半導體材料第4講-晶體生長

1、半導體材料第4講-晶體生長火山口生長的硫火山口生長的硫(S)晶體晶體夏威夷火山夏威夷火山 天然鹽湖鹵水蒸發(fā)天然鹽湖鹵水蒸發(fā)珍珠巖珍珠巖 細粒方解石細粒方解石 大理巖大理巖課堂練習：參課堂練習：參考課本圖考課本圖3-1，從圖上直接說從圖上直接說明氣明氣-固相、固固相、固-液相轉(zhuǎn)變的條液相轉(zhuǎn)變的條件。件。詳見課本詳見課本311液相中的均勻成核液相中的均勻成核液相中的均勻成核液相中的均勻成核說明：說明：1、固相表面，是從無到有，所以表面自由、固相表面，是從無到有，所以表面自由能能GS大于大于02、氣體分子的體積，從氣體到固體，體積減小，、氣體分子的體積，從氣體到固體，體積減小，所以體積自由能降低，所

2、以體積自由能降低，GV小于小于0很多書將上式寫成：很多書將上式寫成：G = G = G GS S - - G GV V為單位表面積的表面能，為單位表面積的表面能，gv為形成單位體積晶胚為形成單位體積晶胚的自由能改變量。的自由能改變量。假設(shè)晶核近似為球形，則有：假設(shè)晶核近似為球形，則有：總能量總能量 = 表面能表面能 + 體積自由能體積自由能 =晶胚表面積晶胚表面積單位表面積的自由能單位表面積的自由能 +體積體積單位體積的自由能單位體積的自由能 改變量改變量課本課本3-11可寫成：可寫成：表面能表面能GS與晶胚半徑與晶胚半徑 r2 成正比，而體積自由能成正比，而體積自由能GV與晶胚半徑與晶胚半徑

3、 r3成正比，體積自由能成正比，體積自由能GV比表面比表面能能GS的變化快。的變化快。形核功：在臨界狀態(tài)下，成核必須提供形核功：在臨界狀態(tài)下，成核必須提供1/3的表面能，這的表面能，這部分由外部提供的能量，稱形核功。部分由外部提供的能量，稱形核功。根據(jù)課本根據(jù)課本3-13式：臨界狀態(tài)下的體系自由能式：臨界狀態(tài)下的體系自由能臨界狀態(tài)下，體系自由能是其表面能的臨界狀態(tài)下，體系自由能是其表面能的1/3，其余，其余2/3被體積被體積自由能的降低抵消，在臨界狀態(tài)下，成核必須提供這自由能的降低抵消，在臨界狀態(tài)下，成核必須提供這1/3的表的表面能。面能。完整突變光滑面模型完整突變光滑面模型所以晶體在理想情況

4、下生長時，先長一條行列，然后長所以晶體在理想情況下生長時，先長一條行列，然后長相鄰的行列。在長滿一層面網(wǎng)后，再開始長第二層面網(wǎng)。相鄰的行列。在長滿一層面網(wǎng)后，再開始長第二層面網(wǎng)。晶面是平行向外推移而生長的。晶面是平行向外推移而生長的。螺旋狀生長與層狀生長不同螺旋狀生長與層狀生長不同的是臺階并不直線式地的是臺階并不直線式地 等速等速前進掃過晶面，而是圍繞著前進掃過晶面，而是圍繞著螺旋位錯的軸線螺旋狀前進。螺旋位錯的軸線螺旋狀前進。隨著晶體的不斷長大，最終隨著晶體的不斷長大，最終表現(xiàn)在晶面上形成能提供生表現(xiàn)在晶面上形成能提供生長條件信息的各種各樣的螺長條件信息的各種各樣的螺旋紋。旋紋。一、獲得單晶

5、的條件一、獲得單晶的條件 1、在金屬熔體中只能形成一個晶核?？梢砸胱丫Щ蜃园l(fā)形核，盡量地減少雜質(zhì)的、在金屬熔體中只能形成一個晶核?？梢砸胱丫Щ蜃园l(fā)形核，盡量地減少雜質(zhì)的含量，避免非均質(zhì)形核。含量，避免非均質(zhì)形核。 2、固、固液界面前沿的熔體應(yīng)處于過熱狀態(tài)，結(jié)晶過程的潛熱只能通過生長著的晶體液界面前沿的熔體應(yīng)處于過熱狀態(tài)，結(jié)晶過程的潛熱只能通過生長著的晶體導出，即單向凝固方式。導出，即單向凝固方式。 3、固、固液界面前沿不允許有溫度過冷和成分過冷，以避免固液界面前沿不允許有溫度過冷和成分過冷，以避免固液界面不穩(wěn)液界面不穩(wěn)定而長出胞狀晶或柱狀晶。定而長出胞狀晶或柱狀晶。 在滿足上述條件下，適當

6、地控制固在滿足上述條件下，適當?shù)乜刂乒桃航缑媲把厝垠w的溫度和晶體生長液界面前沿熔體的溫度和晶體生長速率，可以得到高質(zhì)量的單晶體。速率，可以得到高質(zhì)量的單晶體。工藝工藝直徑直徑純度純度少數(shù)截流子壽命少數(shù)截流子壽命電阻率電阻率位錯密度位錯密度用途用途溶體溶體晶種晶種單晶單晶光圈位置光圈位置坩堝壁坩堝壁直拉法能生長直徑較大的單晶，目前已能生產(chǎn)直拉法能生長直徑較大的單晶，目前已能生產(chǎn)200mm，重，重60kg的單晶但直拉法由于坩堝與材料反應(yīng)，以及電阻加熱的單晶但直拉法由于坩堝與材料反應(yīng)，以及電阻加熱爐氣氛的污染，雜質(zhì)含量較大，生長高純單晶困難爐氣氛的污染，雜質(zhì)含量較大，生長高純單晶困難 爐體、籽晶、爐

7、體、籽晶、硅多晶，摻雜硅多晶，摻雜劑，石英坩堝劑，石英坩堝清潔處理清潔處理裝爐裝爐抽真空抽真空（或通保（或通保護氣體護氣體加熱熔化加熱熔化潤晶潤晶（下種）（下種）縮頸縮頸（引晶）（引晶）放肩放肩等徑生長等徑生長降溫出爐降溫出爐性能測試性能測試將籽晶放入溶液中將籽晶放入溶液中為消除位錯而為消除位錯而拉出的一小段拉出的一小段細晶體細晶體將細晶體的直徑放粗至將細晶體的直徑放粗至所要求的直徑所要求的直徑當結(jié)晶加快時，晶體直徑會變粗，提高升速可以使直徑變細，當結(jié)晶加快時，晶體直徑會變粗，提高升速可以使直徑變細，增加溫度能抑制結(jié)晶速度。增加溫度能抑制結(jié)晶速度。反之，若結(jié)晶變慢，直徑變細，則通過降低拉速和降

8、溫去控制。反之，若結(jié)晶變慢，直徑變細，則通過降低拉速和降溫去控制。硅的熔點約為硅的熔點約為1450，拉晶過程應(yīng)始終保持在高溫負壓的環(huán)境，拉晶過程應(yīng)始終保持在高溫負壓的環(huán)境中進行。中進行。多晶硅棒預熱多晶硅棒預熱熔融成半熔融成半球球熔接熔接籽晶籽晶縮頸縮頸放肩放肩收肩合收肩合棱棱等徑等徑生長生長收尾收尾單晶單晶降溫出爐降溫出爐性能測試性能測試稍下壓上軸使熔區(qū)飽滿稍下壓上軸使熔區(qū)飽滿硅棒、晶體同步下行并硅棒、晶體同步下行并通過適當拉壓上軸來控通過適當拉壓上軸來控制晶體直徑制晶體直徑輕拉上軸，使熔區(qū)逐步拉輕拉上軸，使熔區(qū)逐步拉斷最后凝成尖形斷最后凝成尖形使用高頻線圈加熱硅棒，熔融硅在使用高頻線圈加熱

9、硅棒，熔融硅在其表面張力作用下形成一個半球其表面張力作用下形成一個半球?qū)⒐璋粝乱疲构璋粝聦⒐璋粝乱?，使硅棒下部的部的熔區(qū)與籽晶接觸，熔區(qū)與籽晶接觸，熔接在一起熔接在一起籽晶硅棒同步向下，造籽晶硅棒同步向下，造成飽滿而不崩塌的熔區(qū)成飽滿而不崩塌的熔區(qū)籽晶向下，硅棒向上使籽晶向下，硅棒向上使熔區(qū)呈漏斗狀熔區(qū)呈漏斗狀枝蔓法是在過冷熔體中生長樹枝狀晶體，選取枝蔓籽晶和過冷液體接觸，可生長成平枝蔓法是在過冷熔體中生長樹枝狀晶體，選取枝蔓籽晶和過冷液體接觸，可生長成平行的，具有孿晶結(jié)構(gòu)的雙晶薄片。行的，具有孿晶結(jié)構(gòu)的雙晶薄片。孿晶是指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系，孿晶是指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系，這兩個晶體就稱為這兩個晶體就稱為“孿晶孿晶“蹼狀法是以兩枝枝蔓為骨架，在過冷熔體中迅速提拉，利用熔融硅較大蹼狀法是以兩枝枝蔓為骨架，在過冷熔體中迅速提拉，利用熔融硅較大的表面張力，帶出一個液膜，凝固后可得蹼狀晶體。的表面張力，帶出一個液膜，