[半导体材料][课后答案全][已合并]

7. *经过多次区熔提纯后,杂质分布状态达到一个相对稳定且不再改变的状态, 这种极限状态叫极限分布,也叫最终分布。
8. 在熔化界面，锭料的熔化带入新的杂质，并从熔化界面向凝固界面运动，与 分凝出来的杂质运动方向相反，称为*杂质倒流。
9. 影响杂质浓度极限分布的主要因素是杂质的分凝系数和熔区长度。
10. 对不同K值（K<1）的杂质，K值越小，极限分布时头部杂质浓度越小；熔区 长度越小，极限分布时CS越小。
②通常在气相和溶液中生长晶体时，质量输运起重要作用。在熔体中生长主 要是热量的输运问题。
③在晶体稳定生长时，它的必要条件是在生长的固-液界面上保持热平衡。 ④若要使生长速度尽可能的大，则要求（dT/dZ）S 越大越好，（dT/dZ）L 越
小越好。
14、对流花样的主要特点： 答：①热对流，如坩埚内自然对流，沿坩埚壁上升，在表面中心下降。 ②坩埚旋转引起强迫对流。
（4）Z 为常数时，如 h>0，
随 r 增加而减小；h<0 时，则相反。
8、写出正常情况下（不发生组分过冷）直拉单晶中生长个阶段界面形状的变化。 答：在引晶、放肩阶段，凸向熔体；到等径生长过程中，界面逐渐由凸向熔 体过渡到平坦，再过渡到凹向熔体。
9、*写出直拉单晶生长工艺过程。 答：原料及器具的清洁处理→装炉→通冷却水→抽真空（或通保护气）→加 热溶化→单晶生长→降温出炉→性能测试。
3、 讨论 CZ 法中影响单晶纵向电阻率均匀性的因素及其控制办法。 答：影响直拉单晶电阻率的因素有：杂质的分凝、蒸发、沾污等。对于 K<1 的杂质，分凝会使单晶尾部电阻率降低；而蒸发正好相反，会使单晶尾 部电阻率升高。沾污使 N 型单晶尾部电阻率增高，P 型相反。 *控制方法：①变速拉晶法。出发点是 CS=KCL。若在晶体生长初期用较大 的拉速，随后随着晶体的生长而不断减小拉速，保持 CL 与 Keff 乘积不变， 这样拉出来的单晶纵向电阻率就均匀了。②双坩埚法。
5. 根据相图讨论：
图一是能使材料熔点下降的杂质，K0<1，区熔提纯时杂质向尾部集中； 图二使材料熔点上升的杂质，K0>1，区熔提纯时杂质向头部集中； 图三K0≈1，区熔时基本上不改变原有分布状态。
6. *由于存在分凝现象，正常凝固后锭条中杂质分布不均匀： ①对于K<1的杂质，浓度越接近尾部越大，向尾部集中； ②对于K>1的杂质，浓度越接近头部越大，向头部集中； ③对于K≈1的杂质，基本保持原有的均匀分布方式。
分布异常的现象叫小平面效应。
②杂质（生长）条纹：在晶体生长的过程中，由于各种外界因素导致晶体生
长速率的的微起伏，造成晶体中杂质浓度的起伏，晶体的电阻率、载流子
寿命及其他物理性能在纵、径向出现周期性起伏，在用化学腐蚀时表现出
宽窄不一的条纹称为杂质条纹。
③旋转性条纹：在晶体转轴与温场轴不重合时，不同时刻所生长的晶体中杂
11. 从极限分布角度来看，区熔长度l→小好。
12. *区熔提纯: 利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长 从一端缓慢地移动到另一端，重复多次（多次区熔）使杂质被集中在尾部或 头部，进而达到使中部材料被提纯。
第三章、晶体生长
一、 名次解释： ⑴均匀成核：在亚稳定相中空间个点出现稳定相的几率相等的成核过程，是在体
质浓度是不相同的，这样形成的条纹叫旋转性条纹。
④*中子嬗变掺杂：通常是由
三种同位素组成。将高纯区熔硅
单晶放入原子反应堆中进行中子辐照，使
起施主作用进
行掺杂，wenku.baidu.com为中子嬗变掺杂（*NTD）
④漩涡缺陷：无位错单晶在生长方向的横断面经希特尔腐蚀液腐蚀后，所观
察到的呈漩涡状分布的宏观缺陷花纹，俗称漩涡缺陷。
⑤热施主效应：在硅单晶中，由于含有氧杂质，在对其进行热处理时，Si 与
第一章硅、锗的化学制备
㈠ 比较三氯氢硅氢还原法和硅烷法制备高纯硅的优缺点?
答：1.SiHCl3氢还原法: 优点: 产量大、质量高、成本低，由于SiHCl3中有一个Si-H键，活泼易分 解，沸点低，容易制备、提纯和还原。 缺点：B、P杂质较难去除（基硼、基磷量），这是影响硅电学性能的主要 杂质。
2.硅烷法： 优点: 杂质含量小；无设备腐蚀；不使用还原剂；便于生长外延层。 缺点: 制备过程的安全性要求高。
6、写出熔体生长的界面热流连续方程并讨论晶体直径、生长速度及晶体散热和 对熔体供热之间的关系，说明实际生产中如何控制晶体直径。 答：界面*热流连续方程： 见肖祥作业。
7、熔体生长的晶体中温度分布规律。 答：晶体中的温度分布规律由 Brice 简化模型给出。 （1）温度分布 Z 轴对称； （2）r 为常数时，晶体中温度随 Z 增大而按指数关系降低； （3）h>0，即环境冷却晶体时，温度随 r 增大而降低，此时晶体中的等温 线是凹向熔体的。当 h<0，即环境给晶体热量时，温度随 r 增大而升 高，此时晶体中的等温线是凸向熔体的。
15、*在晶体生长过程中，为了保持单晶等径生长，控制的主要参数是拉速和加 热功率。提高拉速、加热功率则晶体变细；反之则晶体变粗。
16、直拉工艺：缩颈的目的：*消除位错。收颈时：温度应控制在-*尽量能观察 到整个光圈
17、*消除自然对流不良影响的几种方法： （1）减小纵向温度梯度 dT/dZ； （2）选择合适的 h/d 比值，熔体中加挡板； （3）用强迫对流和加磁场来控制自然对流； （4）在失重状态下生长晶体。
第四章、硅中有害杂质
1、 概念解释：
①*小平面效应：晶体生长的固液界面，由于受坩埚中熔体等温线的限制，常
常是弯曲的。如果在晶体生长时迅速提起晶体，则在<111>锗、硅单晶的固
液界面会出现一小片平整的平面，它是(111)原子密排面，称之为小平面。
在小平面区杂质浓度与非小平面区有很大差异，这种杂质在小平面区域中
系中直接形成的自发过程。 ⑵*非均匀成核：稳定相优先出现在体系中的某些局部区域的成核过程，如在体
系中的外来质点（尘埃、籽晶、衬底等）上的成核。 ⑶成核过程：在一定的驱动力下，借助于能量涨落越过位垒而形成晶核的过程。 ⑷临界半径：在晶体成核过程中，体系自由能总的变化量ΔG 达到最大时所对应
的半径 r*称为临界半径。 ⑸*自然对流：在重力场中由于温度的不均匀，导致热膨胀的差异从而引起流体
㈡ 制得的高纯多晶硅的纯度：残留的B、P含量表示（基硼、基磷量）。
㈢*精馏提纯：利用混合液中各组分的沸点不同来达到分离各组分的目的。
第二章、区熔提纯
1. 以二元相图为例说明什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系数？
答：如图是一个二元相图，在一个系统中，当系统的温度为T0时，系统中有 固相和液相。由图中可知，固相中杂志含量Cs<CL（液相中杂志成分）。 1、 这种含有杂志的晶态物质熔化后再结晶时，杂志在结晶的固体和未 结晶的液体中浓度不同的现象叫做*分凝现象。 2、 在一定温度下，平衡状态时，杂质在固液两相中浓度的比值K0=CS/CL 叫作平衡分凝系数。 3、 为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离对固相中的杂质浓度的影响， 把固相杂质浓度CS与熔体内部的杂质浓度CL0的比值定义为*有效分凝 系数。Keff=CS/CL0
3. *分别写出正常凝固过程、一次区熔过程锭条中杂质浓度Cs公式，说明各个物 理量的含义。 答：正常凝固过程：
一次区熔过程： 式中：K为Cs与熔体中平均杂质浓度的比值；C0为原样品中杂质的平均浓
度；l为区熔过程中的熔区长度。
4. 说明为什么*实际区熔是，最初几次要选择大熔区后几次用小熔区的工艺条 件。 (*在Ge、Si的区熔过程中，怎样选择区熔长度，为什么？) 答：①因为实际区熔过程中，最初几次杂质分布曲线不太陡，杂质倒流现象 几乎可以忽略，K<1的杂质被固相排出到熔区中，熔区长度l较大时， 大熔区中均匀杂质浓度CL变化不大，CS也不太增加，所以提纯效果好。 ②后几次区熔提纯时，由于体系接近极限分布状态，熔区l大，会造成杂 质严重倒流，使CL变大，CS也变大不利于提高纯度。
4、写出杰克逊因子的表达式并指出各参数的物理意义。 答：*杰克逊因子（相变熵）：α=L0/kTE ·y1/ν 第一因子：L0/kTE，它取决于体系的热力学性质，L0 为单个原子相变时内 能的改变，可近似的看成相变潜热，L0/TE 为单个原子的相变 熵。 第二因子：y1/ν，取决于晶体结构和晶界的取向，v 为晶体内部一个原 子的近邻原子数，y1 为原子在界面内水平方向的近邻原子数。
此因子叫作取向因子，反应出晶体的各向异性。 5、写出熔体生长时单晶炉内热场的基本要求并作出解释（合理热场的基本条件）。
答：必须使熔体的任何部分都高于其熔点。 熔体纵向温度梯度(dT/dZ)L＞0，径向温度梯度(dT/dr)L＞0，而其他部分 处于过热状态，不能产生相转变。晶体中的温度梯度(dT/dz)s＜0 ，且大 小相当，既能使晶体生长时放出的相变潜热顺利地从界面传递走，又不要 因温度梯度（绝对值）过大而影响晶体的完整性。
O 之间发生一系列反应，在 450C°时 SiO 以最快的速度形成 SiO4，SiO4 是
一个正电中心，可以束缚一个电子，在室温下受热激发而使它电离出来参
与导电，SiO4 起施主作用，此种效应称为热施主效应。
⑥吸杂工艺：通过机械化学处理方法，在硅片的非电活性区引入缺陷，在热
处理时一些重金属杂质会 扩散并淀积在这些缺陷处，从而减少了这些有害
12、α与生长系统： 答：α值将材料分类：①α＞2：光滑面，如气相生长、溶液生长、氧化物 熔体生长；②α＜2：为粗糙面，如金属熔体生长；③α介于氧化物和 金属之间，为半导体材料。如 Si，取向因子 y1/v 起决定性作用。如对 于密排面（111），其取向因子=3/4 最大，α大于 2，可为光滑面。
13、①熔体的晶体生长要求生长材料在熔点附近性能稳定，不发生分解、升华和 相变。
杂质对器件工作区的影响，改善了器件的性能，这种工艺叫吸杂工艺。
2、 简述 CZ 法中杂质掺入办法及其选择依据。 答：对于不易挥发的杂质如硼，可采用共熔法掺入，即把掺入元素或母合金 与原料一起放在坩埚中熔化；对于易挥发的杂质，如砷、锑等，则放在 掺杂勺中，待材料熔化后，在拉晶前再投放到熔体中，并需冲入氩气抑 制杂质挥发。（掺入杂质的方法—共熔法和投杂法）
2. 推导BPS公式，说明各个物理量的含义并讨论影响分凝系数的因素。 答：*BPS公式推导：书P21~P23 式中：K0为平衡分凝系数；Keff为有效分凝系数；f为固液相面的的移动 速度；δ为扩散层厚度；D为扩散系数。 影响分凝系数的因素： ①当f 远大于D/δ时, fD/δ→+∞,exp(-fD/δ) →0,Keff→1, 即固液中杂质浓度差不多.分凝效果不明显。 ②当f 远小于D/δ时, fD/δ→0,exp(-fD/δ) →1,Keff→K0,分 凝效果明显。 ③扩散层厚度和扩散系数，D/δ越小，分凝结果越差。
密度的差异产生浮力。当浮力克服了粘滞力，自然对流就发生。。 ⑹强迫对流：人为对熔体进行搅拌（晶体和坩埚旋转、磁场）造成的对流，由离
心力、向心力最终由表面张力的梯度驱动。
2、*分别写出均匀成核与非均匀成核的临界晶核半径、形核功并说明为什么通常 非均匀成核比均匀成核要容易？ 答：
3、*简述 Kossel 模型和 Frank 模型要点。 答：⑴Kossel 模型要点：在晶格上的不同位置，吸附原子的稳定性是不同的， 和吸附原子与晶体表面上最近邻、次近邻原子间相互作用情况有关。晶 体表面不同格点位置所受的吸引力是不相同的。(*完整突变光滑面) ⑵*Frank 模型要点：在生长晶面上，螺旋位错露头点可作为晶体生长的 台阶源（自然二维晶核），当生长基元（原子或分子）扩散到台阶处，台 阶便向前推进，晶体就生长了。（*非完整突变光滑面）
10、三种晶体生长方式必须满足的热力学条件： 答：在气-固相变过程时 p1>p0；在溶液中生长晶体时 C1>C0，即有一定的过 饱和度；在熔体中生长晶体时，△T<0，即有一定过冷度时，其自由能变化
△G，△gv 为负，才能自发进行。
11、ƒ(θ)与接触角θ的关系： 答：从熔体中拉单晶或同质外延时，籽晶或衬底与生长物质为同一物质，所 以θ=0，ƒ(θ)=0，△G 非均*=0，这种情况说明不需要三维成核，流体可 直接转变成晶体。（θ=180，ƒ(θ)=1，△G 非均*=△G 均*，说明杂质对成 核没有贡献）