外延片的制备
第六章 外延片的制备
• 对于发生在衬底背面的蒸发效应，由于它 与加热基座直接接触，温度较高，蒸发将 更甚，这种蒸发效应在整个淀积过程中都 存在，特别在生长的后期，成为主要的蒸 发源。
• 杂质从衬底片正面和背面的蒸发，不仅发 生在生长期间，而且还发生在外延层正式 开始生长之前的热处理过程中，如等待升 温，气流稳定期间等，广义讲，这种蒸发 是由于对样品进行预烘焙引起的。
析出来的磷原子加入到硅晶体的晶格点阵，并离化 成带正电的施主离子，随着外延生长的进行继续向 衬底深处扩散。
2PH3 2P 3H2
4.5.3外延过程中的杂质再分布 掺入外延层中的杂质一般与衬底杂质不同， 即使相同，浓度也不一样。 同型杂质 异型杂质
硅外延工艺在高温下进行，因此杂质的再扩 散不可忽视。 一方面，由外部掺入到外延层中的杂质继续 向衬底深处扩散；另一方面，衬底中的杂质 又不断地向生长着的外延层扩散。总的扩散 浓度是它们各自扩散的共同结果。
fx U y dx
y 0
U0
dx （4-3）
式中负号表示内摩擦力沿着x轴负方向。根 据牛顿第二定律，该作用力引起微流体元 内动量的变化。由于流体的流动是连续的， 从ABC面流进来的流体必然全部要从CD面 流出。作为近似，动量的变化可以看作是 流体由BC面流入的结果。而单位时间内从 BC面流入的流体带入的动量为
4.5 外延中的掺杂及其杂质再分布 4.5.1 掺杂原理 外延层中的杂质原子是在外延生长时加入 到晶格点阵中去的。因而掺杂的动力学原 理和外延生长相似。最终的杂质浓度将涉 及反应剂和掺杂剂两者的化学动力学性质 以及温度，气流等多种因素。
4.5.2掺杂剂 • 氢化物: PH3， AsH3，B2H6 • 氯化物: POCl3，AsCl3 和硅外延生长相似，混合气氛中的掺杂剂通过扩散向 生长表面输运，在表面附近PH3被分解出游离态的磷 原子，化学反应方程式为
芯片外延片
芯片外延片芯片外延片是指将单晶片上的晶体生长到具有相同晶体结构和晶格参数的另一块衬底上的工艺。
外延片一般用于芯片制造中的薄膜生长和复合材料生长等工艺。
下面将从芯片外延片的制备原理、工艺流程和应用领域等方面进行详细介绍。
芯片外延片的制备原理主要包括三部分：晶体生长原理、晶体生长机制和晶体生长方法。
晶体生长原理是指通过高纯度的材料原料和先进的晶体生长技术，使晶体在合适的条件下从溶液或气相中生长出来，并在衬底上形成完整而有序的结晶体。
晶体生长机制是指晶体在生长过程中发生的物理和化学反应。
晶体生长机制主要包括表面扩散、溶质输运、原子或分子吸附、晶体核化和沉积等步骤。
晶体生长方法是指利用物理或化学手段控制晶体生长的方法。
晶体生长方法主要包括静态液相法、气相法和等离子体增强化学气相沉积等。
芯片外延片的制备工艺流程主要包括：材料准备、衬底处理、晶体生长、晶体切割和晶圆加工等。
材料准备是指对高纯度材料进行粉末或合金制备。
高纯度材料是芯片外延片制备的基础，材料的纯度和质量对晶体生长的质量有很大影响。
衬底处理是指对衬底进行去除表面氧化物和清洗等工艺。
衬底处理过程中需要保证衬底表面的平整度和清洁度，以利于晶体在生长过程中的附着和生长。
晶体生长是指将高纯度的材料溶液或气相在衬底上生长出晶体。
晶体生长的过程需要严格控制生长温度、压力和浓度等参数，以确保晶体的生长质量和结晶度。
晶体切割是指将生长好的晶体切割成薄片或晶圆的工艺。
晶体切割是外延片制备过程中的关键一步，切割的质量影响到晶体切片的平整度和表面质量。
晶圆加工是指对切割好的晶圆进行加工，如去除次表面损伤、平整表面和添布等。
晶圆加工是外延片制备过程中的最后一道工艺。
芯片外延片的应用领域主要包括电子、光电、光通信和半导体等。
通过外延片制备的晶体在这些领域中具有重要的应用价值，如在芯片制造中可用于制备高性能的电子器件和集成电路；在光电领域中可用于制备高光效和高亮度的发光二极管和激光器；在光通信领域中可用于制备高速传输的光纤和光学器件；在半导体领域中可用于制备高效能和高速度的晶体管和光伏器件等。
LED外延片生产工艺流程
LED外延片生产工艺流程首先是单晶制备。
LED外延片制备的起点是高纯度的单晶材料，通常采用的是蓝宝石基底。
首先将蓝宝石片放入高温炉中进行加热，之后再加入适量的金刚石微粉，通过物理或化学气相沉积的方法，使其在蓝宝石片上生长出具有一定晶格结构的单晶蓝宝石。
接下来是外延片生长。
外延片生长是指在蓝宝石片上生长出LED芯片所需要的材料层，通常采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术。
首先将所需的金属有机物与氢气进行混合，然后通过氢气扩散到蓝宝石基底上，使其在高温高压的环境下发生化学反应，从而使材料层逐渐增厚。
然后是切割。
切割是将外延片切割成多个小块的过程，每个小块即为一个LED芯片。
切割通常使用钢片或硬质合金切割盘进行，切割盘表面涂有金刚石颗粒。
外延片放在切割盘上，通过旋转切割盘快速切割，使外延片切割成小块。
切割后要注意去除切割盘表面的金属和外延片上的硅胶。
然后是抛光。
抛光是为了去除外延片表面的缺陷和提高光学性能。
首先将切割好的小块放在抛光机上，将外延片的表面与抛光盘的表面摩擦，使外延片的表面逐渐变平。
然后使用不同颗粒的抛光液进行多次抛光，直到外延片表面达到所需的平整度和光学性能。
最后是检测。
检测是为了保证外延片的质量和性能。
检测通常包括外观检测、电学性能测试和光学性能测试。
外观检测主要是检查外延片表面的缺陷和污染情况；电学性能测试主要是检测外延片的电阻、电容等电学性能指标；光学性能测试主要是检测外延片的发光效率、发光波长等光学性能指标。
综上所述，LED外延片生产工艺流程包括单晶制备、外延片生长、切割、抛光和检测等步骤。
这些步骤在完整的制造工艺中相互关联，每一步都至关重要，对于制造高质量的LED芯片至关重要。
外延片制作流程
外延片制作流程一、材料准备外延片制作的第一步是准备所需材料。
主要包括外延基片、外延源材料、衬底和外延设备。
1. 外延基片：外延基片是外延生长的基础，可以使用硅、蓝宝石、氮化镓等材料制成。
根据不同的应用需求，选择合适的外延基片材料。
2. 外延源材料：外延源材料是用于生长外延层的原材料，常见的有三五族和二六族元素化合物，如砷化镓、磷化铟等。
3. 衬底：衬底是放置外延基片的平台，通常使用石英玻璃等材料制成。
4. 外延设备：外延片制备需要专用的外延设备，如外延炉、真空系统、气体流量控制系统等。
二、制备外延基片制备外延基片是外延片制作的第二步。
主要包括外延基片清洗、去除杂质和表面处理等过程。
1. 外延基片清洗：将外延基片放入清洗槽中，使用有机溶剂、超纯水等清洗外延基片表面的杂质。
2. 去除杂质：通过化学腐蚀、机械抛光等方法去除外延基片表面的杂质，使其表面达到较高的平整度和纯净度。
3. 表面处理：通过化学气相沉积等方法，在外延基片表面形成一层薄膜，提高外延层与外延基片的附着力。
三、外延生长外延生长是外延片制作的核心步骤。
通过在外延基片上逐层沉积外延源材料，实现外延层的生长。
1. 外延炉预热：将外延基片放入外延炉中进行预热，使其达到适合生长外延层的温度。
2. 外延源材料供应：将外延源材料加热至蒸发温度，使其蒸发成气态，并通过气体流量控制系统将其输送到外延基片上。
3. 外延层生长：外延源材料在外延基片上逐层沉积，形成外延层。
通过控制外延源材料的供应量、温度和时间等参数，可以控制外延层的厚度和组分。
四、切割和加工外延生长完成后，需要将外延片切割成适当的尺寸，并进行后续的加工和测试。
1. 切割：使用切割工具将外延片切割成所需的尺寸，如方形、圆形等。
2. 加工：根据具体应用需求，对外延片进行后续加工，如光刻、腐蚀、电镀等，以形成最终的器件结构。
3. 测试：对加工后的外延片进行测试，如电学测试、光学测试等，以验证其性能和质量。
led外延片的主要工艺流程
led外延片的主要工艺流程LED外延片是LED芯片的重要组成部分，其质量和工艺直接影响LED芯片的性能和稳定性。
本文将重点介绍LED外延片的主要工艺流程，包括原料准备、衬底制备、外延生长、晶片切割等环节。
一、原料准备LED外延片的主要原料包括氮化镓片、掺杂气体和其他辅助材料。
首先需要对氮化镓片进行预处理，包括表面清洗、电化学抛光和化学机械抛光等工艺，以保证衬底表面的平整度和清洁度。
同时，需要对掺杂气体进行准备，以满足外延生长中对掺杂原子的需求。
此外，还需要准备其他辅助材料，如外延反应室、石英炉管、加热系统等设备。
二、衬底制备衬底制备是LED外延片制备的重要环节，包括表面处理和掺杂处理。
在表面处理过程中，需要采用化学气相沉积（CVD）等技术，对衬底表面进行原子级的处理，以消除缺陷和提高晶格完整性。
在掺杂处理过程中，需要向衬底中引入掺杂原子，以调节材料的导电性和发光性能。
三、外延生长外延生长是LED外延片制备的关键环节，主要包括氮化镓外延生长和掺杂外延生长两个过程。
在氮化镓外延生长过程中，需要将氮化镓晶体在高温环境下在衬底表面上沉积，形成外延层。
而在掺杂外延生长过程中，需要向外延层中引入掺杂原子，以调节LED芯片的电学特性。
四、晶片切割晶片切割是LED外延片制备的最后一道工艺环节，主要包括划线、切割和打磨三个步骤。
在划线过程中，需要在外延片表面进行划线，以确定晶片的大小和形状。
在切割过程中，需要使用磨刀将外延片切割成多个晶片。
而在打磨过程中，需要对切割后的晶片进行打磨，以去除切割产生的裂纹和瑕疵。
综上所述，LED外延片的制备主要包括原料准备、衬底制备、外延生长和晶片切割四个工艺环节。
这些工艺环节相互关联，相互作用，共同保障LED外延片的质量和性能。
通过不断优化工艺流程，提高生产技术水平，可以有效提高LED外延片的生产效率和质量稳定性，推动LED产业的健康发展。
《外延片的制备》课件
表面粗糙度控制
表面质量
外延片的表面粗糙度直接影响其光学 性能和表面态，需要对外延片的表面 粗糙度进行控制，以确保其性能的稳 定性和可靠性。
控制手段
采用化学气相沉积、物理气相沉积等 手段控制外延片的表面粗糙度，同时 采用原子力显微镜等手段对外延片的 表面粗糙度进行检测和监控。
外延片制备中的问
05
题与对策
气相输运沉积
源材料选择
选择合适的源材料，确保其纯度高、稳定性好，能够满足外延片的 质量要求。
气相输运
利用气体将源材料输运至沉积区域，控制输运速度和浓度，确保外 延层的厚度和质量。
外延生长
在衬底上诱导外延生长，控制生长温度、压强、时间等参数，确保外 延片晶体结构完整、晶体质量高。
退火处理
退火温度控制
表面修饰
根据需要对外延片表面进行修饰，如氧化、氢化、氮化等，以提高 其表面性能和稳定性。
表面检查
对外延片表面进行质量检查，确保其表面质量符合要求，无缺陷、 无损伤。
外延片质量控制
04
缺陷控制
表面缺陷
外延片表面应光滑、无 划痕、无气泡等缺陷， 确保外延片的质量和可 靠性。
内部缺陷
外延片内部应无位错、 层错等缺陷，这些缺陷 会影响外延片的电学性 能和可靠性。
02
外延片生长过程中，需要控制温 度、压力、气体流量等参数，以 确保晶体生长的质量和稳定性。
外延片应用领域
01
02
03
电子器件制造
外延片广泛应用于制造电 子器件，如集成电路、晶 体管、太阳能电池等。
光学器件制造
外延片在制造光学器件方 面也具有广泛应用，如激 光器、光放大器、光电器 件等。
传感器制造
LED外延片工艺流程
LED外延片工艺流程：LED外延片工艺流程如下：衬底- 结构设计- 缓冲层生长- N型GaN层生长- 多量子阱发光层生- P型GaN层生长- 退火- 检测（光荧光、X射线）- 外延片外延片- 设计、加工掩模版- 光刻- 离子刻蚀- N型电极（镀膜、退火、刻蚀）- P型电极（镀膜、退火、刻蚀）- 划片- 芯片分检、分级具体介绍如下：固定：将单晶硅棒固定在加工台上。
切片：将单晶硅棒切成具有精确几何尺寸的薄硅片。
此过程中产生的硅粉采用水淋，产生废水和硅渣。
退火：双工位热氧化炉经氮气吹扫后，用红外加热至300~500℃，硅片表面和氧气发生反应，使硅片表面形成二氧化硅保护层。
倒角：将退火的硅片进行修整成圆弧形，防止硅片边缘破裂及晶格缺陷产生，增加磊晶层及光阻层的平坦度。
此过程中产生的硅粉采用水淋，产生废水和硅渣。
分档检测：为保证硅片的规格和质量，对其进行检测。
此处会产生废品。
研磨：用磨片剂除去切片和轮磨所造的锯痕及表面损伤层，有效改善单晶硅片的曲度、平坦度与平行度，达到一个抛光过程可以处理的规格。
此过程产生废磨片剂。
清洗：通过有机溶剂的溶解作用，结合超声波清洗技术去除硅片表面的有机杂质。
此工序产生有机废气和废有机溶剂。
RCA清洗：通过多道清洗去除硅片表面的颗粒物质和金属离子。
具体工艺流程如下：SPM清洗：用H2SO4溶液和H2O2溶液按比例配成SPM溶液，SPM溶液具有很强的氧化能力，可将金属氧化后溶于清洗液，并将有机污染物氧化成CO2和H2O。
用SPM清洗硅片可去除硅片表面的有机污物和部分金属。
此工序会产生硫酸雾和废硫酸。
DHF清洗：用一定浓度的氢氟酸去除硅片表面的自然氧化膜，而附着在自然氧化膜上的金属也被溶解到清洗液中，同时DHF抑制了氧化膜的形成。
此过程产生氟化氢和废氢氟酸。
APM清洗：APM溶液由一定比例的NH4OH溶液、H2O2溶液组成，硅片表面由于H2O2氧化作用生成氧化膜（约6nm呈亲水性），该氧化膜又被NH4OH腐蚀，腐蚀后立即又发生氧化，氧化和腐蚀反复进行，因此附着在硅片表面的颗粒和金属也随腐蚀层而落入清洗液内。
制作LED外延片的主要方法
MQW LED 结构图
年代 1965 1968 1971 80年代 发光颜色 红 橙、黄 绿 红 材料 Ge 发光效率lm/w 0.1 1 1 10
发光效率 lm/w 12.5 55
GaAsP GaP AlGaAs
90年代初
红、黄
蓝、绿 蓝
GaAlInP
GaInN
GaN
100
50 200
90年代
90年代
可见光LED的发展史
光输出 N-AIyGa1-yAs P- GaAs
反型异质结
同型异质结
P-AIxGa1-xAs
双异质结半导体发光二极管的结构示意图
LED在内部结构上有和半导体二极管相似的P区和N区，相交界面形成PN结。 LED的电流大小是由加在二极管两端的电压大小来控制的。 LED是利用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光的，是自发辐射发光， 发射的是非相干光。
LED芯片的发光原理
光子与电子基本上具有三种交互方式：吸收，自发放射及激发放射。 原子的两能级E1和E2，E1代表基态，E2代表第一激发态。 在E1基态的原子吸收光子后跃迁至激发态E2，此能态的改变为吸收； 激发态原子非常不稳定，经过很短的时间，不需任何外力下会跳回基态而释放 出光子，此程序为自发放射； 当光子照射在激发态原子上，该原子被激发跃回基态而放出与照射原子同相释 放光子，此程序称为激发放射。
LED PN结的电性质
碳化硅外延片制备技术
碳化硅外延片制备技术碳化硅外延片制备技术1、前言碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上，必须在导通型单晶衬底上额外生长高质量的外延材料，并在外延层上制造各类器件。
碳化硅一般采用PVT方法，温度高达2000多度，且加工周期比较长，产出比较低，因而碳化硅衬底的成本是非常高的。
碳化硅外延过程和硅基本上差不多，在温度设计以及设备的结构设计不太一样。
在器件制备方面，由于材料的特殊性，器件过程的加工和硅不同的是，采用了高温的工艺，包括高温离子注入、高温氧化以及高温退火工艺。
外延工艺是整个产业中的一种非常关键的工艺，由于现在所有的器件基本上都是在外延上实现，所以外延的质量对器件的性能是影响是非常大的，但是外延的质量它又受到晶体和衬底加工的影响，处在一个产业的中间环节，对产业的发展起到非常关键的作用。
2、碳化硅外延片参数碳化硅外延材料的最基本的参数，也是最关键的参数，就右下角黄色的这一块，它的厚度和掺杂浓度均匀性。
我们所讲外延的参数其实主要取决于器件的设计，比如说根据器件的电压档级的不同，外延的参数也不同。
一般低压在600伏，我们需要的外延的厚度可能就是6个μm左右，中压1200~1700，我们需要的厚度就是10~15个μm。
高压的话1万伏以上，可能就需要100个μm以上。
所以随着电压能力的增加，外延厚度随之增加，高质量外延片的制备也就非常难，尤其在高压领域，尤其重要的就是缺陷的控制，其实也是非常大的一个挑战。
3、碳化硅外延片制备技术（1）碳化硅外延两大主要技术发展1）1980年提出的台阶流生长模型，此对外延的发展、对外延的质量都起到了非常重要的作用。
它的出现首先是生长温度，可以在相对低的温度下实现生长，同时对于我们功率器件感兴趣的4H晶型来说，可以实现非常稳定的控制。
2）引入TCS，实现生长速率的提升，引入TCS可以实现生长速率达到传统的生长速率10倍以上，它的引入不光是生产速率得到提升，同时也是质量得到大大的控制，尤其是对于硅滴的控制，所以说对于厚膜外延生长来说是非常有利的。
高效率砷化镓太阳电池外延片
高效率砷化镓太阳电池外延片砷化镓太阳电池是一种高效率的光电转换器件，其外延片是制造该太阳电池的关键组成部分。
本文将从外延片的制备工艺、材料特性以及性能优势等方面进行详细介绍。
一、砷化镓太阳电池外延片的制备工艺外延片是通过在衬底上沉积多层材料来制备的。
首先，选择合适的衬底材料，常用的有砷化镓衬底和硅衬底。
然后，在衬底上进行外延生长，通常采用金属有机气相外延（MOVPE）技术。
在生长过程中，通过控制各种生长参数，如温度、气压、气体流量等，可以实现晶格匹配和优质薄膜的生长。
最后，通过切割和抛光等工艺步骤得到所需尺寸和平整度的外延片。
二、砷化镓太阳电池外延片的材料特性砷化镓太阳电池外延片具有一系列优异的材料特性。
首先，砷化镓具有优良的光电转换性能，其能带结构和禁带宽度使其能够高效吸收太阳光谱中的能量。
其次，砷化镓具有较高的载流子迁移率和较低的载流子复合率，这有助于提高太阳电池的光电转换效率。
此外，砷化镓还具有较高的热导率和较低的热膨胀系数，使其在高温环境下有更好的稳定性。
三、砷化镓太阳电池外延片的性能优势砷化镓太阳电池外延片相比其他材料的太阳电池具有一些明显的性能优势。
首先，砷化镓太阳电池具有较高的光电转换效率，目前已经达到了40%以上。
其次，砷化镓太阳电池具有较高的稳定性，能够在高温环境下长时间稳定工作。
此外，砷化镓太阳电池还具有较低的电压漂移和较小的温度系数，这有助于提高电池的工作稳定性和可靠性。
四、砷化镓太阳电池外延片的应用前景砷化镓太阳电池外延片在光伏领域具有广阔的应用前景。
首先，砷化镓太阳电池可以作为高效率太阳能电池组件，广泛应用于光伏发电系统中，提供清洁可再生能源。
其次，砷化镓太阳电池还可以应用于航空航天领域，用于无人机、卫星等高空飞行器的能源供应。
此外，砷化镓太阳电池还可以应用于光伏建筑一体化领域，将太阳能电池融入建筑材料中，实现建筑物的自给自足。
砷化镓太阳电池外延片是制造高效率太阳电池的重要组成部分。
产氮化镓外延片
产氮化镓外延片产氮化镓外延片是一种在半导体领域具有重要应用前景的材料。
氮化镓是一种宽禁带半导体材料，具有优异的电学和光学性质，被广泛应用于光电子器件、高功率电子器件和光电子集成电路等领域。
让我们来了解一下产氮化镓外延片的制备方法。
产氮化镓外延片的制备主要通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术进行。
MOCVD是一种将金属有机化合物和氮化氢气体在高温下反应生成氮化镓的方法。
通过控制沉积温度、气体流量和反应时间等参数，可以实现对外延片厚度、杂质掺杂和晶体质量的控制。
此外，还可以通过控制外延片的生长方向和晶格匹配等参数来调节外延片的性能。
产氮化镓外延片具有许多优异的特性。
首先，它具有较大的禁带宽度，使得产氮化镓外延片在高温和高功率工作环境下具有良好的稳定性和可靠性。
其次，产氮化镓外延片具有优异的电子迁移率和较高的饱和漂移速度，使得它在高频电子器件中具有较高的工作频率和传输速度。
此外，产氮化镓外延片还具有较高的光吸收系数和较高的光致发光效率，使得它在光电子器件和光通信领域具有广泛的应用前景。
产氮化镓外延片在光电子器件领域有着广泛的应用。
例如，在LED 领域，产氮化镓外延片被用作LED芯片的基底材料，具有较高的发光效率和较长的寿命。
此外，在激光器领域，产氮化镓外延片也被用作激光器的活性层材料，具有较高的光电转换效率和较短的激光脉冲宽度。
此外，产氮化镓外延片还可以用于太阳能电池、光传感器和光通信器件等领域。
除了在光电子器件领域，产氮化镓外延片还在高功率电子器件领域有着广泛的应用。
由于产氮化镓外延片具有较高的电子迁移率和较高的饱和漂移速度，使得它在高功率场效应晶体管（HEMT）和高电压二极管等器件中具有较低的电阻和较高的开关速度。
此外，产氮化镓外延片还具有较高的热导率和较低的热阻，使得它在高功率电子器件中具有较好的散热性能。
产氮化镓外延片作为一种具有优异电学和光学性质的材料，在光电子器件和高功率电子器件领域有着广泛的应用前景。
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流体流动时，在单位面积上产生的内应力
与速度在垂直方向上的变化率成正比，即
U
y
（4-2）
称为粘滞系数。在滞流层内距原点x处取
一垂直于基座表面的微流体元ABCD，它在
垂直于纸面方向上有一个单位长度。忽略
压力沿x方向的损失，则该微流体元沿x方
向只受到粘性内摩擦力的作用。BC面的内
摩擦力为零，而AD面的内摩擦力为
4.2.2生长动力学
假设：反应器空间和基座的几何尺度比较起来可 视为无限大，且温度均匀。既可以忽略反应器壁 的边界效应，又可以认为反应室内气体的性质 （如密度、扩散系数等）处处是一样的。
速度附面层：在接近基座表面的一薄层流体中， 速度有较大的变化，把这个速度分布受到扰动的 区域称为速度附面层
自由流体：速度附面层区域以外的流体
NG
NG0 NGS
N
y,0
y N
（4-7）
根据扩散理论，输运到外延层表面的反应剂
粒子流密度为 j1
DG
N G y
y 0
（4-8）
式中 DG 为反应剂在氢气中的扩散系数，结合
（4-7）式，得
j1
DG
N
(NGO
NGS )
hG (NGO
NGS )
（4-9）
式中 hG DG / N 称为气相质量转移系数，它 具有速度的量纲
• 另一方面，在生长层界面上进行化学反应 所消耗的粒子流密度为
j2 kS NGS
（4-10）
kS 是表面化学反应速率常数。在稳定状态下
j1 j2 j
（4-11）
根据 v j / Nsi
Nsi 为硅晶体的原子密度
在气体 —生长层界面上的反应剂浓度和外延生长速
率为：
NGS
NG0 1 ks hG
fx
U
y
dx
U0
dx （4-3）
y 0
式中负号表示内摩擦力沿着x轴负方向。根 据牛顿第二定律，该作用力引起微流体元 内动量的变化。由于流体的流动是连续的， 从ABC面流进来的流体必然全部要从CD面 流出。作为近似，动量的变化可以看作是 流体由BC面流入的结果。而单位时间内从 BC面流入的流体带入的动量为
在开管外延中，系统维持在较高的常压 （0.1MPa）状态，俗称常压外延。吸附和解吸的 速度相当快，因此，混合气氛中各组分在样品表 面的吸附状况可看作一定。这时，外延层的生长 速率将主要取决于质量传输和表面化学反应。
在低于一个大气压系统中进行的外延生长，称 为低压外延。在这种情况下生长速率主要受混合 气氛中各组分在样品表面的吸附及其表面化学反 应控制。
硅外延反应器
4.2.1 一般过程 H2还原SiCl4法的化学反应式为：
SiCl4 2H2 1000 CSi 4HCl
在生长表面得到游离态的Si原子，析出的Si原子 在高温下携带大量的热能，便沿着表面滑动（扩 散） 到适当位置，按照一定的晶向加接到晶格点 阵上，并释放能量，固定成为晶格点阵的新成员。
滞流层：因附面层里流体的速度滞慢于其外面的 自由流体，故常将速度附面层称为滞流层
从附面层到其外流动区域速度的分布是连续变化
的，如图，通常把附面层的厚度 规定为：在该 处的流速已到达自由流体流速U0 的99%，其中U
表示流体的流速。
微流体元及速度分布
滞留层里气体流速分布可表示为：
U U0 y 0 y （4-1）
• 外延生长包括下列连续步骤：
1.反应剂质量从气相转移到生长层表面 2.反应剂分子被吸附在生长层表面 3.在生长层表面进行化学反应，得到Si原子和其他
副产物
4.副产物分子脱离生长层表面的吸附 5.解吸的副产物从生长表面转移到气相，随主流气
体逸出反应室
6. Si原子加接到晶格点阵上 其中1和5为物理扩散过程，2和4为吸附和解吸过 程，3为表面化学反应过程
间就可以变成硅，因此表面上的反应剂几乎为零， 外延生长速率主要取决于反应剂由气相转移到生 长表面的快慢，所以
NGS 0
v
hG
NGO N Si
4.3 影响外延生长速率的因数
• 反应剂浓度:为兼顾结晶的完美性和其他要求，反 应剂浓度不宜太大。
在较小的反应剂浓度 范围内，生长速率和 反应剂浓度成正比， 但由于反应生成氯化物 如HCL的腐蚀作用逐渐 显著起来，使得生长速 率并不能按比例增加， 而是趋于 饱和，然后下降 ，一旦浓度超过某一值， 腐蚀占了主导地位， 会出现与生长相反的过程， 衬底表面被剥离。
式中 ReL U0L /
L U 0
L （4-6）
ReL
称为平板雷诺数，是一个无量纲数，用它可以 判断流体的运动状态
仿照速度附面层，引入质量附面层的概念。 在质量附面层内浓度有较大的变化，其厚 度可以表示为δN
设气体内部和生长表面的反应剂浓度分别为
NG0, NGS 假定在质量附面层里反应剂浓度也 呈线性分布即
同质外延：生长的外延层与衬底材料相同 异质外延：外延层在结构、性质上与衬底材料不
同 外延分类:气相外延(VPE)－－常用
液相外延(LPE)－－ⅢⅤ 固相外延(SPE)－－熔融再结晶 分子束外延(MBE)－－超薄
4.2外延生长动力学原理
外延时，通入含有一定硅源的氢气流，并流经被 高频感应加热的硅片表面，当条件适当时便会在其 上外延成膜.
• 温度：B区高温区（常选用），A区低温区
较高温度下，速率与温度的关系不明显。较低温度下，速 率随绝对温度的增加呈指数急增。
• 气体流速 :气体流速大生长加快
流量较小时，生长速率与流量的平方根成正比
U0
x
• 生长速率还与反应腔横截面形状和衬底取向有 关。由下图可知，圆形管沿基座横向，外延层 厚度是中间厚、两边薄；矩形腔的均匀性较圆 形腔好。
v
k s hG ks hG
NGO N Si
4.2.3生长速率讨论
• 表面反应控制
当 hG ks 时，化学反应进行得慢，反应剂可
以充分供给，因此在附面层中反应剂浓度几乎是 分布均匀的；外延生长速率主要取决于表面化学 反应进行得快慢，所以
NGS NG0
v
ks
NGO N Si
• 质量转移控制
当行得hG相当快ks，凡时是，转在移外到延表层面表上面的上反的应化剂学分反子应瞬进
M
U
2 0
d
质量×速度
（4-4）
• 该动量全部用在克服内摩擦力上，故有
fx M
将式（4-3）和（4-4）带入上式，得到 dx d 等式两边积分，并取
U 0
x 0; 0
x 2x
U 0
（4-5）
这就是滞流层厚度的近似表达式，由此可求出平
均滞流层厚为
1 L
L
0
xdx
22 3
L U 0