第一章-晶体生长和外延
【精品】南京大学-晶体生长课件-Chapter 1-绪论ppt课件
体的特征
晶体的概念
晶体— 晶体（Crystal）是指内部质点(原子、离子或分子)在三维空
间周期性地重复排列构成的固体物质。这种质点在三维空间周期性地重 复排列也称格子构造，所以，晶体就是具有格子构造的固体。 X射线衍 射结构表明：晶体内部的原子、离子在三维空间周期性地重复排列。这 就找到了晶体的本质特性。
如何理解?
格子构造(＝空间点阵)是什么? (next…)
是固体, 而非液体或气体
即晶体内部的质点排列具有周期性(长程有序, long-range order)； 在原子近邻具有的周期性，叫短程有序(shortrange order)， 液体具有短程有序；气体既无长程，也无 短程有序。
金刚石的晶体结构 周期性排列示意图 KBe2BO3F2（KBBF） 晶体的表面周期性
金刚石三维周期性示意图
氯化钠的晶格结构
氯化钠三维周期性
氯化钠周期性结构
晶体与非晶体的区别:
自然界中的固体物质可以分为晶体和非晶体两大类。 其中，晶体是指那些内部质点(原子、离子或分子)在三维 空间周期性地重复排列构成的固体物质。 与此相反，内 部质点在三维空间无规律地排列的固体物质为非晶体或 非晶态（Non－crystal）。
玻璃、松香、沥青、橡胶、塑料等都是非晶体,它们 没有规则的几何形状，虽然我们可以通过加工而使其具 有某种规则的外形。非晶体的各种物理性质，在各个方 向上都是相同的，即各向同性。非晶体没有固定的熔点 ，在熔化过程中，随着温度的升高，它首先变软，然后 逐渐由稠变稀，经历一个软化过程。这些特征和晶体是 不同的。
，顾名思义，就是大自然亿万年而天然形成的晶体。这些天 然晶体有红宝石、蓝宝石等珍贵的宝石，也有食盐、石英等 常见的晶体，也有黄铁矿、磁铁矿、菱锰矿、金红石等矿物 晶体，普普通通的砂石泥土等常见的物质，以及金属、雪花 、牙齿骨骼、多种生物组织等都是晶体。
晶体生长技术
在高温高压下，通过各种碱性或酸性的水溶液使材料溶解而达到过饱和进而析晶的生长晶体方法叫水热生长 法。这个方法主要用来合成水晶，其他晶体如刚玉、方解石、蓝石棉以及很多氧化物单晶都可以用这个方法生成。 水热法生长的关键设备是高压釜，它是由耐高温、高压的钢材制成。它通过自紧式或非自紧式的密封结构使水热 生长保持在200～1000°C的高温及1000～10000大气压的高压下进行。培养晶体所需的原材料放在高压釜内温度 稍高的底部，而籽晶则悬挂在温度稍低的上部。由于高压釜内盛装一定充满度的溶液，更由于溶液上下部分的温 差，下部的饱和溶液通过对流而被带到上部，进而由于温度低而形成过饱和析晶于籽晶上。被析出溶质的溶液又 流向下部高温区而溶解培养料。水热合成就是通过这样的循环往复而生长晶体。
气相外延 材料在气相状况下沉积在单晶基片上，这种生长单晶薄膜的方法叫气相外延法，气相外延有开管 和闭管两种方式，半导体制备中的硅外延和砷化镓外延，多半采用开管外延方式。
液相外延 将用于外延的材料溶解在溶液中，使达到饱和，然后将单晶基片浸泡在这溶液中，再使溶液达到 过饱和，这就导致材料不断地在基片上析出结晶。控制结晶层的厚度得到新的单晶薄膜。这样的工艺过程称为液 相外延。这方法的优点是操作简单，生长温度较低，速率也较快，但在生长过程中很难控制杂质浓度的梯度等。 半导体材料砷化镓的外延层，磁泡材料石榴石薄膜生长，多半用这种方法。
这个方法是指在高温下把晶体原材料溶解于能在较低温熔融的盐溶剂中，形成均匀的饱和溶液，故又称熔盐 法。通过缓慢降温或其他办法，形成过饱和溶液而析出晶体。它类似于一般的溶液生长晶体。对很多高熔点的氧 化物或具有高蒸发气压的材料，都可以用此方法来生长晶体。这方法的优点是生长时所需的温度较低。此外对一 些具有非同成分熔化（包晶反应）或由高温冷却时出现相变的材料，都可以用这方法长好晶体。BaTiO3晶体及 Y3Fe5O12晶体的生长成功，都是此方法的代表性实例，使用此法要注意溶质与助熔剂之间的相平衡问题。
外延生长的方法有哪些
外延生长的方法有哪些外延生长是指材料沉积在晶体表面基础上的一种生长方式，也称为自下而上的生长方式。
在外延生长过程中，新形成的晶体层沿着晶体的晶面方向生长，从而使整个晶体薄片的尺寸逐渐增大。
外延生长技术广泛应用于半导体行业，例如用于制造集成电路和发光二极管等器件。
下面将介绍几种常见的外延生长方法。
1. 液相外延生长方法液相外延生长是一种基于溶液的生长方法，通过将溶液中的材料沉积在晶体衬底表面来实现生长。
在生长过程中，溶液中的材料原子逐渐结晶并沉积在衬底上。
这种方法可以用于生长多种材料，包括硅、镓、锗等。
通过改变溶液的成分、温度和压力等参数，可以控制晶体生长的形状、尺寸和取向等属性。
2. 气相外延生长方法气相外延生长是一种基于气体的生长方法，通过在预定温度和压力条件下使材料从气态沉积在晶体衬底上，实现晶体的生长。
这种方法常用于生长复杂的硅化物、氮化物和磷化物等材料。
在气相外延生长过程中，材料原子从气态通过化学反应、物理吸附或气体分解等方式沉积在晶面上。
这种方法可以控制晶体生长的取向和形貌，是制备高质量晶体的一种重要方法。
3. 分子束外延生长方法分子束外延生长是一种在超高真空条件下生长薄膜的方法。
在生长过程中，通过利用分子束砷化炉、分子束外延装置等设备，使材料原子经过加热和蒸发的过程，以超高速度沉积在晶体表面上。
这种方法可以控制材料的镉蒸汽压、晶体衬底温度和反应室的压力等参数，从而实现晶体的精确生长和纯度控制。
4. 水热合成外延生长方法水热合成外延生长是一种在高温高压水溶液中生长晶体的方法。
在生长过程中，通过溶液中的化学反应和矿物物质的转移来实现晶体生长。
水热合成外延生长常用于合成高质量的纳米晶体和纳米材料。
通过调节溶液的成分、温度和压力等参数，可以控制材料的尺寸、形状和结构等属性。
5. 熔体外延生长方法熔体外延生长是一种在熔体中生长晶体的方法。
在生长过程中，通过将材料的熔融物质以超低速度沉积在晶体衬底上。
晶体生长ppt
晶体缺陷与晶体的物理性质之间存在密切关系。例如，位错 密度越高，材料的强度和韧性越差；空位浓度越高，材料的 导电性越差等。通过对晶体缺陷的控制和优化，可以改善材 料的性能。
03
晶体生长的化学基础
化学键与晶体结构
共价键
01
共价键是原子间通过共享电子对而形成的强相互作用力，它决
定了晶体的结构和化学性质。
固相生长是指通过固态物质之间的反应或扩散过 程，形成新的固态晶体的过程，包括机械研磨法 、热压烧结法等。
晶体生长的应用
1
晶体生长在材料科学和物理学领域具有广泛的 应用价值，如制备高性能材料、制造光学器件 、制备半导体材料等。
2
在能源领域，晶体生长技术也被广泛应用于太 阳能电池、燃料电池等新能源器件的制造过程 中。
04
晶体生长方法
气相生长法
物理气相沉积法
包括真空蒸发、激光烧蚀等，通过 在真空中蒸发原料，使原料原子或 分子沉积在基底表面形成晶体。
化学气相沉积法
通过化学反应的方式，使用气体原 料在基底表面形成晶体。
气相生长法的优点
可以生长出高质量、大尺寸的单晶 ，同时具有高沉积速率。
气相生长法的缺点
需要高真空设备，生产成本较高， 且生长速度较慢。
3
同时，晶体生长技术还可以应用于生物医学领 域，如制备生物材料、药物传递等。
02
晶体生长的物理基础
晶体的结构与性质
晶体结构
晶体具有格子构造，原子或分子在空间中按照一定的规律重复排列。不同的 晶体结构具有不同的物理性质，如硬度、导电性、光学特性等。
晶体对称性
晶体具有对称性，即晶体的形状和内部结构可以在空间中重复出现。这种对 称性也影响了晶体的物理性质。
半导体工艺生长和外延
半导体工艺生长和外延半导体工艺生长和外延是制造高性能芯片和器件的关键步骤。
在半导体行业中，这两个工艺技术是不可或缺的，它们通过精确控制材料的生长和组织结构来实现半导体晶体的制备。
生长技术是指在特定条件下，通过化学反应或物理沉积的方式，在晶体结构上添加新的材料，从而形成所需的半导体结构。
这种技术主要应用于半导体材料的生长和薄膜的制备。
工艺生长技术的优点是可以控制材料的成分、形貌和尺寸，并且可以实现高纯度的材料生长。
通过不同的生长方法，如化学气相沉积、物理气相沉积和分子束外延等，可以得到所需的晶体结构和性能。
而外延技术是在晶体基底上生长一层新的晶体结构。
这种技术可以通过在晶体表面摆放原子层，逐渐增加晶体结构的大小和复杂度，形成高质量的外延层。
外延可以用于制备半导体器件中的最薄组件，如栅压敏感器和光电二极管等。
半导体工艺生长和外延在半导体行业中具有重要的应用，对于高性能芯片和器件的制造至关重要。
通过生长技术，可以控制材料的成分和尺寸，从而实现特定的电学和物理性能。
而外延技术则可以使晶体结构更加完美，提高材料的品质和器件的性能。
这两种技术的结合，可以实现对半导体材料和器件的精细调控，为现代科技的发展提供了有力的支持。
在实际应用中，半导体工艺生长和外延需要严格控制各种参数和条件，确保材料的均匀性和一致性。
同时，对于不同的材料体系和器件结构，需要选择合适的生长和外延方法，从而实现最佳的性能和效果。
因此，在半导体工艺生长和外延的研究中，需要结合理论模拟和实验验证，不断优化和改进技术，为半导体行业的发展提供新的突破和支持。
总而言之，半导体工艺生长和外延是制造高性能芯片和器件的核心技术。
通过精确控制材料的生长和组织结构，可以实现半导体晶体的制备和性能调控。
这两种技术的发展和应用，将推动半导体行业的创新和进步，为人类社会的科技发展带来更多的机遇和挑战。
晶体生长理论部分
的过程， 晶体生长过程是物质从其它相转变为结晶相的过程， 实际上是组成它的质点从不规则排列到规则排列形成格子
构造的过程。 构造的过程。
一）晶体生长理论
1、层生长理论（Kossel-Stranski模型） 层生长理论（Kossel-Stranski模型） 模型 (Stranski) 科塞尔在1927年提出， 由科塞尔在1927年提出，后经斯特兰斯基(Stranski) 加以发展。 加以发展。
1839年所创的符号， 于1839年所创的符号，也称为米氏符号。
工艺矿物学Ⅰ 工艺矿物学Ⅰ 第一篇 矿物通论 适用专业： 适用专业：矿物加工工程
米氏符号用晶面在三个晶轴上的截矩系数的倒数比来 表示。 例如：如果晶面ABC在 例如：如果晶面ABC在x、y、z三个晶轴上的截距分别为 ABC 2a、3b、6C。 2a、3b、6C。
工艺矿物学Ⅰ 工艺矿物学Ⅰ
第一篇 矿物通论
适用专业： 适用专业：矿物加工工程
二）晶面符号与单形符号
1、晶面符号（简称面号） 晶面符号（简称面号） 1）晶面符号概念 晶体定向后，各晶面在空间的相对位置就可确定， 晶体定向后，各晶面在空间的相对位置就可确定， 表示晶面在空间的相对位置的符号,称为晶面符号。 晶面在空间的相对位置的符号, 2）关于晶面符号的说明 晶面符号种类很多， 晶面符号种类很多，通常采用英国人米勒尔（W.Hmiler)
轴率：定义轴单位a 的连比值a:b:c 轴率。 a:b:c为 轴率：定义轴单位a0、b0 、c0的连比值a:b:c为轴率。
晶体常数：定义轴率a:b:c及轴角αβγ总称为晶体常 晶体常数： 轴率a:b:c及轴角αβγ总称为晶体常 a:b:c及轴角αβγ 数，它表示坐标系特征的一组常数。 它表示坐标系特征的一组常数。
外延生长的基本原理
外延生长的基本原理一、引言外延生长是一种重要的制备薄膜和纳米结构的方法，它在微电子学、光电子学、能源材料等领域得到广泛应用。
本文将介绍外延生长的基本原理。
二、外延生长的定义外延生长是指在晶体表面上沉积一个与衬底同晶向的单晶薄膜或纳米结构。
这个过程可以通过化学气相沉积（CVD）、分子束外延（MBE）等方法实现。
三、衬底选择衬底是外延生长中非常重要的因素，因为它决定了沉积物的结构和性质。
通常选择衬底与待沉积物具有相同或相似的晶格常数和热膨胀系数，以便保证外延层与衬底之间具有良好的匹配度。
同时，衬底表面应该光滑平整，以便于沉积物在其上均匀生长。
四、晶体表面准备在进行外延生长前，需要对晶体表面进行处理，以去除表面杂质和缺陷，并提高其结晶质量。
这个过程称为表面准备。
表面准备的方法包括机械抛光、化学腐蚀、离子注入等。
五、生长过程在外延生长的过程中，先将衬底放置于反应室中，然后向反应室中送入所需气体，通过加热或辅助电场等手段使气体分解并在衬底表面上沉积出晶体。
沉积物的厚度和形貌可以通过控制反应条件（例如温度、压力、气体流量等）来调节。
六、外延生长的基本原理外延生长的基本原理是晶体生长原理。
当气相中存在足够多的原子或分子时，它们会在晶体表面吸附并形成临界核心。
随着吸附原子或分子数量的增加，临界核心逐渐扩大并形成一个新的晶体层。
这个过程可以持续进行直到达到所需厚度。
七、结论综上所述，外延生长是一种重要的制备薄膜和纳米结构的方法，其基本原理是晶体生长原理。
在进行外延生长前需要选择合适的衬底和进行表面处理。
通过控制反应条件可以调节沉积物的厚度和形貌。
外延生长法
外延生长法
外延生长法是一种常见的材料生产方法，它是通过在晶体表面沉积原子或分子来制备单晶或多晶材料。
在这种方法中，材料的结构和组成可以被严格控制，从而使其具有精确的物理和化学特性。
外延生长法常用于制备半导体材料，如硅、镓、砷化镓等。
该方法通过在晶体基板表面形成一个小的晶种，然后在这个晶种周围沉积材料，以逐渐形成一个完整的晶体。
这个过程在高温和真空下进行，以确保材料的纯度和晶体结构的稳定性。
外延生长法的主要优点是可以制备大面积、高质量的单晶或多晶材料，同时可以通过改变生长条件来调节材料的物理和化学性质。
这种方法还可以在材料表面上形成复杂的结构和纳米尺度的特征，这些特征在电子学、光学和磁学等领域中具有重要的应用。
外延生长法的缺点是需要高成本的材料和设备，并需要精确的控制和监测生长过程。
此外，这种方法有时会产生材料表面缺陷和晶格失配问题，这可能影响材料的性能和稳定性。
总之，外延生长法是一种重要的材料生产方法，它可以制备高质量、精确控制的单晶或多晶材料，并具有广泛的应用前景。
在未来，随着技术的不断发展和改进，外延生长法将在各种领域中发挥更大的作用。
外延生长_精品文档
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MOCVD设备 Thomas Swan的设备外型
MBE
分子束外延（MBE）是70年代在真空蒸发的基础上迅速发展起来 的制备极薄单晶层和多层单晶层薄膜的新技术。其基本原理是在超高真 空系统中（真空度优于10-11Pa，分子平均自由程可达1m）将组成化合 物的元素材料分别装入喷射炉内，对面喷射炉相隔一定距离放置衬底 （加热到600-700℃）。从喷射炉喷出的热分子或热原子束射到衬底表 面并延表面移动，与表面发生反应生长成单晶薄膜。
瞬态法共有：平衡冷却法，分步冷却法，过冷法和两相溶液法四种
1）平衡冷却法 当温度达到T1时，溶液刚好饱和，使衬底与溶液接触，即在接触瞬间
两种处于平衡状态。然后以恒定的降温速率，一边冷却，一边生长（本方 法对应于过冷度ΔT=0，降温速率α≠0）。 2）分步冷却法
这种工艺首先使溶液在温度T1下饱和，将衬底与溶液接触，并迅速冷却 到Tg（不能出现自发结晶），此后保持Tg不变进行生长直至结束。 3）过冷法
LED制造系列之---外延生长
外延生长的定义与种类
定义：外延生长就是指在某种起始单晶（衬底）上生长 具有相同或接近的结晶学取向的薄层单晶的过程
1. 液相外延（LPE） 2. 金属有机化学汽相沉积（MOCVD） 3. 分子束外延（MBE） 4. 化学分子束外延（CBE）
液相外延（LPE）
液相外延是指在某种饱和或过饱和溶液中在单晶衬底 上定向生长单晶薄膜的方法。生长的单晶薄膜可以与衬底 的晶向相同，也可以相对于衬底表面的晶向具有另一种特 定的晶格取向。液相外延时，首先在较高温度下把加有溶 质的溶剂溶解成溶液，当冷却到较低温度时，溶液就变成 过饱和状态。当衬底与这种溶液接触并逐渐降温时，溶质 就将从溶剂里析出，在衬底上延伸出新的单晶层，生长层 的组分（包括掺杂）由相图来决定。
《晶体的生长》课件
目录
• 晶体简介 • 晶体生长的原理 • 晶体生长的方法 • 晶体生长的实验技术 • 晶体生长的应用实例 • 未来展望与挑战
01 晶体简介
晶体的定义
晶体是由原子、分子 或离子按照一定的规 律排列而成的固体物 质。
晶体的内部原子或分 子的排列方式决定了 晶体的物理和化学性 质。
界面反应与扩散
界面过程涉及界面反应和 扩散过程，研究晶体生长 过程中界面物质交换和化 学反应的规律。
界面动力学与控制
界面过程还探讨界面动力 学与控制因素，分析不同 条件下界面形态变化的动 力学过程和机制。
03 晶体生长的方法
熔体生长法
总结词
通过将原料加热至熔化后进行冷却结晶的方法。
详细描述
熔体生长法是一种常见的晶体生长方法，通过将原料加热至熔化，然后控制冷却 速度和温度梯度，使熔体中的原子或分子重新排列成晶体结构。这种方法适用于 制备大尺寸、高质量的单晶材料，如硅单晶和锗单晶等。
LED晶体材料的生长与应用
总结词
LED晶体材料是制造LED灯的关键材料，具有高效、节能、环保等特点，广泛应用能够将电能转化为光能的半导体材料。通过控制LED晶体材料的生 长和掺杂过程，可以获得具有特定能带结构和光学性质的LED晶体。LED晶体在照明、
技术创新
通过技术创新，改进晶体生长设备、 工艺和流程，提高晶体生长效率和产 量。
自动化与智能化
引入自动化和智能化技术，实现晶体 生长过程的远程监控、自动调节和控 制，提高生产效率和产品质量。
环境友好型的晶体生长方法
环保意识
随着环保意识的提高，环境友好型的 晶体生长方法成为研究重点，以减少 对环境的负面影响。
晶体具有规则的几何 外形和内部结构，其 原子排列具有周期性 。
晶体外延生长
外延生长介质膜如SiO2、Si3N4、Al2O3、BPSG 等）半导体膜如Si、Poly-Si、GaAs 等）金属膜如Al、Au、W、TiN、Ti等）常用薄膜外延的基本概念1）外延的基本概念：在制备完好的单晶衬底上，沿其原来晶向，生长一层厚度、导电类型、电阻率及晶格结构都符合要求的新的单晶层2）外延在半导体生产中的作用实现杂质浓度突变，优化衬底材料性能，设计更加零花3）外延的种类：正向外延、反向外延、直接外延、间接外延、气相外延、分子束外延等目前主要采用的四氯化硅氢还原法4224SiCl H Si HCl ∆⎯⎯→++←⎯⎯注意两个问题：A.这是一个可逆反应，要保证反应向正方向顺利进行，氢气要过量B.外延时T﹥1000℃硅的气相外延2.外延生长工艺1）气相外延的设备外延生长系统示意图外延生长炉结构图硅的气相外延说明：*外延生长过程中，同时掺入一定量的三价或者五价杂质原子，控制掺入的气相杂质类型和流量就可以控制外延层的导电类型和电阻率。
*外延生长设备采用局部加热方式，只在放硅衬底的位置加热（当前多采用高频线圈加热，现在也有用辐射加热式桶型反应器）。
*硅片放在一块具有一定电阻率的石墨板上（石墨板支撑作用，加热源）2）外延生长工艺流程系统的清洁处理硅片的清洁处理氯化氢气相抛光外延生长降温取片氯化氢衬底气相抛光：进一步去除硅片表面的损伤和自然氧化层，使外延在新鲜面完整的硅片上进行42Si HCl SiCl H +→+掺杂浓度均匀并符合设计要求具有一定的厚度，厚度均匀12杂质分布满足要求4外延层中位错、曾错、麻坑、雾状缺陷、伤痕等尽量好。
3外延层的质量要求外延层的质量分析1）外延层掺杂浓度的控制（1）杂质的外扩散有效外延厚度的变化（2）自掺杂现象衬底的反向腐蚀衬底高温下的杂质蒸发，主要从背面或边缘非反应气体有意掺入的杂质引起的外延层的掺杂现象称为自掺杂现象衬底背面用高纯硅或二氧化硅覆盖用两步外延法、低压外延法含义来源措施2）外延层晶格完整性的控制（1）角锥体：（2）云雾状：（3）层错：（4）位错：3）埋层图形的漂移和畸变图形的漂移和畸变引起图形漂移一般认为是在外延生长过程中外延生长速度的差异造成的。
【精品】晶体生长科学与技术PPT课件-01(共六部分)
3. 是微电子、光电子、通讯、航天、宇航等高科技和 现代军事领域中的关键材料；
4. 作为装饰用的水晶，各种宝石，金刚石等都是晶体 物质；
晶体材料的研究方向
1. 晶体材料—准晶、非晶态、多晶； 2. 体单晶—薄膜晶体材料； 3. 完整晶体—研究晶体缺陷； 4. 通常的晶格—半导体和金属的超晶格； 5. 单一功能晶体—多功能晶体； 6. 晶体的体内性质—表面性质； 7. 无机晶体—有机高分子晶体；
※ 1784年，法国阿羽依（R.J. Hauy）
解理
晶胞学说：晶胞是构成晶体的
最小单位，晶体是由大量晶胞堆积而成的
云母
NaCl 单晶
解理
当晶体受外力作用时，往往沿着特定的晶面破裂，出现许多平行而光滑的破裂面，称
为解理面；
解理面一般平行于晶体格架中质点最紧密，联结力最强的面。因为垂直这种面的联结
晶面指数的意义
晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是代 表着 一组相互平行的晶面。
在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完 全相同，只是空间位向不同的晶面可以归并 为同一晶面族，以{h k l}表示，它代表由对称 性相联系的若干组等效晶面的总和。
• 立方晶系中，相同指数的晶向和晶面垂直；
• 立方晶系中，晶面族{111}表示正八面体的面；
亮的金属光泽，常被误认为是黄 金，故又称为“愚人金”；
黄铁矿（FeS2）
重晶石
重晶石，主要成分是硫酸钡(BaSO4)；纯重晶石显白色、有光泽，由于杂质及混入
物的影响也常呈灰色、浅红色、浅黄色等。结晶情况好的重晶石可呈透明；
重晶石化学性质稳定，不溶于水和盐酸，无磁性和毒性；
氮化镓解理面 -回复
氮化镓解理面-回复什么是氮化镓？氮化镓（gallium nitride，简称GaN）是一种重要的半导体材料，具有广泛的应用前景。
它由镓（Ga）和氮（N）元素组成，化学式为GaN。
氮化镓的晶体结构具有六方晶系，其原子排列类似于石英晶体结构，拥有优异的物理和化学性质。
氮化镓的解理面是指晶体中特定的晶面，通过在该晶面上施加外力，可以使晶体断裂或切割成特定方向和形状的薄片。
解理面的选择对于实际应用非常重要，因为它可以影响材料的性能和制备工艺。
在氮化镓中，最常见的解理面是(0001)面，也称为c面。
它在晶体结构中存在着最强的键合，因此要在(0001)面上切割氮化镓材料需要特殊的技术和设备。
制备氮化镓的解理面主要有几种方法，下面将逐步介绍。
第一步：晶体生长氮化镓晶体可以通过各种方法进行生长，如金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）和气相沉积等。
这些方法都可以用来生长高质量的氮化镓晶体。
第二步：切割在确定生长好的晶体中，选择合适的工艺方法进行切割。
切割氮化镓晶体的常用方法有机械切割、离子束切割和激光切割等。
机械切割是一种常见的切割方法，通过在晶体上施加机械力，将晶体切割成所需形状和尺寸。
机械切割通常需要使用钻孔和切割液来辅助操作，以保持材料的完整性。
离子束切割是一种非接触式的切割方法，通过将高能离子束聚焦在晶体表面，利用离子束的动能将晶体切割成所需形状和尺寸。
离子束切割技术在切割氮化镓材料时具有高精度和高效率的特点。
激光切割是一种利用激光束的热能将晶体切割的方法。
激光切割技术可以实现高精度和高速度的切割，尤其适用于切割复杂形状的氮化镓材料。
第三步：表面处理切割得到的氮化镓片需要进行表面处理，以去除切割过程中产生的缺陷和污染物。
常用的表面处理方法有化学机械抛光（CMP），氨气等离子体处理和热退火等。
化学机械抛光是一种物理和化学结合的方法，通过在氮化镓表面涂覆抛光液，并结合机械力和摩擦作用来去除表面缺陷和污染物。
晶体生长和外延
《大规模集成电路制造工艺》共价键金刚石结构四面体二维空间结构简图拉晶过程1. 熔硅将坩埚内多晶料全部熔化；2. 引晶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。
当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触，籽晶向上拉，控制温度使熔体在籽晶上结晶；3.收颈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。
拉晶过程4.放肩缩颈工艺完成后，略降低温度(15-40℃)，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。
这称为“放肩”。
拉晶过程5.等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，称为收肩。
收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。
此时要严格控制温度和拉速。
拉晶过程6.收晶：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。
拉晶过程300 mm （12inch ）和400 m （16inch ）的硅晶锭Csse C C k s0=l C k C （0）悬浮区熔工艺：（a ）结构图，（b ）掺杂评估所用的简单模型不同的k e 下，掺杂浓度和凝固区长度的函数关系图不同的悬浮区熔通过次数相对杂质浓度与区带长度的关系单就一次提纯的效果而言，直拉法的去杂质效果好直拉法生长单晶的特点优点：所生长单晶的直径较大, 成本相对较低；通过热场调整及晶转, 埚转等工艺参数的优化,可较好控制电阻率径向均匀性缺点：石英坩埚内壁被熔硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响, 易引入氧碳杂质, 不易生长高电阻率单晶.改进直拉法—磁控直拉技术原理：在直拉法单晶生长的基础上对坩埚内的熔体施加磁场,由于半导体熔体是良导体, 在磁场作用下受到与其运动方向相反作用力，于是熔体的热对流受到抑制。
除磁体外, 主体设备如单晶炉等并无大的差别。
优点：减少温度波动;减轻熔硅与坩埚作用;降低了缺陷密度, 氧的含量;使扩散层厚度增大;提高了电阻分布的均匀性。
晶体学《晶体生长》课件
第六章一、概念解释晶体生长学：研究晶体生长过程及其涉及的物理化学原理、实验设计等内容。
均匀成核：在体系内任何部位成核率相等。
非均匀成核：在体系中存在的外来质点（尘埃，固体颗粒，籽晶等），在外来质点上成核。
晶核：成为结晶生长中心的晶胚。
临界半径：体系自由能由升高到降低转变时所对应的晶核半径。
成核速度：在单位时间内，单位体积中所形成的核的数目称为成核速度。
二、填空题1、均匀成核是指在一个体系内，各处成核概率相等，这要克服相当大的表面势垒，即需要相当大的过冷度才能成核。
2、晶体形成的方式有气相转变为晶体、液相转变为晶体、固相转变为晶体。
3、影响晶体生长的外部因素有涡流、温度、杂质、结晶速度、粘度。
4、晶体的熔体生长过程中的热量输送主要包括辐射、传导、对流。
5、晶体在溶液中生长的质量输送方式为扩散，扩散的驱动力为溶液的浓度梯度。
6、晶体在溶液中生长的动量输送表现为流体的内部磨擦作用。
7、从熔体中生长单晶体的方式有直拉法、区熔法、外延法。
8、从低温溶液中生长单晶的方法有降温法、蒸发法、凝胶法。
三、论述题1、化学气相沉淀法的优缺点答：优点：（1）所得的薄膜或材料一般纯度很高，致密性好，且容易形成结晶定向好的材料、广范用于高纯材料和单晶材料的制备；（2）能在较低温度下制备难溶物质；（3）适应性广，便于制备各种单质或化合物材料以及各种复合材料。
缺点：（1）需在高温下反应，衬底温度高，沉积数率较低；（2）参加沉积反应的源和反应后的余气都有一定的毒性，因此应用不如真空蒸发镀膜和溅射镀膜广泛。
2、为什么再杂质容器壁上容易成核答：成核是一种相变过程，即母液中形成固相小晶芽的过程。
成核需要界面杂质和容器壁正好提供了界面，杂质越多，容器面越大，界面则越大。
成核过程也是越垒过程，越过垒才可以进行晶体生长，容器正是这个垒，所以在杂质、容器上更容易成核。
3、为什么人工合成晶体要放籽晶答：晶体需要晶核才能形成，籽晶正是晶体的晶核，晶体很小时表面能大于自由能，而籽晶能克服界面能，所以人工合成需要籽晶。
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2.磨片
目的： 去除刀痕与凹凸不平； 改善平整度； 使硅片厚度一致； 磨料： 要求：其硬度大于硅片硬度。 种类：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等
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抛光
目的：进一步消除表面缺陷，获得高度平整、光洁及无 损层的“理想”表面。 方法：机械抛光、化学抛光、化学机械抛光
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晶面定向与晶面标识
课堂表现(10分)； 回答问题( 1分)，课上表现；
期中考试：30分； 考查对前半学期所学知识的理解和掌握； 期末考试：45分； 考查对本学期所学知识的综合理解掌握。
3
单晶材料制备
《大规模集成电路制造工艺》
4
半导体的形态类型
非晶：原子随机性排列，没有任何周期性； 多晶：原子排列在小范围内具有周期性； 单晶：在整个固体内原子排列具有完美的周期性；
x S
C0 Ad L ke x / L S [1 (1 ke ) ] ke S ke x / L ke C0 [1 (1 ke ) ] Ad L
Cs C0[1 (1 ke )
ke x / L
]
28
Cs C0[1 (1 ke )ke x/ L ]
2SiHCl3 (气体)+2H2(气体) 2Si(固体)+6HCl(气体）
可得到电子级的多晶硅(所含杂质浓度约为十亿分之一)
8
柴可拉斯基法(CzochralskБайду номын сангаас Technique) (直拉法)
硅的熔点：1417oC
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拉晶过程
1.熔硅
将坩埚内多晶料全部熔化；
2.引晶
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。当温度稳定时，可将籽晶与 熔体接触，籽晶向上拉，控制温度使熔体在籽晶上结晶；
杂质分布
dS Cs dM
S Cl M0 M
S Cl M0 M
Cs dM dS dM = k0 S Cl M 0 M M0 M
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杂质分布
Cs dM dS dM k0 S Cl M 0 M M0 M
M dS dM k C0M0 S 0 0 M 0 M S
杂质分布
熔体的初始重量为M0，初始掺杂浓度为C0； 当已生长晶体的重量为M时，留在熔体中的掺杂数量为S； 当晶体增加dM的重量，熔体相对应减少的掺杂(－dS)为:
dS Cs dM
S Cl M0 M
Cs为晶体中的掺杂浓度。
此时液体中剩下的重量为M0－M，液体中的掺杂浓度Cl
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直拉法生长单晶的特点
优点：所生长单晶的直径较大, 成本相对较低；
通过热场调整及晶转, 埚转等工艺参数的优化, 可较好控制电阻率径向均匀性
缺点：石英坩埚内壁被熔硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响,
易引入氧碳杂质, 不易生长高电阻率单晶.
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改进直拉法—磁控直拉技术
原理： 在直拉法单晶生长的基础上对坩埚内的熔体施加磁 场,
5. 等径生长
当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大， 称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。要严格 控制温度和拉速。
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拉晶过程
6. 收晶
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。
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单晶硅锭
300 mm(12inch)
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拉晶过程
3. 收颈
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。
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拉晶过程
4. 放肩
缩颈工艺完成后，略降低温度(15-40℃)，让晶体逐渐长大 到所需的直径为止。这称为“放肩”。
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拉晶过程
不同的 ke下，相对杂质浓度和凝固区长度的函数关系。
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一次区熔提纯与直拉法后的杂质浓度分布的比较（k=0.01） 单就一次提纯的效果而言，直拉法的去杂质效果好。
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可用来提纯！
不同的悬浮区熔通过次数相对杂质浓度的影响。
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FZ掺杂
如果需要的是掺杂而非提纯时，掺杂剂引入第一个熔区中 S0＝ClAρdL，且初始浓度C0小到几乎可以忽略：
ke S dS C0 d Adx dx L ke S (C d A )dx L
dS 0 dx S0 C0 d A ke S / L
x S
S0＝C0 ρd AL是当带的前进端形成时的掺杂剂数量。
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dS dx 0 S0 C0 d A ke S / L
400 mm(16inch)
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单晶硅锭
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450mm硅片
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平衡分凝系数
由于晶体是从融体中拉出来的，混合在晶体中（固态）的
掺杂浓度通常和在界面处融体（液体）中的是不同的。
两种状态下的掺杂浓度的比例定义为平衡分凝系数：
Cs k0 Cl
Cs和Cl分别是在固态和液体界面附近的平衡掺杂浓度。
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缺点: 单晶直径不及CZ法
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大面积均匀掺杂
对某些开关器件而言，如高压可控硅，必须用到大面积芯片， 对均匀度度要求较高。
采用中子辐射工艺：中子在硅中的穿透深度约为100cm；
Si 中子 Si P
30 14 31 14 2.62h 31 15
硅嬗变成为磷而得到n型掺杂的硅
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e
v / D
Cl Cs Cl (0) Cs
Cs k0 = C （ l 0）
Cs k0 ke v / D Cl k0 (1 k0 )e
M Cs keC0 1 M 0
ke 1
高提拉速度， 低旋转速度， 可以获得均匀杂质分布！
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Cs ke Cl
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考虑一小段宽度为δ几乎粘滞的熔体层，层内只有因拉出需 要补充融体而产生的流动，层外参杂浓度为常数Cl； 层内参杂浓度可用第3章的连续性方程式来表示： 在稳态时: C代替np，v代替μnE
dC d C 0v D 2 dx dx
e
v / D
2
Cl Cs Cl (0) Cs
悬浮区熔法(Float-Zone)制备单晶硅
多晶硅棒
制备的单晶硅杂质浓度比直拉法更低；
不需要坩埚，污染少； 主要用于需要高电阻率材料的器件；
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杂质浓度为C0，L是熔融带沿着x方向的长度，A是晶棒的截面 积，ρd是硅的密度，S式熔融带中所存在的掺杂剂总量；
当此带移动距离dx，前进端增加的掺杂数量为C0ρdAdx， 从再结晶出所移除的掺杂剂数量为ke(Sdx/L)；
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掺杂效果比较
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砷化镓生长
砷化镓的起始材料是砷及镓元素来合成的多晶砷化镓; 这种组成的行为可以用 “相图(phase diagram)”来描述;
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例题
考虑一初始As组分为Cm（重量百分比刻度）的熔融态，从Ta（在液态 线上）冷却到Tb，求有多少比例的融体将被凝固？
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Tb时: 液体重量Ml, 固体重量Ms 砷浓度：液体中 Cl, 固体中Cs Ta 、Tb时: 砷总量不变： （Ml+Ms）Cm=Ml Cl+MsCs
识别晶向和导电类型
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晶面定向与晶面标识
8inch 以下硅片:
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芯片切割
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晶面定向与晶面标识
8 inch 以上硅片
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制备好的晶圆
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晶圆规格
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晶体生长产生的缺陷
缺陷的含义：晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构 发生偏差的区域。
理想晶体：格点严格按照空间点阵排列。 实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。
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线缺陷(位错)
螺位错:将晶格剪开一部分并侧移一个晶格距离
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螺位错特点
1）无额外的半原子面； 2）位错周围点阵也发生弹性畸变， 但不引起体积的膨胀和收缩； 3）位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。
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面缺陷
孪晶界：某一晶面两边的晶体取向不同,以晶界为轴构 成镜面对称
孪晶界
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面缺陷
合成GaAs在密封的真空石英管系统内进行;
形成超压As蒸气压： 与镓反应，生成GaAs； 防止生成的GaAs再分解；
GaAs熔体冷却时， 即可生成高纯度多晶GaAs；
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GaAs晶体生长
直拉法:
GaAs 熔体
B 2 O 3： 透明; 粘度大; 熔点:450oC; 不与GaAs反应； 与SiO2反应;
从原料到磨光晶片的制造流程
7
单晶硅的制备
起始材料: 高纯度的硅砂:
SiO2 (固体） +SiC(固体） Si(固体)+SiO(气体)+CO (气体) 可得到纯度为98%的冶金级的硅
300o C
2Si(固体)+6HCl(气体） 2SiHCl3 (气体)+2H2(气体)
三氯硅烷室温下为液态,可以利用蒸馏法去除杂质
由 于半导体熔体是良导体, 在磁场作用下受到与其运 动方向相反作用力，于是熔体的热对流受到抑制。 除磁体外, 主体设备如单晶炉等并无大的差别。
优点：减少温度波动;
减轻熔硅与坩埚作用; 降低了缺陷密度, 氧的含量; 使扩散层厚度增大; 提高了电阻分布的均匀性。
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悬浮区熔法
特点：可重复生长、提纯单晶，单晶纯度较CZ法高； 无需坩埚、石墨托，污染少； FZ单晶：高纯、高阻、低氧、低碳；
由于晶体具有各向异性，不同的晶向，物理化学性质都不 一样，必须按一定的晶向（或解理面）进行切割; 8 inch 以下硅片需要沿晶锭轴向磨出平边来指示晶向和导 电类型。 1．主参考面(主标志面)