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电子科学与技术 专业英语 第三章大部分翻译 （P139）3.1晶界生长与外延 正如前面第一章所讨论的那样，在分立器件和集成电路中最重要的两种半导体是硅和砷化镓，在这一章我们叙述这两种半导体的常用的单晶生长技术，基本的工艺流程是从原料到抛光晶片，原料经过化学处理做成一个用来生长单晶的高纯多晶半导体。单晶硅锭铸形，以定义材料的直径，这些晶片经过腐蚀和抛光来提供一个光滑的特定的且器件将做在上面的表面。 一种和单晶生长密切相关的技术包含一个单晶半导体层在一个单晶半导体衬底的生长，这叫外延，它是从希腊语epi和taxis得来的，外延工艺提供了一种重要的控制掺杂形貌的技术，以至于器件和电流性能可以被优化。例如，一个掺杂浓度相称低的半导体层可以在一个同型掺杂而浓度很高的衬底外延生长，通过这种方式和衬底相关联的体电阻将被充分地减少，许多新的器件结构，特别是微波和光学器件，可以通过外延工艺制得。在这章的后面我们将考虑讨论一些重要外延生长技术。 （p140）3.2从熔体生长单晶 从熔体生长单晶有两种基本方法，直拉法和布里奇曼法，用于半导体行业的充足百分比的硅单晶是通过直拉法制备的，实际上所有的用于集成电路制造的硅都是用这方法制备的。大部份的砷化镓，在另一方面，是通过布里奇曼法生长的。然而，直拉法在生长大直径的砷化镓方面变得越来越流行。 3.2.1原始材料 硅的起始材料是一种相当纯的叫做石英的沙子形式。它和各种形式的碳被置于炉中，当很多反应在炉中发生时，总的反应式是 SI+SIO2= 这种工艺生产出纯度98%的冶金及的硅。下一步，硅被磨碎和氯化氢反应生成三氯氢硅（SIHCL3） SI + 2HCL 三氯氢硅在温室下是液体，液体分馏除去不要的杂质，净化过后的SIHCL3用于与氢气反应。制备电子级的硅（EGS）： SIHCL3+ 这个反应在包括为硅的沉积提供晶体成核点的电阻加热硅棒的反应堆中发生，纯度为电子级别的硅，也就是一个高纯的多晶硅材料，是用于制备器件级质量的单晶硅的未加工材料。纯ECS的杂质浓度一般在十亿分之一的范围。 砷化镓的起始材料是自然地化学方式形成的纯镓和砷，是用于多晶砷化镓的合成。因为砷化镓是两种材料的化合物，它的性质和单质比如硅有很大不同。这种化合物的性质可以用相图来描述。相是一种材料存在的状态。相图显示出两种成分之间的随温度变化的关系。 不像硅，在熔点时有相当低的蒸气压，镓和砷在砷化镓的熔点处有高得多的蒸气压，气相时，砷的主要形式是AS2和AS4.气体压力曲线是砷化镓熔体的，固体曲线是富镓熔液的，更多的砷将会从富砷熔体中蒸发出来，因而形成一个高的气压。一个相似的讨论可以解释在镓的熔化态下镓的高蒸气压。注重到远在熔点到达之前，液态砷化镓的表面层会分解成镓和砷， 既然砷和镓的蒸气压有很大不同，将会有更多挥发性砷 多损失，液体中变成富镓形式。 一种排泄式的密封的石英管系统被用来合成砷化镓。高纯砷被放在一个石墨舟加热到610到620°C。而高纯镓被放在另一个石英舟并加热到比砷化镓熔点高一点的温度。在这些条件下，砷过压态被建立，一是以引起砷蒸气运输到熔态镓，二是阻止当砷化镓在炉中形成后分解，当熔体冷却，一个高纯多晶砷化镓就形成了，这作为材料生长单晶砷化镓。 (p142)3.2.2直拉法 硅单晶生长直拉法使用一个直拉装置，正如图3-1所示，直拉装置有三种主要组成部分：（1）包含有SiO2坩埚的炉，石墨感应器，旋转装置，加热元件，电源；(2)拉单晶机构，包括籽晶和旋转装置（逆时针）；(3)环境控制器，包括气源（例如氧气），流量控制仪和一个抽气系统。另外，有一套基于微处理器控制的系统对提拉装置进行全面控制，可控诸如温度，晶体直径，牵拉速度，旋转速率等，同时可对工艺过程进行编程控制。还有，各种的传感器和反馈系统都使得控制系统能够自动化控制，从而减少人工的错误。 在晶体生长的过程中，多晶硅是放在坩埚和火炉中，被加热到硅的熔点以上。一个适当的晶向的子晶（例如）被悬挂在坩埚的籽晶载具上，籽晶是插入到溶液上的。部分籽晶熔化了，但是籽晶的尖端仍旧接触着液体的表面。接着慢慢的提取。在固液界面进一部凝固就会产生一个大的单晶。一个典型的速率是一分钟几个毫米。 对于砷化镓的提拉长生，它的基本拉提装置是跟提拉硅一样的。不过，为了防止在单晶生长过程中熔体分解，一个叫液体密封的方法被使用了，液体密封就是使用大约1cm厚熔化的B2O3层。熔化的B2O3 是对在生长温度的砷化镓不起反应的。那覆盖层就似乎一顶盖在熔体表面的帽子一样盖在砷化镓的表面。即使砷化镓表面的压力达到一个大气压，覆盖层也能够保护砷化镓不被分解。因为B2O3会溶于SiO2所以熔融的SiO2坩埚由石墨坩埚代替。 (p144)3.3 Vapor-Phase Epitaxy(气相外延) 在一个外延工艺中，衬底晶