硅晶体生长及缺陷形成与控-制-lecture-for-undergraduates2014
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硅晶体生长、缺陷形成与控制 基本原理要点
2014. 12. 08/15
结晶原理－基本问题之一
为什么物质在凝固或凝结时会结晶（原子 排队）？
－ 原子间作用势能 2原子体系，3原子体系，。。。
结晶原理－基本问题之一
为什么物质在凝固或凝结时会结晶（原子 会排好队）？
势 能
原子间距
原子间作用势能 2原子体系，3原子体系，。。。
Multiplication of dislocations: Movement/multiplication
of existing dislocations under stresses, to 10~100 times more dislocations, leading to relaxation of the stresses and plastic deformation.
单晶硅 sc-Si
硅晶体中的点阵缺陷主要 是位错，它们对光伏性能 有不良影响。
多晶硅内位错分布高度局域化，大量晶粒内无位错， 与直拉单晶硅内部一样，少数晶粒内或晶界附近，位 错高度密集。
样品高度 15 mm
宏观组织 令半导体物理学家咋舌的多晶硅片缺陷状况
பைடு நூலகம்
多晶硅锭生长中影响缺陷形成的主要因素
初始形核与中间形核 不同晶粒间不同取向生长的竞争 结晶前沿形貌－宏观与微观 结晶中的相变应力与热应力 受限生长 夹杂（碳化硅）处形核
当前对多晶硅锭的研究还很不充分，认识水平 相比直拉单晶硅低得多！
几种形成位错的可能方式 两大类
- 结晶时原生 - 固态条件下增殖
原生位错产生方式或原因： -- 热应力 -- 过饱和空位聚集（也可能形成微孔穴） -- 外来夹杂或沉淀（SiC)诱发形核
在一种InP单晶中发现 的位错密度随应力应 变的关系
基于Si 原子间相互作用力与牛顿力学计算模拟再现的Si 晶体凝固结晶生长过程 （分子动力学模拟）
为什么温度决定结晶与否 ？（排队还是解散）
能量降低是自然趋势、是天性 混乱度增加（熵增加）也是自然趋势、是天性 平衡状态由自由能最小决定 F = U- TS
平衡结晶点/熔点这样来的
F
液态
结晶态
Tm
晶体外延生长中失配位错的形成是一个典型的例 子
空位聚集而成孔洞也是一种可能性。但相比位错很少见。
多晶硅锭定向凝固生长中的结晶基本问题
多晶硅光电性能逊于单晶硅的原因不在其多 晶，即晶界的存在，而可能在于生长的时 候有两个方向不自由，会受挤，造成位错 密度高…
多晶硅 mc-Si
多晶硅点阵缺陷分布特性
阙院士等的解释： 四个{111}面为光滑界面，长得较慢，会形成后缩的小平面，
连起来就成为脊线；而如果有较多位错形成，在{111}面 上产生天然台阶，结晶生长速度会上来，使得其后缩程度 减小，从而小平面萎缩，直到在肉眼观察条件下消失。
疑点：肩部表观与此吻合。而侧面脊线实际是凸起的，与上述解 释似不一致！
growth
Formation of voids is also a possibility, but rarer .
为什么这些缺陷大都变成位错形式？
晶体出现原子排列缺陷后能量提高，会发生原子位移调整 （弛豫）使能量降低，调整的结果可能使某些缺陷消失，亦 可能使某些缺陷变成位错，因后者使体系总能量更低。
液/固界面微观结构有两大类：- 光滑界面 - 粗糙界面
光滑界面 生长依靠台阶、扭折进行
台阶、扭折又怎么来？ - 光滑界面上二维形核 - 位错提供
粗糙界面 相当于界面上
充满台阶和扭折！ 生长相对容易、速率较快
对硅而言，除（111）面上生长时为光滑界面外， 其余面上生长时均为粗糙界面。
[001]直拉单晶会产生四条对称的脊线、以及形成可 观数量的位错后脊线会消失，原因都在此 ！
其相似！） 可以借凝固结晶甩掉许多杂质！
各种晶体缺陷
间隙杂质原子、外来夹杂、刃位错、自间隙原子、空位、空 位型位错环、杂质沉淀、间隙型位错环、代位杂质原子
Why dislocations mostly ?
They may accommodate internal stresses at lower energy e.g. formation of misfit dislocations in epitaxial
[001]
放肩结束，进入直拉以后 …
结晶原理基本问题之四
分凝现象：主相原子从液态或气态排队结晶 时杂质原子怎么办 ？
两条路：加入 或 不加入 结果：加入的比例与不加入的比例未必恰好相同，
结晶体中的杂质浓度与剩余熔体不同。
结晶体中更低还是更高？
规律：对硅而言，除氧原子外，一般是更低，甚至
低得多。性质相近的低得少些…(与人和社会又是何
在一种从过饱 和溶液中生 长中的透明 晶体置入一 颗夹杂以后 出现的高密 度位错束
硅晶体中位错增殖方式：在高温下
-- 应力 滑移 位错增殖 一种应力松弛方式 -- 氧化沉淀诱发
位错增殖：已有位错在应力作用下运动增殖，可成
十倍、百倍地增加位错数量，伴随应力松弛和塑性 变形。
在硅熔点附近，导致位错增殖所需应力水平，一说 为10MPa （P. Rudolf) ，为一般硅晶体生长中热应 力能达到的水平 ！
（和人、社会何其相似！）
形核困难，多依靠已有固相表面，如模壁、 夹杂、外加形核剂、仔晶的表面
所以… 单晶、多晶、定向、模壁作用、粗晶、
细晶、形核剂、人工降雨…
结晶原理基本问题之三 结晶生长微观过程
– 液相中的原子如何在已有晶体上排队 ？
结晶生长速率及生长形态取决于生长微观过程（微观机制） ，而微观机制又取决于液/固界面微观结构。
For Si at near melting point, the stress required for the multiplication is 10 MPa according to P. Rudolf. This is unfortunately a level that can be reached by the thermal stress in growth of multi-crystalline ingots.
T
－ 力学观点（微观）与热力学（宏观）观点 经典理论 殊途同归
结晶原理基本问题之二
结晶形核与生长 – 为什么温度降到了结晶点还不 会凝固结晶？而要过冷一些…几度到几百度。 万事开头难（谁也不愿先排队）
凝固结晶分为 形核 与 生长 两个过程： 一旦先形成了稳定晶核，再在它（们）上面长就
容易了，而且排法跟着晶核走（如果没有干扰的话！）
2014. 12. 08/15
结晶原理－基本问题之一
为什么物质在凝固或凝结时会结晶（原子 排队）？
－ 原子间作用势能 2原子体系，3原子体系，。。。
结晶原理－基本问题之一
为什么物质在凝固或凝结时会结晶（原子 会排好队）？
势 能
原子间距
原子间作用势能 2原子体系，3原子体系，。。。
Multiplication of dislocations: Movement/multiplication
of existing dislocations under stresses, to 10~100 times more dislocations, leading to relaxation of the stresses and plastic deformation.
单晶硅 sc-Si
硅晶体中的点阵缺陷主要 是位错，它们对光伏性能 有不良影响。
多晶硅内位错分布高度局域化，大量晶粒内无位错， 与直拉单晶硅内部一样，少数晶粒内或晶界附近，位 错高度密集。
样品高度 15 mm
宏观组织 令半导体物理学家咋舌的多晶硅片缺陷状况
பைடு நூலகம்
多晶硅锭生长中影响缺陷形成的主要因素
初始形核与中间形核 不同晶粒间不同取向生长的竞争 结晶前沿形貌－宏观与微观 结晶中的相变应力与热应力 受限生长 夹杂（碳化硅）处形核
当前对多晶硅锭的研究还很不充分，认识水平 相比直拉单晶硅低得多！
几种形成位错的可能方式 两大类
- 结晶时原生 - 固态条件下增殖
原生位错产生方式或原因： -- 热应力 -- 过饱和空位聚集（也可能形成微孔穴） -- 外来夹杂或沉淀（SiC)诱发形核
在一种InP单晶中发现 的位错密度随应力应 变的关系
基于Si 原子间相互作用力与牛顿力学计算模拟再现的Si 晶体凝固结晶生长过程 （分子动力学模拟）
为什么温度决定结晶与否 ？（排队还是解散）
能量降低是自然趋势、是天性 混乱度增加（熵增加）也是自然趋势、是天性 平衡状态由自由能最小决定 F = U- TS
平衡结晶点/熔点这样来的
F
液态
结晶态
Tm
晶体外延生长中失配位错的形成是一个典型的例 子
空位聚集而成孔洞也是一种可能性。但相比位错很少见。
多晶硅锭定向凝固生长中的结晶基本问题
多晶硅光电性能逊于单晶硅的原因不在其多 晶，即晶界的存在，而可能在于生长的时 候有两个方向不自由，会受挤，造成位错 密度高…
多晶硅 mc-Si
多晶硅点阵缺陷分布特性
阙院士等的解释： 四个{111}面为光滑界面，长得较慢，会形成后缩的小平面，
连起来就成为脊线；而如果有较多位错形成，在{111}面 上产生天然台阶，结晶生长速度会上来，使得其后缩程度 减小，从而小平面萎缩，直到在肉眼观察条件下消失。
疑点：肩部表观与此吻合。而侧面脊线实际是凸起的，与上述解 释似不一致！
growth
Formation of voids is also a possibility, but rarer .
为什么这些缺陷大都变成位错形式？
晶体出现原子排列缺陷后能量提高，会发生原子位移调整 （弛豫）使能量降低，调整的结果可能使某些缺陷消失，亦 可能使某些缺陷变成位错，因后者使体系总能量更低。
液/固界面微观结构有两大类：- 光滑界面 - 粗糙界面
光滑界面 生长依靠台阶、扭折进行
台阶、扭折又怎么来？ - 光滑界面上二维形核 - 位错提供
粗糙界面 相当于界面上
充满台阶和扭折！ 生长相对容易、速率较快
对硅而言，除（111）面上生长时为光滑界面外， 其余面上生长时均为粗糙界面。
[001]直拉单晶会产生四条对称的脊线、以及形成可 观数量的位错后脊线会消失，原因都在此 ！
其相似！） 可以借凝固结晶甩掉许多杂质！
各种晶体缺陷
间隙杂质原子、外来夹杂、刃位错、自间隙原子、空位、空 位型位错环、杂质沉淀、间隙型位错环、代位杂质原子
Why dislocations mostly ?
They may accommodate internal stresses at lower energy e.g. formation of misfit dislocations in epitaxial
[001]
放肩结束，进入直拉以后 …
结晶原理基本问题之四
分凝现象：主相原子从液态或气态排队结晶 时杂质原子怎么办 ？
两条路：加入 或 不加入 结果：加入的比例与不加入的比例未必恰好相同，
结晶体中的杂质浓度与剩余熔体不同。
结晶体中更低还是更高？
规律：对硅而言，除氧原子外，一般是更低，甚至
低得多。性质相近的低得少些…(与人和社会又是何
在一种从过饱 和溶液中生 长中的透明 晶体置入一 颗夹杂以后 出现的高密 度位错束
硅晶体中位错增殖方式：在高温下
-- 应力 滑移 位错增殖 一种应力松弛方式 -- 氧化沉淀诱发
位错增殖：已有位错在应力作用下运动增殖，可成
十倍、百倍地增加位错数量，伴随应力松弛和塑性 变形。
在硅熔点附近，导致位错增殖所需应力水平，一说 为10MPa （P. Rudolf) ，为一般硅晶体生长中热应 力能达到的水平 ！
（和人、社会何其相似！）
形核困难，多依靠已有固相表面，如模壁、 夹杂、外加形核剂、仔晶的表面
所以… 单晶、多晶、定向、模壁作用、粗晶、
细晶、形核剂、人工降雨…
结晶原理基本问题之三 结晶生长微观过程
– 液相中的原子如何在已有晶体上排队 ？
结晶生长速率及生长形态取决于生长微观过程（微观机制） ，而微观机制又取决于液/固界面微观结构。
For Si at near melting point, the stress required for the multiplication is 10 MPa according to P. Rudolf. This is unfortunately a level that can be reached by the thermal stress in growth of multi-crystalline ingots.
T
－ 力学观点（微观）与热力学（宏观）观点 经典理论 殊途同归
结晶原理基本问题之二
结晶形核与生长 – 为什么温度降到了结晶点还不 会凝固结晶？而要过冷一些…几度到几百度。 万事开头难（谁也不愿先排队）
凝固结晶分为 形核 与 生长 两个过程： 一旦先形成了稳定晶核，再在它（们）上面长就
容易了，而且排法跟着晶核走（如果没有干扰的话！）