晶体生长技术

硅锗单晶生长
• 单晶材料的生长，是物质的非晶态，多 晶态，或能够形成该物质的反应物，通 过一定的物理或化学手段转变为单晶状 态的过程。首先将结晶的物质通过熔化 或溶解方式转变成熔体或溶液。再控制 其热力学条件生成晶相，并让其长大。
可分为熔体生长法、溶液生长法和气相生长法。 而从生长方式来说，可分为水平生长、垂直生长
• 水平区熔法生长单晶（锗） • 悬浮区熔法生长单晶（硅）
总结：课堂上提到过的晶体生长技术
晶体的人工生长技术
• 提拉法 • 焰熔法 • 水热法
其他的晶体生长技术
从熔体中生长单晶体
• 泡生法（Kyropoulos法） • 坩埚下降法（Bridgman-Stockbarger法）
• 浮区熔化法
从溶液中生长单晶体
其他的晶体生长技术
晶体薄膜生长方法
• • • • 化学气相沉积法（CVD） 金属有机物气相外延（MOVPE） 分子束外延（MBE） ……
和晶体的拉制等。
• 单晶硅圆片按其直径分为6英寸、8英寸、12英寸 （300毫米）及18英寸（450毫米）等。 • 直径越大的圆片，所能刻制的集成电路越多，芯 片的成本也就越低。但大尺寸晶片对材料和技术 的要求也越高。 • 单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（ CZ Czochralski ）、区熔法（ FZ,Float-Zone ）和外延法。 • 直拉法、区熔法生长单晶硅棒，外延法生长单晶 硅薄膜。
(1)固相生长:固体固体
• 在具有固相转变的材料中进行
石墨金刚石
• 通过热处理或激光照射等手段，将一部 分结构不完整的晶体转变为较为完整的 晶体 微晶硅单晶硅薄膜
(2)液相生长:液体固体
• 溶液中生长 从溶液中结晶 当溶液达到过饱和时，才能析出晶体. 可在低于材料的熔点温度下生长晶体，因此它们特别适 合于制取那些熔点高，蒸汽压大，用熔体法不易生长的晶体和 薄膜； 如GaAs液相外延(LPE-liquid phase epitaxy) • 熔体中生长 从熔体中结晶 当温度低于熔点时，晶体开始析出，也就是 说，只有当熔体过冷却时晶体才能发生。 如水在温度低于零摄氏度时结晶成冰；金属熔体冷却到熔 点以下结晶成金属晶体。 可生长纯度高，体积大，完整性好的单晶体，而且生长 速度快，是制取大直径半导体单晶最主要的方法 我国首台12英寸单晶炉研制成功 (070615),所制备的硅单晶主 要用于集成电路元件和太阳能电池
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锗单晶主要用直拉法，硅用直拉法和悬浮区熔法
磁控拉晶法 给坩埚内熔体施加水平或 垂直磁场，抑制熔体的对 流，达到消除对流条纹缺 陷的目的。 液封拉晶法 在熔体的表面多了一层覆 盖剂，通过覆盖剂密封可 实现高压下拉晶，是制备 大分解压化合物半导体单 晶的理想方法。
直拉法（CZ法） 的改进工艺
二、区熔法
晶体生长技术
1.晶体生长的一般方法
• • • • 晶体是在物相转变的情况下形成的。 物相有三种，即气相、液相和固相。 由气相、液相固相时形成晶体， 固相之间也可以直接产生转变。
晶体生长是非平衡态的相变过程，热力学一般处理平衡态问题，若系 统处于准平衡状态，可使用热力学的平衡条件来处理问题
相平衡条件：各组元在各相的化学势相等 热平衡条件：系统各部分温度相等 力学平衡条件：系统各部分压强相等
(3)气相生长:气体固体
从气相直接转变为固相的条件是要有足够低的蒸气压。 例子: • 在火山口附近常由火山喷气直接生成硫、碘或氯化钠的晶 体。 • 雪花就是由于水蒸气冷却直接结晶而成的晶体 • 气体凝华:物质从气态直接变成固体 (气体升华：固态气态) • 化学气相沉积(CVD)
•
2.液固相转变过程
• 降温法 • 蒸发法 • 凝胶法
其他的晶体生长技术
从高温溶液中生长单晶体
• • • • 缓慢降温法 蒸发法 温度梯度传输法 无籽晶旋转坩埚生长法
热液法晶体生长
• 水热法 • 溶剂热法
其他的晶体生长技术
从气相中生长单晶体
• 单组分气相生长 • 单组分气相生长
高温高压法
• 静压法 • 动压法 • 低压法
• 直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二 极管、外延片衬底、太阳能电池。目前晶体直径可 控制在Φ3~8英寸。 • 区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域 ，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频 、机电一体化、节能灯、电视机等系列产品。目前 晶体直径可控制在Φ3~6英寸。 • 外延片主要用于集成电路领域。
(1)溶液中生长 C1 CO,相变发生,有一定的过饱和度 C1: 一定温度T,压力P,溶质浓度 CO:一定温度T,压力P,饱和溶液浓度 (2)熔体中生长 △T0,相变发生,有一定的过冷度
过冷现象：熔体材料冷却到理论结晶温度以下，并不是立即就形成晶体，材料处在
应该转变的理论温度以下，还保留原来状态，这种现象称为过冷。 过冷度：为了表述材料过冷的程度，将理论转变温度与实际所处在的温度之差称为 过冷度 。 ΔT = Tm － T (Tm理论凝固温度)。