拉晶工艺相关知识

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EDP
EA
0.54 0.35
ED Ev
Si中深能级杂质Au的复合中心作用
掺杂剂的选择
电学性质：原子半径、核外电子结构 尽量选择与锗、硅原子半径近似的杂 质元素作为掺杂剂，以保证晶体生长 的完整性 N型掺杂：V族 P型掺杂：III族
物理化学性质：固溶度、蒸发系数、 分凝系数、扩散系数
杂质原子半径越大，特征原子构型与锗、硅 的越不同，它们在锗、硅中的固溶度越小。 III，V族在锗，硅中固溶度大
杂质条纹
晶体性能与杂质浓度的起伏 杂质浓度起伏的原因 生长速度与生长层形态
锗晶体中测得的电学性能起伏与溶质浓度起伏
生长层的空间形态
生长层定义
生长层：晶体内溶质浓度交替变化的晶体薄 层。生长层的形状和固液界面的形状相同， 厚度等于一个周期内的界面位移。 生长层的连续排列就组成了生长条纹。 纵截面、横截面的条纹形状 凸界面 凹界面 平坦界面
纵向电阻率均匀性的控制
影响因素：分凝、蒸发、坩埚污染 变速拉晶 从分凝作用考虑 从蒸发作用考虑 稀释溶质 双坩埚及连续送料CZ技术
径向电阻率均匀性的控制
影响因素：固液界面的平坦度、小平面效应 固液界面的影响 生长速率不变时，生长过程中固液界面的变化 小平面效应 调平固液界面的方法 组分过冷
影响生长速率的因素
机械振动 –间歇式条纹 加热功率或热量损耗起伏（水冷，气流 状况，环境温度起伏） 液流不稳定 晶体生长的热场不对称，晶体转轴和热 场对称轴不同轴—旋转性条纹
晶体转轴和热场对称轴不同轴
轴向生长速率的起伏 径向生长速率的起伏
讨论：生长速度起伏的影响因素
α＞1时，晶体有回熔 ΔT越大， ΔV越大 ΔT 与d、r 关系
与杂质有关的几个概念
杂质来源 杂质类型 施主杂质 受主杂质 电中性杂质 杂质位置 杂质能级 浅能级杂质 深能级杂质
深能级杂质金在锗中的能级及杂质补偿
当锗中有N型浅施主杂质时 当锗中有P型浅受主杂质时
0.13 EDAs
0.01 EAGa
Au在Ge中的能级
杂质对材料性能的影响
杂质对材料导电类型的影响 杂质对材料电阻率的影响 轻掺杂 重掺杂 图4-1 电阻率与杂质浓度关系 杂质对非平衡载流子寿命的影响 重金属杂质 复合中心
组分过冷的定义
在拉制重掺杂单晶时，对于K<1杂质，由 于分凝作用在界面附近形成一个杂质富 集层。在富集层内各点的凝固点不同， 虽然界面的温度为凝固点，但离开界面 的熔体的实际温度低于凝固点，处于过 冷状态。原来固液界面前沿的过热熔体 因杂质的聚集产生一过冷区，这种因组 分变化而产生的过冷现象称为组分过冷。
掺杂单晶在一定温度下退火，使一部份 浓度较高的杂质条纹衰减 中子嬗变掺杂 强磁场中拉单晶（MCZ）
中子嬗变掺杂
退火，以消除辐照造成的损伤。在放置 一段时间以降低放射性 掺杂均匀性好，没有分凝和小平面效应 的影响，没有杂质条纹
强磁场中拉单晶（MCZ）的改进作用
1. 有效抑制热对流，减小了熔体中的温度波动， 使液面平整。ΔT：10℃→ 1℃( 0.2T)，基本 消除生长条纹 2. 减少熔硅与坩埚作用，使坩埚中杂质较少进入 熔体，并可有效控制晶体中氧浓度。 3. 由于磁粘滞性，使扩散层厚度增大，Keff增大， 提高了杂质纵向分布的均匀性 4. 提高生产效率
常用掺杂剂 Si N型：P P型：B Ge N型：Sb P型：Ga 掺杂办法：共熔 投杂（体单晶生长中） 热扩散掺杂、离子注入掺杂（平面工艺中） 中子嬗变掺杂
掺杂量的计算（轻掺杂时）
只考虑杂质分凝时的掺杂计算 采用母合金投入计算母合金用量 母合金中杂质浓度Cm的求法 考虑坩埚污染及蒸发的掺杂计算 实际拉制P型硅及N型硅的掺杂计算 经验公式
小平面效应
弯曲的固液界面 界面各处过冷度不同 与杰克逊因子有关 硅：（111）面为光滑面，二维成核要求过 冷度大，一旦成核迅速扩展
沿<111>方向生长时 不同固液界面小平面出现的位置
调平固液界面的方法
调整生长热系统，使径向温度梯度变小 调节拉晶参数：凸界面，增加拉速； 凹界面，降低拉速 调整晶体或坩埚的转速： 增大晶转：使凸变凹 增大埚转：使凹变凸 增大坩埚与晶体直径的比值，使固液界面变平 坦，同时可降低位错及氧含量
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旋转性生长条纹的产生
直拉法工艺中消除旋转性条纹
首先将籽晶轴调整到籽晶杆的转轴一致，即 籽晶杆旋转时籽晶不画圆 通常热场对称轴就是坩埚对称轴，将坩埚对 称轴和籽晶轴调整到同轴 设计炉膛时尽量使发热体、保温罩等具有轴 对称性并与坩埚对称轴一致 减小或废除小观察孔
消除一般性杂质条纹的办法
快蒸发杂质的掺杂不宜在真空而应在保 护性气氛下进行，采用投杂法 分凝系数远离 1 的杂质难于进行重掺杂
根据杂质在晶体中的扩散系数选择 在高温工艺中，如扩散、外延，掺杂元素 的扩散系数小些好 快扩散杂质：H，Li, Na, Cu, Fe, K, Au, He, Ag, 慢扩散杂质：Al,P,B,Ga, Tl, Sb，As
在平坦的界面上因干扰产生突起时，其 尖端处于过冷度较大的熔体中，它的生 长速率比界面快，凸起不能自动消失， 于是平坦的界面稳定性就被破坏了。
Hale Waihona Puke Baidu
胞状界面的形成过程
组分过冷条件的推导与讨论