第五章 硅液相外延上课讲义
半导体材料第6讲 硅外延生长资料讲解
2020/8/2
外延生长的特点
• 通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和 SiCL4。
• SiHCl3和SiCl4常温下是液体，外延生长温度高 ，但生长速度快，易提纯，使用安全，所以它 们是较通用的硅源。早期多使用SiCl4，近来使 用SiHCl3和SiH2Cl2逐渐增多。
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• SiH2Cl2在常温下是气体，使用方便并且反应温 度低，是近年来逐渐扩大使用的硅源。
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• 解决办法： • 在电阻率极低的衬底上生长一层高电阻率外
延层，器件制做在外延层上，这样高电阻率的 外延层保证管子有高的击穿电压，而低电阻率 的衬底又降低了基片的电阻，降低了饱和压降 ，从而解决了二者的矛盾。
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外延工艺解决的问题
• 不仅如此，GaAs等Ⅲ一V族、Ⅱ一Ⅵ族以及 其他化合物半导体材料的气相外延，液相外延 ，分子束外延，金属有机化合物气相外延等外 延技术也都得到很大的发展，已成为绝大多数 微波、光电器件等制做不可缺少的工艺技术。
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外延的分类
• 4、按向衬底输运外延材料的原子的方法不同 又分为真空外延、气相外延、液相外延等。
• 5、按相变过程，外延又可分为气相外延、液 相外延、固相外延。
• 对于硅外延，应用最广泛的是气相外延。
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• 硅外延生长技术开始的时候，正是硅高频大功率晶 体管制做遇到困难的时刻。
液相外延实验讲义
液相外延实验外延生长是半导体材料和器件制造的重要工艺。
从饱和溶液中在单晶衬底上生长外延层的方法称液相外延（Liquid Phase Epitaxy，LPE）。
例如，GaAs外延层就可从以Ga为溶剂、As为溶质的饱和溶液中生长出来。
液相外延方法是在1963年由纳尔逊（Nelson）提出的。
与其他外延技术相比，液相外延有以下优点：1．生长设备比较简单；2．生长速率快；3．外延材料纯度比较高；4．掺杂剂选择范围较广泛；5．外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低；6．成分和厚度都可以比较精确的控制，重复性好；7．操作安全，没有汽相外延中反应气体和反应产物所造成的高毒、易燃、易爆和强腐蚀等危险。
液相外延技术的出现，对于化合物半导体材料和器件的发展起了重要的推动作用。
目前这一技术已广泛用于生长GaAs、GaAlAs、GaP、InP、GaInAsP等半导体材料和制作发光二极管、激光二极管、太阳能电池、微波器件等。
液相外延的最大缺点是当外延层与衬底的晶格失配大于1%时生长发生困难。
其次，由于生长速率较快，难以得到纳米厚度的外延材料。
此外，外延层的表面形貌一般不如汽相外延的好。
一、实验目的：1．了解液相外延生长技术的基本原理和设备构成；2．学会使用液相外延生长装置制备适用于光电子器件制作的多层化合物半导体材料；二、实验仪器：1．TG332-A型微量天平。
用于生长源称量，使用说明书见附件1；2．由UJ31型低电势直流电位差计、AC15/1型直流复射式检流计、标准电池和甲电池以及铂铑热电偶组成的测温装置，用以生长温度监测；3．J WC-10型精密液相外延系统，由以下主要部分组成：1）可编程精密自动温控仪；2）轨道滑动炉体及支撑架；3）石英生长室（反应管）；4）水平滑动石墨生长舟和石英舟托；5）不锈钢密封接口和推动装置；6）有机玻璃操作箱及支撑架；7）机械真空泵；8）氢气管路及控制阀；9）B G-5型氢气净化仪。
整套系统配置示意图如图1所示，使用说明书见附件2。
《硅外延生长》课件
硅外延生长的应用领域
现代半导体类产品如计算机 芯片、智能手机和光通信等 都需要硅外延生长技术。硅外延生Biblioteka 的原理与方法硅外延生长的原理
硅外延生长是核形成、晶核的成长与自发畴界移动 等复杂过程的综合表象。
硅外延生长的方法
• 气相外延法 • 液相外延法
气相外延法
1
原理与流程
气相外延法是指以光刻胶为模板，在硅片上生长SiGe薄膜的方法。
硅外延生长
本课程是关于硅外延生长的介绍，从定义、历史发展到应用领域，深入了解 硅外延生长的原理和方法。
硅外延生长概述
什么是硅外延生长？
硅外延生长是一种通过在硅 基底上沉积高品质单晶硅薄 膜的过程。
硅外延生长的历史发展
硅外延技术从二十世纪六十 年代就开始发展，并随着半 导体工业的高速发展一直得 到迅速发展。
硅外延生长的未来
发展趋势
硅外延生长技术将继续发展，主要趋势是提高生长效率和晶体质量。
发展方向
晶体质量控制、研究新的衬底材料以及外延材料和外延工艺的不断创新。
未来展望
硅外延生长技术将会在电子信息、新能源、生物医学等领域取得更广泛、更深入的应用。
2
工艺参数
气相外延生长的基本工艺参数有衬底温度、反应气体流量、反应时间和硅和外延 材料供应速率。
3
应用
用于光子集成芯片、高分辨率图像传感器和生物传感器等领域。
液相外延法
1
原理与流程
液相外延法是指用硅基底与融合锡（或石墨）作为液相反应体，在相应条件下长 出外延晶体。
2
工艺参数
液相外延法的工艺参数有溶液成分，溶液温度，外延晶体生长速率和升温速率等。
3
应用
用于太阳能电池电极、太阳能电池背反射层、光子晶体、一维纳米线等领域。
第五章硅的分析幻灯片ppt课件
试料+KOH 熔融 SiO32-
K++SiO32-+6F-+6H+
K2SiF6 +3H2O
K2SiF6 +3 H2O(沸水)=2KF+H2SiO3+4HF
（过滤洗涤）
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②实验步骤
a.称取0.6gKOH置于银坩埚底部少许，准确称 量0.1g试样倒入坩埚中，再盖上剩余的KOH。
达97%～99% 。高准确度要求时，必须对残留在 滤液中的硅酸解聚，并应用硅酸与钼酸盐形成 硅钼酸的颜色反应，光度法测量残余SiO2的质量 ，再将此质量加到上式的结果中，按下式计算
(SiO 2)m m S总 iO 2100m 1V m 10 6100
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7
沉淀及滤纸放入铂坩埚灼烧时，应先低 温灰化，再逐渐升高温度使滤纸全部灰化。
b.加10mL氢氟酸和3滴(1:1)硫酸，加热待 溶液消耗完。
c.如发现还残留有少量石英砂，再加适量 氢氟酸并加热，直到石英砂反应完全，溶 液消耗殆尽。
d.放入马弗炉中高温焙烧2h，冷却后称重。
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若加入量过多，烧结块不易脱埚。加入碳 酸钠后，要用细玻璃棒仔细混匀，否则试 料烧结不完全。
用盐酸浸出烧结块后，应控制溶液体 积，若溶液太多，则蒸干耗时太长。通常 加5rnL浓盐酸溶解烧结块，再以约5mL盐酸 (1+1)和少量的水洗净坩埚。
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5.2. 氟硅酸钾酸碱滴定法 ①方法原理
NaOH标准滴定溶液的体积。当ω（SiO2） ＞20%时，中性煮沸水解不够完全会使结 果偏低，此时采用返滴定法。
半导体材料第6讲-外延
我国目前最先进的硅外延 设备
• 中国最大的半导体相关应用研究院之一，有色金属研 究总院(GRINM) 向International N.V. 订购的300 mm 外延设备--Epsilon® 3200 。Epsilon 3200 主要用途 是硅和锗化硅的外延生长。这是销售到中国大陆的首 台300 mm 外延设备
2020/4/25
• 解决办法： • 在电阻率极低的衬底上生长一层高电阻率外
延层，器件制做在外延层上，这样高电阻率的 外延层保证管子有高的击穿电压，而低电阻率 的衬底又降低了基片的电阻，降低了饱和压降 ，从而解决了二者的矛盾。
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外延工艺解决的问题
• 不仅如此，GaAs等Ⅲ一V族、Ⅱ一Ⅵ族以及 其他化合物半导体材料的气相外延，液相外延 ，分子束外延，金属有机化合物气相外延等外 延技术也都得到很大的发展，已成为绝大多数 微波、光电器件等制做不可缺少的工艺技术。
• SiH4也是气体，硅烷外延的特点是反应温度低 ，无腐蚀性气体，可得到杂质分布陡峭的外延 层，
• 缺点：1、要求生长系统具有良好的气密性， 否则会因漏气而产生大量的外延缺陷。
• 2、SiH4在高温和高浓度下易发生气相分解而 生成粉末状硅使外延无法进行。
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衬底要求
• 在硅外延中使用的硅衬底是经过切、磨、抛等工艺仔 细加工而成的，外延生长前又经过严格的清洗、烘干 ，但表面上仍残存有损伤、污染物及氧化物等。
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硅外延生长基本工艺
硅单晶
定向
置于基座
烘干
清洗
抽高真空 通高纯H2
加热去除氧 化层
切割
400-500μm
磨平
Si02胶体溶液
第五章--硅和硅基薄膜的外延生长上课讲义
第五章硅和硅基薄膜的外延生长5．1 概述外延生长(通常亦简称外延)是半导体材料和器件制造的重要工艺之一，它的应用和发展对于提高半导体材料的质量和器件的性能，对于新材料、新器件的开发，对于半导体科学的发展都具有重要意义。
所谓外延生长就是在一定条件下，在经过仔细制备的单晶衬底上，沿着原来的结晶方向生长出一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构、完整性等都符合要求的新单晶层的工艺过程。
所生长的单晶层称为外延层。
外延生长同从熔体中直接生长一样都是制备半导体材料单晶的方法，但相比之下外延生长有它一些特殊的优点：(1)利用外延生长可以在一块低电阻率的衬底上生长出一层很薄的高电阻率的外延层，然后把器件制作在外延层上，解决了高频大功率晶体管要求高的击穿电压和低的饱和压降之间的矛盾。
(2)可进行选择性外延生长，为集成电路和某些特殊结构器件的研制提供了便利条件。
(3)外延技术可以控制外延层中的杂质分布。
(4)采用适当的外延技术可以生长异质、薄层、超薄层组分可变的外延层，为制造多层异质结构器件提供了条件。
(5)可在低于衬底熔点的温度下制备半导体薄膜。
外延生长分类的方法很多，从不同的角度有不同的分类方法，主要有以下四种分类方法：(1)根据外延层在器件制作过程中的作用可分为正外延和反外延。
如果器件直接制作在外延层上，则这种外延技术称为正外延；如果器件制作在衬底上，而外延层只起支撑和隔离作用，则这种外延技术称为反外延。
(2)根据衬底和外延层材料是否相同又可分为同质外延和异质外延。
如果衬底和外延层属于同一种材料则称为同质外延，否则称为异质外延。
(3)根据在生长过程中向衬底输送原子的方法不同可分为气相处延、液相外延和固相外延。
(4)根据生长机理的不同可分为直接外延生长和间接外延生长。
不经过中间化学反应，原子从源直接转移到衬底上形成外延层的外延生长称为直接外延生长；生长外延层所需要的原子或分子是由含有该组分的化合物，通过还原、热分解、歧化等化学反应而得，则这种外延生长称为间接外延生长。
05章-硅外延生长讲解
• （4）系统自掺杂：吸附在外延反应室内壁和外延基座表面的杂 质，解吸后进入气流形成新的掺杂源。
• （5）金属杂质：衬底硅片、外延基座和外延系统中沾污的金属 杂质在外延过程中进入外延层。
• 外延层中总的载流子浓度N总可表示为 N总=N衬底±N气±N邻片±N扩散±N基座±N系统
• 气相硅外延生长是在高温下使挥发性强的硅源 与氢气发生反应或热解，生成的硅原子淀积在 硅衬底上长成外延层。
• 通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3 和SiCL4。
5.2.4 硅外延生长的基本原理和影响因素
• 采用不同的硅源其外延生长原理大致相同， 以研究得较充分的siCl4为源的水平系统外延生 长为例，生长时要考虑下列影响因素。
第5章 硅外延生长
• 外延生长就是在一定条件下，在经过切、
磨、抛等仔细加工的单晶衬底上，生长一
层合乎要求的单晶层的方法。 • 由于所生长的单晶层是衬底晶格的延
伸，所以所生长的材料层叫做外延层。
外延的分类
• 1、按外延层的性质分类 • 同质外延：外延层与衬底是同种材料，例如在硅上外
延生长硅，在GaAs上外延生长GaAs均属于同质外延。 • 异质外延：衬底材料和外延层是不同种材料，例如在
• 5-4-l 外延层中的杂质及掺杂 • 1．外延层中的杂质 •
外延层中杂质的来源
• 外延层中杂质的来源是： • （1）主掺杂质：用于控制外延层的电阻率。常用磷烷、砷烷和
乙硼烷作为主掺杂质源。它与硅源一道随主气流进入外延反应 室，在外延生长过程中进入外延层。
• （2）固态外扩散杂质：（a）衬底中掺入的杂质在外延过程中， 通过固态外扩散进入外延层；（b）对于同型外延，衬底中反型 杂质通过固态扩散进入外延层形成外延夹层。
第五章 硅的外延薄膜的生长
第五章硅的外延薄膜的生长外延生长工艺是一种在单晶衬底的表面上淀积一个单晶薄层(0.5∼20微米)的方法。
如果薄膜与衬底是同一种材料该工艺被称为同质外延，但常常就被简单地称为外延。
在硅衬底上淀积硅是同质外延最重要的在技术上的应用，并且是本章的基本主题。
在另一方面，如果在化学成分不同的衬底上进行淀积，则称为异质外延。
这种工艺已在被称为SOS的在蓝宝石(Al2O3)上淀积硅的工艺中得到应用。
外延起源于两个希腊字，意思是整理安排。
外延生长可以从气相(VPE)、液相(LPE)或固相(SPE)中获得。
在硅工艺中，气相外延得到了最广泛的接受，因为它对杂质浓度有良好的控制以及能获得晶体的完整性。
液相淀积在制造Ⅲ−Ⅴ族化合物外延层时得到广泛使用。
正如在第九章“非晶层损伤的退火”中讲到的，固相外延可用于离子注入的非晶层的再结晶。
发展硅外延的主要动机是为了改善双极型晶体管及后来的双极型集成电路的性能。
通过在重掺杂的硅衬底上生长一层轻掺杂的外延层，双极型器件得到优化：在维持低集电区电阻的同时，获得高的集电极－衬底击穿电压。
低的集电区电阻提供了在中等电流时的高的器件工作速度。
最近外延工艺已被用于制造先进的CMOS大规模集成电路。
这些电路中，器件被做在重掺杂的衬底上的一层很薄的(3∼7微米)轻掺杂的外延层中。
这种结构减少了在功率增加或在遭到辐射脉冲时CMOS电路可能经受的闩锁效应。
在外延层中制造器件(双极型和MOS)的其他优点还有：器件掺杂浓度的精确控制，并且这层中可以不含氧和碳。
但外延工艺并不是没有缺点，包括：a)增加了工艺复杂性和硅片成本；b)在外延层中产生缺陷；c)自掺杂以及d)图形改变和冲坏。
在这一章中，我们介绍了：a)外延淀积基础；b)外延层的掺杂；c)外延膜中的缺陷；d)对大规模集成电路的外延淀积的工艺考虑；e)外延淀积设备；f)外延膜的表征；g)硅外延的选择性淀积；和h)硅的分子束外延。
外延淀积基础这部分讨论了用于硅的气相外延的化学气相淀积(CVD)工艺的基础理论。
第5章 硅外延生长分析
28
扩散层（质量边界层或附面层）：具有反应物浓度梯 度的薄层。
c ( x) ( x) 3 3 / D Pr x 0
44
4.塌边（取向平面）
外延生长后片子边缘部分比中间部分低，形成一圈或一部 分宽1~2mm左右的斜平面，是无缺陷的完整的（111）面。
单晶定向后，用内（外）圆/线切割机切成厚度为 400~550 m的薄片； 磨片机上用金刚砂磨平（倒角）后，再用SiO2胶体 溶液抛光成镜面，制成衬底; 清洗甩（烘）干后，放在基座上； 封闭反应室通高纯H2排除反应室中的 空气； 启动加热系统，调整温度到所需温度。 反应所需的氢气经净化器提纯, 一路 通反应室，另一路通硅源容器, 携带硅 源入反应室。
影响因素
• SiCl4的浓度 • 温度
• 生长动力学过程 • 边界层及其特性 • 动力学模型
• 气流速度
基本工艺
• 衬底晶向
生长机理
8
§5-3-1 硅外延生长用的原料 气相硅外延生长：高温下挥发性强的硅源与氢气发生反应 （氢还原）或热解（热分解），生成的硅原子淀积在硅衬底 上长成外延层。 常使用的硅源: SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4。
1
第五章 硅外延生长
•外延生长概述 •硅衬底制备
•硅的气相外延生长
•硅外延层电阻率的控制 •硅外延层的缺陷
•硅的异质外延
2
§5-1 外延生长概述
外延生长：一定条件下，在经过切、磨、抛等仔细加 工的单晶衬底上，生长一层合乎要求的单晶层方法。 •外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜（厚度为 几微米） 。
外延ppt课件
;.
23
外延速率的影响因素（一）
温度对生长速率的影响
质量传递控 制
实际外延选 此区
表面反应 控制
-1
;.
24
外延速率的影响因素(二)
硅源对生长速率的影响 含氯的Si-Cl-H体系 无氯的Si-H体系
硅源不同，外延温度不同,由高到低排序的硅源为：SiCl4>SiHCl3>SiH2Cl2>SiH4； 而外延生长速率正相反。
成核，再高温下生长外延层 气相外延工艺成熟，可很好的控制薄膜厚 按电阻率高低划分：正外延--低度阻，衬杂底质上浓外度延和高晶阻格层的；完反整外性延，--在高硅阻工衬艺底上外延低阻层 按外延层结构分类: 普通外延，中选一择直外占延主，导多地层位外延 其它划分方法：按结构划分；按外延层厚度划分等
;.
异质外延生长工艺的两种类型
;.
5
晶格失配 lattice mismatch 失配率
aa'
f
100%
a'
其中：a外延层晶格参数； a′衬底晶格参数。有热膨胀失配系数和晶格常数失配率。
热失配影响单晶 薄膜物理和电学
性质
晶格失配导致外延膜 中缺陷密度非常高
;.
6
特点
外延生长时掺入杂质的类型、浓度都可以与衬底不同，增加了微电子器件和电 路工艺的灵活性。
;.
12
外延工艺常用的硅源
四氯化硅 SiCl4(sil.tet)，是应用最广泛，也是研究最多的硅源--------主要应用于传统 外延工艺
三氯硅烷 SiHCl3(TCS)，和 SiCl4类似但温度有所降低----常规外延生长 二氯硅烷SiH2Cl2( DCS) ----更低温度，选择外延 硅烷SiH4，更适应薄外延层和低温生长要求，得到广泛应用。 新硅源：二硅烷Si2H6-----低温外延
第五章_硅外延生长要点
第五章硅外延生长
5.1外延生长概述
• 外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜 • 外延生长：在一定条件下，在单晶衬底上， 生长一层合乎要求的单晶层的方法。 • 生长的这层单晶叫外延层。（厚度为几微米）
2
外延生长分类
• 根据外延层性质
同质外延：外延层与衬底同种材料
如Si/Si、GaAs/GaAs 、GaP/GaP;
CVD生长的薄膜未必是单晶，所以严格讲只有生长的薄膜是单晶的CVD才是外延生长。 CVD设备简单，生长参数容易控制，重复性好， 是目前硅外延生长的主要方法
4
根据向衬底输运外延材料的原子的方法不同
• 真空外延、气相外延、液相外延
液相外延（LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里， 降低温度析出硅膜。
根据相变过程
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5－3－1外延层中的杂质及掺杂
• 1.外延层中的杂质
外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度N总可以表示为 ：N总＝N衬底N气N邻片N扩散N基座N系统 N衬底：衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度分量 N气：外延层中来自混合气体的杂质浓度分量 N邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量 N扩散：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量 N基座：来自基座的杂质浓度分量 N系统：除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量
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气相均质反应模型
• 这个模型认为： 外延生长反应不是在固－气界面上，而 是在距衬底表面几微米的空间中发生。 反应生成的原子或原子团再转移到衬底 表面上完成晶体生长。
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5－3硅外延层电阻率的控制
• 不同器件对外延层的电参数要求是不同 的，这就需要在外延生长过程中，精确 控制外延层中的杂质浓度和分布来解决
外延技术讲座 ppt课件
度一定电阻率及一定型号的单晶。 • 外延是一种单晶生长技术但又不同于拉晶、
也不同于一般的CVD 。
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外延工艺---EPITAXY PROCESS
外延技术讲座
• 减少串联电阻 • 简化隔离技术 • 消除CMOS的可控硅效应 • 可以根据器件的要求,随心所欲地生长,各种
四探针
srp
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外延工艺---EPITAXY PROCESS
外延技术讲座
基区结深合理击穿提高
基区太深使击穿下降
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外延工艺---EPITAXY PROCESS
外延技术讲座
磨角染色再用干涉显微镜测厚度
层错法：
对于(111) T=0.816L
L
对于(100) T=0.707L
L
红外测厚仪：范围0.25-200微米
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外延工艺---EPITAXY PROCESS
外延技术讲座
对于(111)晶体在与110定位面垂直的方向发生图形 漂移。
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外延工艺---EPITAXY PROCESS
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外延工艺---EPITAXY PROCESS
外延技术讲座
- 产生原因是外延的反应产物HCL，择优 腐蚀埋层边缘，使埋层图形产生位移。 - 危害性：使光刻无法对准，从而影响电 学特性。 - 关键：要知道漂移量，同时要控制各炉 子相同。
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外延工艺---EPITAXY PROCESS 外延技术讲座
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外延工艺---EPITAXY PROCESS 外延技术讲座
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 由质量输运限制的生长速率（存在边界层，溶质线性 梯度分布） （在低冷却速率的情况下）
D/
D：溶质有效分凝系数，：过饱和度，：平衡溶质浓 度，:晶体密度， ：边界层厚度。
如果溶质溶解度随湿度线性变化（800-950℃），同时， 冷却速率为常数C。 可以这样认为： = KC 其中K是比例常数，与冷却速率大小有关，那么生长速率：
冷却速率上升，生长速率趋于饱和。 在过冷生长条件下获得外延层的形态: (表面质量)
1）低冷却速率0.2℃/min，表面平整。 2）冷却速率↗0.5℃/min，有锡的类杂，组分过冷。 3）冷却速率↗↗7℃/min，表面形态强烈依赖下表面晶向。
二、等温生长动力学
在熔体过饱和时才能进行外延生长。 外延层厚度与过饱和的关系。
生长方式
稳态 （温度梯度 外延生长）
瞬态
特点
利用衬底（低温）与源 片（高温）之间溶液的 温度差造成的温度梯度 实现溶质的外延生长。
每次开始操作前不让衬 底与溶液接触。
优点
缺点
可生长组分均 厚度不均匀 匀的厚外延层。
生长0.1~几m 厚度比稳态法 的薄外延层。 的要均匀得多
瞬态LPE，溶液冷却方法： 平衡法、分步冷却法（突冷法）、过冷法、两相法
等温生长技术非常适用于薄层外延生长，因为表面微形 貌很好，厚层处延需较长的生长时间和高的过饱和度。
等温生长可获得平整的表面。
即使在较低的冷却速率下获得外延层，其表面形貌，多 多少少有波纹。
5.2 设备和实验方法
1．溶剂
锡（Sn），溶点低，重要的是，结合到硅中的锡，在硅 禁带内不引入浅能级或深复合中心，不影响电性能，锡 没有电活性，Ga．Al作为溶剂，成为重掺p型硅。
受表面动力学限制。
一、过冷生长动力学（逐步冷却，冷却速率恒定）
选择5种冷却速率： 0.2℃/min, 0.5℃/min, 0.75℃/min, 2.5℃/min, 7℃/min
0.2℃/min 0.5℃/min 0.75℃/min
对应每一冷却速率， 可得到一固定的生长速率。 生长速率随冷却速率增加而增加。 由什么限制？
斜率＝ a(CL Ce ) D
截距＝
D
（
C
－
L
C
）
e
K
CL:边界层外的固定浓度，
Ce:平衡浓度，
D：熔体中生长单元的扩散系数， K：表面反应常数。
：外延层密度
假设：停滞边界层；生长单元（硅原子）能穿过边界层， 并通过边界层和熔体的界面的一级反应，结合并进入外延层。 只要外延层的密度远大于熔体中溶质的浓度，只要生长速率 低，在分析中就可忽略边界层运动。
DK/C
薄膜厚度（Thickness）
Tt DKCt/
Ct 过冷度
可以看出：膜厚最终取决于过冷度，与冷却速度无关。 在较低的冷却速率下，表面动力学过程比质量输运过程 快，生长速率受质量输运限制。 生长速率为质量输运限制，冷却速率增大，C↑→↑ 生长速率为表面动力学限制（大冷却速率），与C无关。
图5-2 生长速率随冷 却速率的变化关系
硅液相外延生长：
• 通过降低熔体温度进行（过冷生长），（逐步过冷， 冷却速率℃/min）
• 熔体饱和后降低温度，使熔体呈过饱和，然后维持 恒定温度进行生长（等温生长）
溶液生长晶体的过程，可分为以下步骤：
1. 熔硅原子从熔体内以扩散、对流和强迫对流方式进行输
运。 2. 通过边界层的体扩散。
质量输运过程 (冷却速率相关)
生长温度949℃ 生长时间100min
过饱和度21℃ 生长温度919℃
图5-3 外延层厚度与(a)过饱和度(b)生长时间的线性关系
过饱和度以熔体饱和温度与生长温度差的形式给出， 因为在这个温度范围内，硅在锡中的溶解度与温度成 线性关系。因此，温度差直接表示过饱和度。
外延层厚度的增加与生长时间平方根成正比，与过饱 和度成正比。
5.1 液相外延生长的原理
溶于熔体中的硅淀积在硅单晶衬底上，并形成单晶薄膜。 实现淀积：在生长过程中溶于熔体中的硅是过饱和的。
熔体，也称熔剂，不是水、酒精等液体，而是低熔点金属的 熔体，在这里，硅外延用的熔体是锡，也可用镓、铝。
硅在熔体中的溶解度随温度变化而变化。 在以锡溶剂中，硅的溶解度随温度降低而减少。
3. 晶体表面吸附。
4. 从表面扩散到台阶。
5. 台阶吸附。
受表面动力学支配
6. 沿台阶扩散。
7. 在台阶的扭折处结合入晶体。
A 质量输运控制 表面动力学过程快于质量输运过程，生长速率将由
质量输运控制。通常液相外延生长都是在这种条件下进 行的。
B 表面动力学控制 质量输运速率过程快于表面动力学过程，生长速率
2.5℃/min 7℃/min
冷却速率↑， 而生长速率不再增加？ 由什么限制？
图5-1 外延层厚度与(a)生长时间和(b)过冷度的关系 ●0.2℃/min, ▲0.5℃/min, ■0.75℃/min, ○2.5℃/min, △7.0℃/min
•较高冷却速率，所有点都落在一条直线上。 •较低冷却速率生长，外延层厚度与过冷度成线性。（质量输运 限制） •所有冷却速率，外延层厚度与生长时间成正比。
第五章 硅液相外延
液相外延（Liquid Phase Epitaxy，LPE）
从过冷饱和溶液中析出固相物质并沉积在单晶衬底 上生成单晶薄膜
1963年，尼尔松发明，用于外延GaAs 物理理论基础：假设溶质在液态溶剂内的溶解度随温度 的降低而减少，那么当溶液饱和后再被冷却时，溶质会 析出。若有衬底与饱和溶液接触，那么溶质在适当条件 下可外延生长在衬底上。
（3）硅片清洗，HF。
（4）硅片在熔体上10min，温度一致，然后放入，初 始温度选定为950℃，如过冷生长，选用不同的冷却 速率；如等温生长，选用某一特定温度。
（5）先移去硅片，后停止冷却，以防回熔效应。
2．生长设备
图5-4 浸渍法LPE生长系统示意图
3. 生长步骤：
（1）充氢气，清洗石英托（硅片托），在H2中熔化熔体； （2）用厚硅片饱和熔体。 生长轻掺n型外延层，100cm掺磷硅片饱和熔体， 重掺p型外延层，0.01cm掺硼硅片饱和熔体， 饱和时轴在转动，直至硅片不溶解为止。
950℃，0.49g Si使Sn达到饱和，2％溶解度（每次生长后， 用相同方法补充硅，Sn可用50次外延生长）。