第三章 晶体生长幻灯片.ppt

三 晶核的长大 1 晶核长大的条件 （1）动态过冷 动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。 （是材料凝固的必要条件） （2）足够的温度 （3）合适的晶核表面结构 2 液固界面微结构 粗糙界面：界面固相一侧的点阵位置只有约50%被固相原子所占据，形成坑坑洼洼、凹凸不平的界面结构。 粗糙界面也称“非小晶面”或“非小平面”。 光滑界面：界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子所占满，只留下少数空位或台阶，从而形成整体上平整光滑的界面结构。 光滑界面也称“小晶面”或“小平面”。 四、晶体生长的两种主要理论(了解) 一 层生长理论 柯塞尔1927年首先提出,后来被斯特兰斯基加以发展 内容: 它是论述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 其次具有二面凹入角的位置； 最不利的生长位置吸附分子和孔。 由此可以得出如下的结论 即晶体在理想情况下生长时，先长一条行，然后长相邻的行。在长满一层面网后，再开始长第二层面网。晶面(最外的面网)是平行向外推移而生长的。这就是晶体的层生长理论 二螺旋生长理论 弗朗克等人在研究气相中晶体的生长时，估计体系过饱和度不小于25—50％。然而在实验中却难以达到,并且在过饱和度小于2％的气相中晶体亦能生长。这种现象并不是层生长理论所能解释的。 为了解决理论与实际的矛盾,他们根据实际晶体结构的各种缺陷中最常见的位错现象，在1949年提出了晶体的螺旋生长理论。 内容: 晶体生长界面上螺旋位错露头点可作为晶体生长的台阶源，促进光滑界面上的生长。 证实了螺旋生长理论 五、晶体外形 几个结论(掌握) 1)一定体积的晶体,平衡时形状总表面能最小 2)与生长条件和性质有关 法向速度生长慢的晶面,生长过程中变大变宽, 保留 法向速度生长快的晶面,生长过程中变小变窄, 消失 3)原子密排面容易保留 3-3硅锗单晶生长 单晶材料的生长，是物质的非晶态，多晶态，或能够形成该物质的反应物，通过一定的物理或化学手段转变为单晶状态的过程。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。 可分为熔体生长法、溶液生长法和气相生长法。 而从生长方式来说，可分为水平生长、垂直生长 和晶体的拉制等。 单晶硅圆片按其直径分为6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米）等。 直径越大的圆片，所能刻制的集成电路越多，芯片的成本也就越低。但大尺寸晶片对材料和技术的要求也越高。 单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ Czochralski ）、区熔法（ FZ,Float-Zone ）和外延法。 直拉法、区熔法生长单晶硅棒，外延法生长单晶硅薄膜。 直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。目前晶体直径可控制在Φ3~8英寸。 区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化、节能灯、电视机等系列产品。目前晶体直径可控制在Φ3~6英寸。 外延片主要用于集成电路领域。 锗单晶主要用直拉法，硅用直拉法和悬浮区熔法 一、直拉法(CZ)85%以上的单晶硅都采用CZ法生长出来 装置 (课本62) 直拉法是生长元素和III-V族化合物半导体体单晶的主要方法。 该法是在盛有熔硅或锗的坩埚内，引入籽晶作为非均匀晶核，然后控制温度场，将籽晶旋转并缓慢向上提拉，晶体便在籽晶下按籽晶的方向长大。 一块具有所需要晶向的单晶硅作为籽晶来生长硅锭，生长的单晶硅就像是籽晶的复制品 坩锅里的硅被单晶炉加热，硅变成熔体 籽晶与熔体表面接触，并旋转，旋转方向与坩锅的旋转方向相反。 随着籽晶在直拉过程中离开熔体，熔体上的液体会因为表面张力而提高。随着籽晶从熔体中拉出，与籽晶有同样晶向的单晶就生长出来。 工艺过程(掌握) 1.籽晶熔接: 加大加热功率，使多晶硅完全熔化，并挥发一定时间后，将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击 2.引晶和缩颈：当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触。此时 要控制好温度，当籽晶与熔体液面接触，浸润良好时，可开始 缓慢提拉，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，这一步骤叫“引 晶”，又称“下种”。“缩颈”是指在引晶后略为降低温度，提高拉 速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是排除接触不良引起 的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于20mm 3.放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度，让