于Te）。已生长出的晶体温度又需低于Te。就是说整个体系由熔体到晶体的温度由过热向过冷变化。过热与过冷区的界面为等温区。此面与晶体生长界面间的熔体为过冷熔体。且过冷度沿晶体生长反方向逐渐增大。晶体的温度最低。 ; 晶体到熔体方向存在的温度梯度是热量输运的必要条件。热量由熔体经生长面传向晶体并由其转出。 晶体生长充分条件：(dT/dz)c一定、(dT/dz)m为零，整个区域熔体处于过冷态，晶体生长速率最大。 对于一定结晶物质，过冷度一定时，决定晶体生长速率的主要因素是晶体与熔体温度梯度(dT/dz)c、(dT/dz)m的相对大小。只有晶体温度梯度增大，熔体温度梯度减小，才能提高晶体生长速度。 需指出：晶体生长速度并非越大越好，太大会出现不完全生长，影响质量。;晶体生长方法 1、提拉法，又称邱克拉斯基(Czochralski)法，简称CZ法。工艺流程： 1）同成分的结晶物质熔化，但不分解，不与周围反应。 2）预热籽晶，旋转下降与熔体液面接触，待籽晶微熔后，缓慢向上提拉。 3）降低坩埚温度或熔体温度梯度，不断提拉籽晶，使其变大。;4）保持合适温度梯度与提拉速度，使晶体等径生长。 5）晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。 6）退火处理，以提高晶体均匀性和消除存在的内应力。 使用籽晶的优点：作为非均匀形核点，可以使相变在其它均匀形核点所需要的温度发生；可以使晶体生长轴沿着与结晶轴平行的方向生长。 ;CZ系统的主要组成;垂直提拉法是制备大尺寸单晶硅（重达十几公斤）的主要方法。 先将材料放入坩埚熔化，将籽晶放在籽晶杆上，下降到与熔体接触，然后使坩埚温度缓慢下降，并向上旋转提拉籽晶杆，这样液体以籽晶为核心不断长大，形成单晶体。 为保证材料纯度，避免非均匀形核，全部操作应在真空或惰性气体保护下进行。 提拉法适于半导体单晶Si、Ge及大多数激光晶体。 　　;2、 坩埚下降法 　　又称Bridgman-Stockbarger法，在下降坩埚的过程中，能精密测温、控温。过热处理的熔体降到稍高于凝固温度后，坩埚下降至低温区，此时该部位呈多晶生长，当某一晶粒占优势时变为单晶生长。坩埚继续下降，晶体继续生长，直至 熔体全部进入低温区转变 为晶体，晶体生长结束。 最后进行晶体退火。 这种方法操作简便，可生 长很大尺寸的晶体。; 3、泡生法