單硅經(jīng)典案例

1、1哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué) 田麗田麗864134422緒論緒論n引言引言n微電子工藝發(fā)展?fàn)顩r微電子工藝發(fā)展?fàn)顩r n微電子工藝特點(diǎn)與用途微電子工藝特點(diǎn)與用途 n本課程內(nèi)容本課程內(nèi)容3n 早在1830年，科學(xué)家已于實驗室展開對半導(dǎo)體的研究。n 1874年，電報機(jī)、電話和無線電相繼發(fā)明等早期電子儀器亦造就了一項新興的工業(yè)電子業(yè)的誕生。電子業(yè)的誕生。 1 1 引言引言4基本器件的兩個發(fā)展階段基本器件的兩個發(fā)展階段n分立元件階段（19051959）n真空電子管、半導(dǎo)體晶體管n集成電路階段（1959）nssi、msi、lsi、vlsi、ulsi集成電路從小規(guī)模集成電路迅速發(fā)展到大規(guī)模集成電路從小規(guī)模集

2、成電路迅速發(fā)展到大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路，從而使電子產(chǎn)集成電路和超大規(guī)模集成電路，從而使電子產(chǎn)品向著品向著高效能低消耗、高精度、高穩(wěn)定、智能高效能低消耗、高精度、高穩(wěn)定、智能化化的方向發(fā)展。的方向發(fā)展。 5什么是微電子工藝什么是微電子工藝n微電子工藝，微電子工藝，是指用半導(dǎo)體材料制作微電是指用半導(dǎo)體材料制作微電子產(chǎn)品的子產(chǎn)品的方法方法、原理原理、技術(shù)技術(shù)。n不同產(chǎn)品的制作工藝不同，但可將制作工不同產(chǎn)品的制作工藝不同，但可將制作工藝分解為多個基本相同的小單元（工序），藝分解為多個基本相同的小單元（工序），稱為稱為單項工藝。單項工藝。n不同產(chǎn)品的制作就是將單項工藝按需要順不同產(chǎn)品的制作就是

3、將單項工藝按需要順序排列組合來實現(xiàn)的。序排列組合來實現(xiàn)的。6微電子工業(yè)生產(chǎn)過程圖微電子工業(yè)生產(chǎn)過程圖前工序：微電子產(chǎn)前工序：微電子產(chǎn)品制造的特有工藝品制造的特有工藝 后工序后工序7npn-si雙極型晶體管芯片工藝流程雙極型晶體管芯片工藝流程-硅外延平面工藝舉例硅外延平面工藝舉例舉例舉例n+npn+ebc82 微電子工藝發(fā)展歷程微電子工藝發(fā)展歷程n誕生誕生: :19471947年年1212月在美國的貝爾實驗室，發(fā)明了月在美國的貝爾實驗室，發(fā)明了半導(dǎo)體點(diǎn)接觸式晶體管，采用的關(guān)鍵工藝技術(shù)半導(dǎo)體點(diǎn)接觸式晶體管，采用的關(guān)鍵工藝技術(shù)是合金法制作是合金法制作pnpn結(jié)。結(jié)。合金法合金法pn結(jié)示意圖結(jié)示意圖加

4、熱、加熱、降溫降溫pn結(jié)結(jié)ingen-ge10n19581958年在美國的德州儀器公司和仙年在美國的德州儀器公司和仙童公司各自研制出了集成電路，采童公司各自研制出了集成電路，采用的工藝方法是用的工藝方法是硅平面工藝硅平面工藝。pn結(jié)結(jié)sio2si氧化氧化光刻光刻擴(kuò)散摻雜擴(kuò)散摻雜誕生誕生11jack kilbys first integrated circuitphoto courtesy of texas instruments, inc.1959年2月，德克薩斯儀器公司（ti）工程師j.kilby申請第一個集成電路發(fā)明專利；利用臺式法完成了用硅來實現(xiàn)晶體管、二極管、電阻和電容，并將其集成在一

5、起的創(chuàng)舉。臺式法-所有元件內(nèi)部和外部都是靠細(xì)細(xì)的金屬導(dǎo)線焊接相連。12仙童（fairchild）半導(dǎo)體公司n1959年7月，諾依斯提出：可以用蒸發(fā)沉積金屬的方法代替熱焊接導(dǎo)線，這是解決元件相互連接的最好途徑。n1966年，基爾比和諾依斯同時被富蘭克林學(xué)會授予巴蘭丁獎?wù)?，基爾比被譽(yù)為“第一塊集成電路的發(fā)明家”而諾依斯被譽(yù)為“提出了適合于工業(yè)生產(chǎn)的集成電路理論”的人。n1969年，法院最后的判決下達(dá)，也從法律上實際承認(rèn)了集成電路是一項同時的發(fā)明。 13n6060年代的出現(xiàn)了外延技術(shù)，如：年代的出現(xiàn)了外延技術(shù)，如：n-si/nn-si/n+ +-si-si，n-si/p-sin-si/p-si。一般

6、雙極電路或晶體管制作在外。一般雙極電路或晶體管制作在外延層上。延層上。n7070年代的離子注入技術(shù)，實現(xiàn)了淺結(jié)摻雜。年代的離子注入技術(shù)，實現(xiàn)了淺結(jié)摻雜。icic的集成度提高得以實現(xiàn)。的集成度提高得以實現(xiàn)。n新工藝，新技術(shù)，不斷出現(xiàn)。（等離子技術(shù)新工藝，新技術(shù)，不斷出現(xiàn)。（等離子技術(shù)的應(yīng)用，電子束光刻，分子束外延，等等）的應(yīng)用，電子束光刻，分子束外延，等等）發(fā)展發(fā)展14張忠謀：臺灣半導(dǎo)體教父 n全球第一個集成電路標(biāo)準(zhǔn)加工廠（foundry）是1987年成立的臺灣積體電路公司，它的創(chuàng)始人張忠謀也被譽(yù)為“晶體芯片加工之父”。 張忠謀張忠謀 15戈登-摩爾提出摩爾定律英特爾公司的聯(lián)合創(chuàng)始人之一-戈登-

7、摩爾早在1965年，摩爾就曾對集成電路的未來作出預(yù)測。 “摩爾定律”： 集成電路上能被集成的晶體管數(shù)目，將會以每18個月翻一番的速度穩(wěn)定增長。 16drom集成度與工藝的進(jìn)展集成度與工藝的進(jìn)展年代年代1985年年1988年年1991年年1994年年1997年年 2000年年集成度集成度1m4m16m64m256m1g最小最小線寬線寬0.50.350.18光刻光刻技術(shù)技術(shù)光學(xué)曝光光學(xué)曝光準(zhǔn)分子準(zhǔn)分子電子束電子束電子束電子束x射線射線（電子束）（電子束）摩爾定律：每隔摩爾定律：每隔3年年ic集成度提高集成度提高4倍倍17n2002年1月：英特爾奔騰4處理器推出，它采用英特爾0.

8、13m制程技術(shù)生產(chǎn)，含有5500萬個晶體管。n2002年8月13日：英特爾透露了90nm制程技術(shù)的若干技術(shù)突破，包括高性能、低功耗晶體管，應(yīng)變硅，高速銅質(zhì)接頭和新型低-k介質(zhì)材料。這是業(yè)內(nèi)首次在生產(chǎn)中采用應(yīng)變硅。n2003年3月12日：針對筆記本的英特爾迅馳移動技術(shù)平臺誕生，采用英特爾0.13m制程技術(shù)生產(chǎn)，包含7700萬個晶體管。n2005年5月26日：英特爾第一個主流雙核處理器“英特爾奔騰d處理器”誕生，含有2.3億個晶體管-90nm制程技術(shù)生產(chǎn)。n2006年7月18日：英特爾安騰2雙核處理器發(fā)布，含有17.2億個晶體管-90nm制程技術(shù)生產(chǎn)。n2006年7月27日：英特爾酷睿2雙核處理器

9、,含有2.9億多個晶體管，采用英特爾65nm制程技術(shù)。n2007年1月8日：65nm制程英特爾酷睿2四核處理器和另外兩款四核服務(wù)器處理器。英特爾酷睿2四核處理器含有5.8億多個晶體管。n2007年1月29日：英特爾酷睿2雙核、英特爾酷睿2四核處理器以及英特爾至強(qiáng)系列多核處理器的數(shù)以億計的45nm晶體管或微小開關(guān)中用來構(gòu)建18n電子產(chǎn)品發(fā)展趨勢：更小，更快，更冷電子產(chǎn)品發(fā)展趨勢：更小，更快，更冷n現(xiàn)有的工藝將更成熟、完善；新技術(shù)不斷出現(xiàn)?，F(xiàn)有的工藝將更成熟、完善；新技術(shù)不斷出現(xiàn)。當(dāng)前，光刻工藝線寬已達(dá)當(dāng)前，光刻工藝線寬已達(dá)0.0450.045微米。由于量子微米。由于量子尺寸效應(yīng)，集成電路線寬的物

10、理極限約為尺寸效應(yīng)，集成電路線寬的物理極限約為0.0350.035微米，即微米，即3535納米。納米。n另外，硅片平整度也是影響工藝特征尺寸進(jìn)一另外，硅片平整度也是影響工藝特征尺寸進(jìn)一步小型化的重要因素。步小型化的重要因素。n微電子業(yè)的發(fā)展面臨轉(zhuǎn)折。上世紀(jì)九十年代納微電子業(yè)的發(fā)展面臨轉(zhuǎn)折。上世紀(jì)九十年代納電子技術(shù)出現(xiàn)，并越來越受到關(guān)注。電子技術(shù)出現(xiàn)，并越來越受到關(guān)注。 未來未來19n近10年來 ，“輕晶圓廠”（fab-light）或“無晶圓廠”（fabless）模式的興起，而沒有芯片設(shè)計公司反過來成為idm（integrated device manufacturer） 。n5年前英特爾做45

11、納米時，臺積電還停留在90納米，中間隔了一個65納米。但到45納米，臺積電開始“搶先半步”。即遵循“摩爾定律”的英特爾的路線是45、32、22納米，臺積電的路線則是40、28、20納米。 203 微電子工藝特點(diǎn)及用途微電子工藝特點(diǎn)及用途n超凈超凈 環(huán)境、操作者、工藝三方面的超凈，如超凈環(huán)境、操作者、工藝三方面的超凈，如超凈室，室，ulsiulsi在在100級超凈室制作，超凈臺達(dá)級超凈室制作，超凈臺達(dá)10級。級。n超純超純 指所用材料方面，如襯底材料、指所用材料方面，如襯底材料、功能性電子功能性電子材料、水、氣等；材料、水、氣等； si、ge單晶純度達(dá)單晶純度達(dá)11個個9。n高技術(shù)含量高技術(shù)含量

12、 設(shè)備先進(jìn)，技術(shù)先進(jìn)。設(shè)備先進(jìn)，技術(shù)先進(jìn)。n高精度高精度 光刻圖形的最小線條尺寸在深亞微米量級，光刻圖形的最小線條尺寸在深亞微米量級，制備的介質(zhì)薄膜厚度也在納米量級，而精度更在制備的介質(zhì)薄膜厚度也在納米量級，而精度更在上述尺度之上。上述尺度之上。n大批量，低成本大批量，低成本 圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)使之得以實現(xiàn)。圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)使之得以實現(xiàn)。21超凈環(huán)境 2223n21世紀(jì)硅微電子技術(shù)的三個主要發(fā)展方向n特征尺寸繼續(xù)等比例縮小n集成電路(ic)將發(fā)展成為系統(tǒng)芯片(soc)- soc是一個通過ip設(shè)計復(fù)用達(dá)到高生產(chǎn)率的軟/硬件協(xié)同設(shè)計過程n微電子技術(shù)與其它領(lǐng)域相結(jié)合將產(chǎn)生新的產(chǎn)業(yè)和新的學(xué)科，例如mems、dn

13、a芯片等-其核心是將電子信息系統(tǒng)中的信息獲取、信息執(zhí)行與信息處理等主要功能集成在一個芯片上，而完成信息處理處理功能。微電子技術(shù)的三個發(fā)展方向24工藝課程學(xué)習(xí)主要應(yīng)用工藝課程學(xué)習(xí)主要應(yīng)用n制作微電子器件和集成電路制作微電子器件和集成電路n微機(jī)電系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng) (microelectromechanicol system mems)的所依托的微加工技術(shù)的所依托的微加工技術(shù)n納米技術(shù)，如納米技術(shù)，如光刻光刻圖形復(fù)制轉(zhuǎn)移工藝，圖形復(fù)制轉(zhuǎn)移工藝，mbe等等254 本課程內(nèi)容本課程內(nèi)容n重點(diǎn)介紹單項工藝和其依托的科學(xué)原理。重點(diǎn)介紹單項工藝和其依托的科學(xué)原理。n簡單介紹典型產(chǎn)品的工藝流程，芯片的封簡單介紹典

14、型產(chǎn)品的工藝流程，芯片的封裝、測試，以及新工藝、新技術(shù)、工藝技裝、測試，以及新工藝、新技術(shù)、工藝技術(shù)的發(fā)展趨勢。術(shù)的發(fā)展趨勢。26第一單元第一單元硅襯底硅襯底1 單晶硅結(jié)單晶硅結(jié)構(gòu)構(gòu)2 硅錠及圓硅錠及圓片制備片制備3 外延外延基本單項基本單項工藝工藝第二單元第二單元氧化與摻雜氧化與摻雜第三單元第三單元薄膜制備薄膜制備第四單元第四單元光刻技術(shù)光刻技術(shù)4 氧化氧化5 擴(kuò)散擴(kuò)散6 離子注離子注入入7 cvd8 pvd9 光刻光刻10 現(xiàn)代光現(xiàn)代光刻技術(shù)刻技術(shù)11 刻蝕刻蝕第五單元第五單元工藝集成和測工藝集成和測試封裝試封裝12 金屬化與金屬化與多層互連多層互連13 工藝集工藝集成成14 測試封測試封

15、裝裝課程內(nèi)容框架圖27教材與參考書教材與參考書n王蔚王蔚 微電子制造技術(shù)微電子制造技術(shù)-原理與工藝原理與工藝 科學(xué)出版社科學(xué)出版社 2010n關(guān)旭東關(guān)旭東 硅集成電路工藝基礎(chǔ)硅集成電路工藝基礎(chǔ)北京大北京大學(xué)出版學(xué)出版 2003n清華大學(xué)清華大學(xué)集成電路工藝集成電路工藝多媒體教學(xué)多媒體教學(xué)課件課件 2001nstephen a. c.微電子制造科學(xué)原理與微電子制造科學(xué)原理與工程技術(shù)工程技術(shù)電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社，200328考試與課程評定 n期末考試采取筆試方式，考試成績占總成績的60%；n平時成績占40%， 出勤10%，小測驗10%，作業(yè)20%。29n第一章第一章 硅的晶體結(jié)構(gòu)硅的晶體

16、結(jié)構(gòu)30第第1章章 單晶硅結(jié)構(gòu)、制備方法單晶硅結(jié)構(gòu)、制備方法n1.1 硅晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)硅晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)n1.2 硅晶體缺陷硅晶體缺陷n1.3 硅中雜質(zhì)硅中雜質(zhì)n1.4 雜質(zhì)在硅晶體中的溶解度雜質(zhì)在硅晶體中的溶解度 n1.5 硅單晶的制備硅單晶的制備31 1.1 硅晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)硅晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)n硅是微電子工業(yè)中應(yīng)硅是微電子工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材用最廣泛的半導(dǎo)體材料，占整個電子材料料，占整個電子材料的的95左右，人們左右，人們對它的研究最為深入，對它的研究最為深入，工藝也最成熟，在集工藝也最成熟，在集成電路中基本上都是成電路中基本上都是使用硅材料。使用硅材料。硅四面體結(jié)構(gòu)硅四面體結(jié)構(gòu)鍵角：鍵

17、角：1092832硅、鍺、砷化鎵電學(xué)特性比較硅、鍺、砷化鎵電學(xué)特性比較性質(zhì)sigegaas禁帶寬度（ev）1.120.671.43禁帶類型間接間接直接晶格電子遷移率（cm2/vs）135039008600晶格空穴遷移率（cm2/vs）4801900250本征載流子濃度（cm-3）1.4510102.410189.0106本征電阻率（cm）2.31054710833n鍺應(yīng)用的最早，一些分立器件采用；鍺應(yīng)用的最早，一些分立器件采用； gaas是目前應(yīng)用最多的化合物半導(dǎo)體，是目前應(yīng)用最多的化合物半導(dǎo)體，主要是中等集成度的高速主要是中等集成度的高速ic，及超過，及超過ghz的模擬的模擬ic使用，以及光

18、電器件使用，以及光電器件n從電學(xué)特性看硅并無多少優(yōu)勢從電學(xué)特性看硅并無多少優(yōu)勢,硅在其它硅在其它方面有許多優(yōu)勢方面有許多優(yōu)勢 34性質(zhì)性質(zhì)sigegaassio2原子序數(shù)143231/3314/8原子量或分子量28.972.6144.6360.08原子或分子密度（atoms/cm3）5.0010224.4210222.2110222.301022晶體結(jié)構(gòu)金剛石金剛石閃鋅礦四面體無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)晶格常數(shù)（）5.435.665.65密度（g/cm3）2.335.325.322.27相對介電常數(shù)11.716.319.43.9擊穿電場（v/m）30835600熔點(diǎn)（）141793712381700蒸汽壓（托

19、）10-7（1050）10-7（880）1（1050）10-3（1050）比熱（j/g）0.700.310.351.00熱導(dǎo)率（w/cm）1.501擴(kuò)散系數(shù)（cm2/s）0.900.360.440.006線熱膨脹系數(shù)（1/）2.510-65.810-65.910-60.510-6有效態(tài)密度（cm-3）導(dǎo)帶nc價帶nv2.810191.010191.010196.010184.710177.0101835硅作為電子材料的優(yōu)點(diǎn)硅作為電子材料的優(yōu)點(diǎn)n原料充分；原料充分；n硅晶體表面易于生長穩(wěn)定的氧化層，這對于保硅晶體表面易于生長穩(wěn)定的氧化層，這對于保護(hù)硅表面器件或電路的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)很

20、重要；護(hù)硅表面器件或電路的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)很重要；n重量輕，密度只有重量輕，密度只有2.33g/cm3；n熱學(xué)特性好，線熱膨脹系數(shù)小，熱學(xué)特性好，線熱膨脹系數(shù)小，2.5*10-6/ ，熱導(dǎo)率高，熱導(dǎo)率高，1.50w/cm；n單晶圓片的缺陷少，直徑大，工藝性能好；單晶圓片的缺陷少，直徑大，工藝性能好；n機(jī)械性能良好。機(jī)械性能良好。36硅晶胞：金剛石結(jié)構(gòu)的立方晶胞硅晶胞：金剛石結(jié)構(gòu)的立方晶胞晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：=5.4305原子密度：原子密度：8/a3=5*1022 cm-3原子半徑：原子半徑：rsi=3a/8=1.17空間利用率：空間利用率：371.2 硅晶向、晶面和堆積模型硅晶向、晶面和堆積模型硅的

21、幾種常用晶向的原子分布圖硅的幾種常用晶向的原子分布圖晶格中原子可看作是處在一系列方向相同晶格中原子可看作是處在一系列方向相同的平行直線系上，這種直線系稱為晶列。的平行直線系上，這種直線系稱為晶列。標(biāo)記標(biāo)記晶列方向用晶列方向用晶向晶向, 記為記為m1m2m3 。用。用表示等價的晶向表示等價的晶向.1/a1.41/a1.15/a晶向晶向38硅晶面硅晶面n晶體中所有原子看作處于彼此平行的平面系上，這種平晶體中所有原子看作處于彼此平行的平面系上，這種平面系叫面系叫晶面晶面。用。用晶面指數(shù)晶面指數(shù)(h1h2 h3)標(biāo)記。如（標(biāo)記。如（100）晶面）晶面（又稱密勒指數(shù)）。等價晶面表示為（又稱密勒指數(shù)）。等

22、價晶面表示為100n100晶向和晶向和(100)面是垂直的。面是垂直的。立方晶系的幾種主要晶面立方晶系的幾種主要晶面39硅晶面硅晶面硅常用晶面上原子分布硅常用晶面上原子分布si面密度面密度:(100) 2/a2(110) 2.83/a2(111) 2.3/a240abab六角密積六角密積（鎂型）（鎂型）abcabc立方密積立方密積（銅型）（銅型）堆積模型圖堆積模型圖41六角密積42立方密積：立方密積：第三層的另一第三層的另一種排列方式，是將球?qū)?zhǔn)種排列方式，是將球?qū)?zhǔn)第一層的第一層的 2，4，6 位，不位，不同于同于 ab 兩層的位置，這兩層的位置，這是是 c 層。層。123456123456

23、12345643面心立方晶格面心立方晶格n在在111晶向是立方密積，晶向是立方密積，n(111)面是密排面面是密排面44硅晶體為雙層立方密積結(jié)構(gòu)硅晶體為雙層立方密積結(jié)構(gòu)n硅單晶由兩套面心立方結(jié)構(gòu)套構(gòu)而硅單晶由兩套面心立方結(jié)構(gòu)套構(gòu)而成，有成，有雙層密排面雙層密排面aabbccn雙層密排面：雙層密排面：原子距離最近，結(jié)合原子距離最近，結(jié)合最為牢固，能量最低，腐蝕困難，最為牢固，能量最低，腐蝕困難，容易暴露在表面，在晶體生長中有容易暴露在表面，在晶體生長中有表面成為表面成為111晶面的趨勢。晶面的趨勢。n兩層雙層密排面之間：兩層雙層密排面之間：原子距離最原子距離最遠(yuǎn)，結(jié)合脆弱，晶格缺陷容易在這遠(yuǎn)，結(jié)

24、合脆弱，晶格缺陷容易在這里形成和擴(kuò)展，在外力作用下，很里形成和擴(kuò)展，在外力作用下，很容易沿著容易沿著111晶面劈裂，這種易晶面劈裂，這種易劈裂的晶面稱為晶體的劈裂的晶面稱為晶體的解理面解理面。 45解理面解理面n（111）面為解理面，即為天然易破裂面。實）面為解理面，即為天然易破裂面。實際上由硅片破裂形狀也能判斷出硅面的晶向。際上由硅片破裂形狀也能判斷出硅面的晶向。n（100）面與（）面與（111）面相交成矩形，（）面相交成矩形，（100）面）面硅片破裂時裂紋是呈矩形的；硅片破裂時裂紋是呈矩形的；n（111）面和其它（）面和其它（111）面相交呈三角形，因此）面相交呈三角形，因此（111）面硅

25、片破裂時裂紋也是呈三角形，呈）面硅片破裂時裂紋也是呈三角形，呈60角。角。n硅晶體不同晶面、晶向性質(zhì)有所差異，因此，硅晶體不同晶面、晶向性質(zhì)有所差異，因此，微電子工藝是基于不同產(chǎn)品特性，采用不同晶微電子工藝是基于不同產(chǎn)品特性，采用不同晶面的硅片作為襯底材料。面的硅片作為襯底材料。 461.2 硅晶體缺陷硅晶體缺陷n在高度完美的單晶硅片中，實際也存在缺在高度完美的單晶硅片中，實際也存在缺陷。有：陷。有：n零維零維-點(diǎn)缺陷、點(diǎn)缺陷、n一維一維-線缺陷、線缺陷、n二、三維二、三維-面缺陷和體缺陷面缺陷和體缺陷n晶體缺陷對微電子工藝有多方面的影響。晶體缺陷對微電子工藝有多方面的影響。47點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷n

26、本征本征空位空位 a，a+、a - 、a 2-自間（填）隙原子自間（填）隙原子b弗倫克爾缺陷弗倫克爾缺陷 肖特基缺陷肖特基缺陷n雜質(zhì)雜質(zhì)替位雜質(zhì)替位雜質(zhì)c填隙雜質(zhì)填隙雜質(zhì)dhttp:/ n雜質(zhì)中，填隙雜質(zhì)在微電子工藝中是應(yīng)盡量避免的，這些雜質(zhì)破壞了晶格的完整性，引起點(diǎn)陣的畸變，但對半導(dǎo)體晶體的電學(xué)性質(zhì)影響不大；而替位雜質(zhì)通常是在微電子工藝中有意摻入的雜質(zhì)。例如，硅晶體中摻入a、a族替位雜質(zhì)，目的是調(diào)節(jié)硅晶體的電導(dǎo)率；摻入貴金屬au等，目的是在硅晶體中添加載流子復(fù)合中心，縮短載流子壽命。49線缺陷線缺陷n線缺陷最常見的就線缺陷最常見的就是是位錯位錯。位錯附近，。位錯附近，原子排列偏離了嚴(yán)原子排列

27、偏離了嚴(yán)格的周期性，相對格的周期性，相對位置發(fā)生了錯亂。位置發(fā)生了錯亂。n位錯可看成由位錯可看成由滑移滑移形成，滑移后兩部形成，滑移后兩部分晶體重新吻合。分晶體重新吻合。在交界處形成位錯。在交界處形成位錯。用用滑移矢量滑移矢量表征滑表征滑移量大小和方向。移量大小和方向。123ba缺陷附近共價鍵被缺陷附近共價鍵被壓縮壓縮1、拉長、拉長2、懸、懸掛掛3，存在應(yīng)力，存在應(yīng)力50刃位錯和螺位錯刃位錯和螺位錯n位錯主要有刃位錯和螺位位錯主要有刃位錯和螺位錯：位錯線與滑移矢量垂錯：位錯線與滑移矢量垂直稱直稱刃位錯；刃位錯；位錯線與滑位錯線與滑移矢量平行，稱為移矢量平行，稱為螺位錯螺位錯。n硅晶體的雙層密排

28、面間原硅晶體的雙層密排面間原于價鍵密度最小，結(jié)合最于價鍵密度最小，結(jié)合最弱，滑移常沿弱，滑移常沿111面發(fā)生，面發(fā)生，位錯線也就常在位錯線也就常在111晶面晶面之間。該面稱為之間。該面稱為滑移面?；泼妗?1刃形位錯的運(yùn)動刃形位錯的運(yùn)動攀移攀移滑移滑移原位原位52面缺陷和體缺陷面缺陷和體缺陷n面缺陷主要是由于面缺陷主要是由于原子堆積排列次序原子堆積排列次序發(fā)生錯亂，稱為堆發(fā)生錯亂，稱為堆垛層錯，簡稱垛層錯，簡稱層錯層錯。 n體缺陷是雜質(zhì)在晶體缺陷是雜質(zhì)在晶體中沉積形成；晶體中沉積形成；晶體中的空隙也是一體中的空隙也是一種體缺陷。種體缺陷。 53缺陷的產(chǎn)生及結(jié)團(tuán)缺陷的產(chǎn)生及結(jié)團(tuán)n缺陷是存在應(yīng)力的

29、標(biāo)志，微電子工藝過程中能缺陷是存在應(yīng)力的標(biāo)志，微電子工藝過程中能夠誘導(dǎo)缺陷的應(yīng)力主要有三種：夠誘導(dǎo)缺陷的應(yīng)力主要有三種：n存在大的溫度梯度，發(fā)生非均勻膨脹，在晶體內(nèi)形成存在大的溫度梯度，發(fā)生非均勻膨脹，在晶體內(nèi)形成熱塑性應(yīng)力，誘生位錯；熱塑性應(yīng)力，誘生位錯；n晶體中存在高濃度的替位雜質(zhì)，而這些雜質(zhì)和硅原子晶體中存在高濃度的替位雜質(zhì)，而這些雜質(zhì)和硅原子大小不同，形成內(nèi)部應(yīng)力誘生缺陷；大小不同，形成內(nèi)部應(yīng)力誘生缺陷；n硅晶體表面受到機(jī)械外力，如表面劃傷、或受到轟擊硅晶體表面受到機(jī)械外力，如表面劃傷、或受到轟擊（離子，射線等），外力向晶體中傳遞，誘生缺陷。（離子，射線等），外力向晶體中傳遞，誘生缺陷

30、。n結(jié)團(tuán)作用結(jié)團(tuán)作用 高濃度低維缺陷傾向于集聚，形成更高濃度低維缺陷傾向于集聚，形成更高維缺陷，釋放能量高維缺陷，釋放能量54缺陷的去除缺陷的去除 缺陷在器件的有源區(qū)（晶體管所在位置）缺陷在器件的有源區(qū)（晶體管所在位置）影應(yīng)響其性能，必須設(shè)法使之減少。影應(yīng)響其性能，必須設(shè)法使之減少。n單晶生長時的工藝控制；單晶生長時的工藝控制；n非本征吸雜，在無源區(qū)引入應(yīng)變或損傷區(qū)非本征吸雜，在無源區(qū)引入應(yīng)變或損傷區(qū)來吸雜；來吸雜；n本征吸雜，氧是硅片內(nèi)固有的雜質(zhì)，硅中本征吸雜，氧是硅片內(nèi)固有的雜質(zhì)，硅中氧沉淀，氧有吸雜作用，是一種本征吸雜。氧沉淀，氧有吸雜作用，是一種本征吸雜。551.3 硅中雜質(zhì)硅中雜質(zhì)n

31、半導(dǎo)體材料多以摻雜混半導(dǎo)體材料多以摻雜混合物狀態(tài)出現(xiàn)，雜質(zhì)有合物狀態(tài)出現(xiàn)，雜質(zhì)有故意摻入的和無意摻入故意摻入的和無意摻入的。的。n故意摻入故意摻入si中的雜質(zhì)有中的雜質(zhì)有aa、vava族族, ,金。金。故意雜故意雜質(zhì)質(zhì)具有具有電活性電活性，能改變，能改變硅晶體的電學(xué)特性。硅晶體的電學(xué)特性。n無意摻入無意摻入si中的雜質(zhì)有中的雜質(zhì)有氧，碳等。氧，碳等。1.45*101056si中雜質(zhì)類型中雜質(zhì)類型n間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì) 主要是主要是a和和a族元素，有：族元素，有：na、k、li、h等，它們通常無電活性，在硅中以間等，它們通常無電活性，在硅中以間隙方式擴(kuò)散，擴(kuò)散速率快。隙方式擴(kuò)散，擴(kuò)散速率快。n替

32、位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì) 主要是主要是a和和a族元素，具有電族元素，具有電活性，在硅中有較高的固濃度。以替位方式擴(kuò)散活性，在硅中有較高的固濃度。以替位方式擴(kuò)散為主，也存在間隙為主，也存在間隙-替位式擴(kuò)散，擴(kuò)散速率慢，替位式擴(kuò)散，擴(kuò)散速率慢，稱為慢擴(kuò)散雜質(zhì)。稱為慢擴(kuò)散雜質(zhì)。n間隙間隙替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì) 大多數(shù)過渡元素：大多數(shù)過渡元素：au、fe、cu、pt、ni、ag等。都以間隙等。都以間隙-替位方式擴(kuò)散，替位方式擴(kuò)散，約比替位擴(kuò)散快五六個數(shù)量級，最終位于間隙和約比替位擴(kuò)散快五六個數(shù)量級，最終位于間隙和替位這兩種位置，位于間隙的雜質(zhì)無電活性，位替位這兩種位置，位于間隙的雜質(zhì)無電活性，位于替位的雜質(zhì)具

33、有電活性。于替位的雜質(zhì)具有電活性。571.3.1雜質(zhì)對雜質(zhì)對si電學(xué)特性的影響電學(xué)特性的影響naa、vava族族電活電活性雜質(zhì)主要有：性雜質(zhì)主要有：硼、磷、砷，硼、磷、砷，銻等銻等淺能級雜淺能級雜質(zhì)質(zhì)n金等雜質(zhì)在室金等雜質(zhì)在室溫時難以電離，溫時難以電離，多數(shù)無電活性，多數(shù)無電活性，是是復(fù)合中心復(fù)合中心，具有降低硅中具有降低硅中載流子壽命的載流子壽命的作用，是作用，是深能深能級雜質(zhì)級雜質(zhì)空穴空穴 硅晶體中硼電離示意圖硅晶體中硼電離示意圖bb束縛電子束縛電子自由電子自由電子 硅晶體中磷電離示意圖硅晶體中磷電離示意圖p+pdcdee 施主電離能施主電離能 受主電離能受主電離能 vaaee 58硅晶體

34、中雜質(zhì)能級和電離能硅晶體中雜質(zhì)能級和電離能59 硅單晶電阻率與摻雜濃度關(guān)系曲線硅單晶電阻率與摻雜濃度關(guān)系曲線硅的電阻率硅的電阻率-摻雜濃度曲線摻雜濃度曲線n不同類型雜質(zhì)對導(dǎo)電能不同類型雜質(zhì)對導(dǎo)電能力相互抵消的現(xiàn)象叫力相互抵消的現(xiàn)象叫雜雜質(zhì)補(bǔ)償質(zhì)補(bǔ)償。n硅中同時存在磷和硼，硅中同時存在磷和硼，若磷的濃度高于硼，那若磷的濃度高于硼，那么這就是么這就是n型硅。型硅。n不過導(dǎo)帶中的電子濃度不過導(dǎo)帶中的電子濃度并不等于磷雜質(zhì)濃度，并不等于磷雜質(zhì)濃度，因為電離的電子首先要因為電離的電子首先要填充受主，余下的才能填充受主，余下的才能發(fā)送到導(dǎo)帶。發(fā)送到導(dǎo)帶。601.3.2 雜質(zhì)在硅晶體中的溶解度雜質(zhì)在硅晶體中

35、的溶解度n一種元素一種元素b(b(溶質(zhì)溶質(zhì)) )引入到另一種元素引入到另一種元素a(a(溶溶劑劑) )晶體晶體中時，在達(dá)到一定濃度之前，不中時，在達(dá)到一定濃度之前，不會有會有新相新相產(chǎn)生，仍保持原產(chǎn)生，仍保持原a a晶體結(jié)構(gòu)，這晶體結(jié)構(gòu)，這樣的晶體稱為樣的晶體稱為固溶體固溶體。n一定溫度，雜質(zhì)在晶體中具有最大平衡一定溫度，雜質(zhì)在晶體中具有最大平衡濃度，這一平衡濃度就稱為該雜質(zhì)濃度，這一平衡濃度就稱為該雜質(zhì)b在晶在晶體體a中中的的固溶度固溶度。61固溶體固溶體n固溶體主要可分為兩類：固溶體主要可分為兩類： 替位式固溶體替位式固溶體和和間隙式固溶體間隙式固溶體。 si中中a、va族雜質(zhì)形成替位式有

36、限固溶體。族雜質(zhì)形成替位式有限固溶體。n替位式固溶體溶劑和溶質(zhì)應(yīng)滿足必要條件：替位式固溶體溶劑和溶質(zhì)應(yīng)滿足必要條件：n原子半徑相差小于原子半徑相差小于15，稱，稱“有利幾何因素有利幾何因素” r：si 1.17, b 0.89, p 1.10 ；n原子外部電了殼層結(jié)構(gòu)相似；原子外部電了殼層結(jié)構(gòu)相似；n晶體結(jié)構(gòu)的相似。晶體結(jié)構(gòu)的相似。62硅晶體中雜質(zhì)的固溶度硅晶體中雜質(zhì)的固溶度n摻雜濃度可摻雜濃度可以超過固溶以超過固溶度。給含雜度。給含雜質(zhì)原子的硅質(zhì)原子的硅片加熱，再片加熱，再快速冷卻，快速冷卻，雜質(zhì)濃度可雜質(zhì)濃度可超出其固溶超出其固溶度的度的10倍以倍以上上。63相圖知識相圖知識相圖相圖是用來

37、討論混合物體系性質(zhì)的一種圖示是用來討論混合物體系性質(zhì)的一種圖示方法。方法。相相定義為物質(zhì)存在的一種狀態(tài)，這一狀態(tài)是由定義為物質(zhì)存在的一種狀態(tài)，這一狀態(tài)是由一組均勻的性質(zhì)來表征的。一組均勻的性質(zhì)來表征的。當(dāng)混合物體系中的各相均處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，當(dāng)混合物體系中的各相均處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，一般包括一個以上固相的這種狀態(tài)圖就是相圖。一般包括一個以上固相的這種狀態(tài)圖就是相圖。相圖與大氣壓也有關(guān)，微電子工藝大多是常壓相圖與大氣壓也有關(guān)，微電子工藝大多是常壓工藝，一般只使用常壓狀態(tài)的相圖。工藝，一般只使用常壓狀態(tài)的相圖。 64相圖用途相圖用途 由材料的成分和溫度預(yù)知平衡相；由材料的成分和溫度預(yù)知平衡相；

38、材料的成分一定而溫度發(fā)生變化時材料的成分一定而溫度發(fā)生變化時其他平衡相變化的規(guī)律；其他平衡相變化的規(guī)律； 估算平衡相的數(shù)量。估算平衡相的數(shù)量。預(yù)測材料的組織和性能預(yù)測材料的組織和性能65相圖的構(gòu)成相圖的構(gòu)成：由兩條曲線將：由兩條曲線將相圖分為三個區(qū)。左右兩端相圖分為三個區(qū)。左右兩端點(diǎn)分別為組元的熔點(diǎn)。上面點(diǎn)分別為組元的熔點(diǎn)。上面的一條曲線稱為的一條曲線稱為液相線液相線，液，液相線之上為液相的單相區(qū)，相線之上為液相的單相區(qū)，常用常用l l表示；下面的一條曲表示；下面的一條曲線稱為線稱為固相線固相線，固相線之下，固相線之下為固溶體的單相區(qū)，常用為固溶體的單相區(qū)，常用表示；兩條曲線之間是表示；兩條曲

39、線之間是雙相雙相區(qū)區(qū)，標(biāo)記，標(biāo)記l+l+表示。表示。 二元勻晶相圖二元勻晶相圖66相圖與冷卻曲線的關(guān)系相圖與冷卻曲線的關(guān)系： 成分一定，在冷卻過程中，不同的相熱容量不相同，如果成分一定，在冷卻過程中，不同的相熱容量不相同，如果系統(tǒng)散熱能力一樣，溫度隨時間的變化系統(tǒng)散熱能力一樣，溫度隨時間的變化( (冷卻冷卻) )曲線上的斜率將曲線上的斜率將不同，曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)溫度就是某些相開始出現(xiàn)或完全小時不同，曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)溫度就是某些相開始出現(xiàn)或完全小時的溫度，利用這一特點(diǎn)，由實測的冷卻曲線可以作出相圖。的溫度，利用這一特點(diǎn)，由實測的冷卻曲線可以作出相圖。67兩相平衡時的數(shù)量分配規(guī)律杠桿定律兩相平衡時

40、的數(shù)量分配規(guī)律杠桿定律 如圖，合金如圖，合金x x在溫度在溫度t t1 1將由兩相長期并存，這時兩相的成分將由兩相長期并存，這時兩相的成分和數(shù)量保持不變。過和數(shù)量保持不變。過x x點(diǎn)作水平線交液相線和固相線于點(diǎn)作水平線交液相線和固相線于a a、c c點(diǎn)，點(diǎn)，經(jīng)熱力學(xué)證明經(jīng)熱力學(xué)證明a a、c c點(diǎn)的成分分別為平衡的液體和固體的成分，點(diǎn)的成分分別為平衡的液體和固體的成分，設(shè)設(shè)m ml l和和m m 分別為兩相的數(shù)量，分別為兩相的數(shù)量，由物質(zhì)不滅可推導(dǎo)出：由物質(zhì)不滅可推導(dǎo)出：一般用占總體數(shù)量的百分一般用占總體數(shù)量的百分比的相對值來表示。如果比的相對值來表示。如果把線段把線段axcaxc當(dāng)成一杠桿，

41、則當(dāng)成一杠桿，則他們滿足杠桿力的平衡原他們滿足杠桿力的平衡原理，所以稱之為理，所以稱之為杠桿定律杠桿定律。用杠桿定律來分析在理解和使用都有好的直觀性和方便。適用所有兩相平衡。用杠桿定律來分析在理解和使用都有好的直觀性和方便。適用所有兩相平衡。68連續(xù)性固溶體：鍺連續(xù)性固溶體：鍺-硅相圖硅相圖硅硅-鍺鍺二元相圖：二元相圖：可完全互溶，又稱為可完全互溶，又稱為同晶體系同晶體系，用杠桿規(guī)則計算各組分量，用杠桿規(guī)則計算各組分量ls1414938.3結(jié)晶區(qū)結(jié)晶區(qū)t1t2cmclcslssmllsmwcclwccs69鋁-硅體系相圖 n純鋁的凝固點(diǎn)（熔點(diǎn)）是660，純硅的凝固點(diǎn)是1412，在硅熔體中摻入鋁

42、，或在鋁熔體中摻入硅，熔體的凝固點(diǎn)都下降，凝固點(diǎn)最小值為577，這一點(diǎn)稱為共晶點(diǎn)共晶點(diǎn)，這一點(diǎn)的組分稱為共晶組成，共晶點(diǎn)硅原子占原子總數(shù)的11.3%。 l70砷砷-硅體系相圖硅體系相圖n兩種中間化合物：兩種中間化合物：sias和和sias2。有三個體系，。有三個體系，si-sias，sias-sias2，sias2-as。n有一重量比為有一重量比為86%as熔融熔融體從高溫開始冷卻。在溫體從高溫開始冷卻。在溫度達(dá)度達(dá)1020時，固體時，固體sias從熔體中結(jié)晶出來，熔體從熔體中結(jié)晶出來，熔體成為富砷相，直到溫度降成為富砷相，直到溫度降至至944，這時液相組成，這時液相組成為為90%as+10%

43、si。溫。溫度繼續(xù)下降時，固體的度繼續(xù)下降時，固體的sias與一些剩余的熔體結(jié)與一些剩余的熔體結(jié)合形成液體合形成液體+sias2相，相，sias被包在被包在sias2中。當(dāng)溫中。當(dāng)溫度降至度降至786，sias2和和相都從液相析出。該體系相都從液相析出。該體系稱稱包晶體系包晶體系。 as-si體系相圖（si）71本章小結(jié) n晶體結(jié)構(gòu)，作為芯片襯底的主要晶向、晶面的特點(diǎn)；n晶體缺陷類型、產(chǎn)生原因，以及對工藝有重要影響的點(diǎn)缺陷的特點(diǎn)；n晶體中雜質(zhì)類型，對硅電阻率的影響，以及固溶度。72n2.1 多晶硅的制備多晶硅的制備n2.2 單晶硅生長單晶硅生長 n2.3 硅片制造硅片制造第二章第二章 硅（單晶

44、）片制備硅（單晶）片制備732.1 多晶硅的制備多晶硅的制備n制備多晶硅，是采用地球上最普遍的原制備多晶硅，是采用地球上最普遍的原料石英砂（也稱硅石），就是二氧化硅，料石英砂（也稱硅石），就是二氧化硅，通過冶煉獲得多晶硅，再經(jīng)一系列化學(xué)通過冶煉獲得多晶硅，再經(jīng)一系列化學(xué)的、物理的提純工藝就制出半導(dǎo)體純度的、物理的提純工藝就制出半導(dǎo)體純度的多晶硅。電子級多晶硅純度可達(dá)的多晶硅。電子級多晶硅純度可達(dá)11n。74半導(dǎo)體純度多晶硅制備流程半導(dǎo)體純度多晶硅制備流程n冶煉冶煉 sio2+2c si+ 2co 主要雜質(zhì)：主要雜質(zhì)：fe、al、c、b、p、cu 要進(jìn)一步提純。要進(jìn)一步提純。 n酸洗酸洗 hyd

45、rochlorination化學(xué)提純化學(xué)提純 si + 3hcl sihcl3 + h2 si + 2cl2 sicl4 硅不溶于酸，所以粗硅初步提純是用硅不溶于酸，所以粗硅初步提純是用hcl、 h2so4、王水、等混酸泡洗至王水、等混酸泡洗至i含量含量99.7%以上。以上。n蒸餾提純蒸餾提純 distillation 利用物質(zhì)的沸點(diǎn)不同，而在精餾塔中通過精餾來對其進(jìn)行提純物理提純利用物質(zhì)的沸點(diǎn)不同，而在精餾塔中通過精餾來對其進(jìn)行提純物理提純 先將酸洗過的硅氧化為先將酸洗過的硅氧化為sihcl3或或 sicl4，常溫下，常溫下sihcl3 沸點(diǎn)沸點(diǎn)31.5，與與sicl4 沸點(diǎn)沸點(diǎn)57.6都是

46、液態(tài)，蒸餾獲得都是液態(tài)，蒸餾獲得高純的高純的sihcl3或或sicl4。n分解分解 discomposition sicl4 + 2h2 si + 4hcl sihcl3 + h2 si + 3hcl 氫氣易于凈化，且在氫氣易于凈化，且在si中溶解度極低，因此，多用中溶解度極低，因此，多用h2來還原來還原sihcl3和和sicl4，還原得到的硅就是半，還原得到的硅就是半導(dǎo)體純度的多晶硅。導(dǎo)體純度的多晶硅。 1600-18007576多晶硅結(jié)構(gòu)模型和性質(zhì) n多晶硅呈各向同性 多晶硅是由無數(shù)微小晶粒以不同取向無規(guī)則的堆積而成，晶粒內(nèi)部原子排列有序，晶粒的大小和取向與制備方法、工藝條件有關(guān)，晶粒各向

47、異性，在晶粒與晶粒之間是晶界，晶界處原子排列無序，多晶硅的晶粒各個取向都有n多晶硅內(nèi)雜質(zhì)在晶粒與晶界之間有分凝效應(yīng) 晶粒內(nèi)雜質(zhì)濃度低，而晶界處雜質(zhì)濃度高；晶界處形成大量晶體缺陷，由此產(chǎn)生陷阱效應(yīng)，易俘獲載流子。n多晶硅與單晶硅比較具有：電阻率大，且電阻的溫度系數(shù)可通過摻雜濃度選正、負(fù)、零；雜質(zhì)在其內(nèi)部擴(kuò)散速率快；少子壽命低，約比單晶硅低三個數(shù)量級。 772.2 單晶硅生長單晶硅生長n采用熔體生長法采用熔體生長法制備單晶硅棒制備單晶硅棒n多晶硅多晶硅熔體硅熔體硅單晶硅棒單晶硅棒 n按制備時有無使用按制備時有無使用坩堝坩堝又分為兩類又分為兩類n有坩堝的：直拉法、磁控直拉法；有坩堝的：直拉法、磁控直

48、拉法；n無坩堝的：懸浮區(qū)熔法無坩堝的：懸浮區(qū)熔法 。 78直拉法直拉法-czochralski法法(cz法法)原理原理n物質(zhì)的本質(zhì)物質(zhì)的本質(zhì)：原子以哪種方式結(jié)合使系統(tǒng)吉布斯自由原子以哪種方式結(jié)合使系統(tǒng)吉布斯自由能更低。能更低。溫度高時原子活動能力強(qiáng)，排列紊亂能量低，溫度高時原子活動能力強(qiáng)，排列紊亂能量低，而低溫下按特定方式排列結(jié)合能高可降低其總能量而低溫下按特定方式排列結(jié)合能高可降低其總能量-這是熱力學(xué)的基本原則。這是熱力學(xué)的基本原則。n熔融液體的粘度熔融液體的粘度：粘度表征流體中發(fā)生相對運(yùn)動的阻粘度表征流體中發(fā)生相對運(yùn)動的阻力力，隨溫度降低，粘度不斷增加，在到達(dá)結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫，隨溫度降低，粘度不

49、斷增加，在到達(dá)結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度前。粘度增加到能阻止在度前。粘度增加到能阻止在重力重力作用物質(zhì)發(fā)生流動時，作用物質(zhì)發(fā)生流動時，即可以保持固定的形狀，這時物質(zhì)已經(jīng)凝固，不能發(fā)即可以保持固定的形狀，這時物質(zhì)已經(jīng)凝固，不能發(fā)生結(jié)晶。生結(jié)晶。n熔融液體的冷卻速度熔融液體的冷卻速度：冷卻速度快，到達(dá)結(jié)晶溫度原：冷卻速度快，到達(dá)結(jié)晶溫度原子來不及重新排列就降到更低溫度，最終到室溫時難子來不及重新排列就降到更低溫度，最終到室溫時難以重組合成晶體，可以將無規(guī)則排列固定下來。以重組合成晶體，可以將無規(guī)則排列固定下來。固體狀態(tài)下原子的排列方式有無規(guī)則排列的非晶態(tài)，也可以固體狀態(tài)下原子的排列方式有無規(guī)則排列的非晶態(tài)，也可

50、以成為規(guī)則排列的晶體。決定因素有三方面成為規(guī)則排列的晶體。決定因素有三方面:79結(jié)晶的熱力學(xué)條件結(jié)晶的熱力學(xué)條件n熱力學(xué)定律指出，在等壓條件下，一切自發(fā)熱力學(xué)定律指出，在等壓條件下，一切自發(fā)過程都是朝著系統(tǒng)自由能（即能夠?qū)ν庾龉^程都是朝著系統(tǒng)自由能（即能夠?qū)ν庾龉Φ哪遣糠帜芰浚┙档偷姆较蜻M(jìn)行。的那部分能量）降低的方向進(jìn)行。n晶體生長過程亦即相變過程。熔體硅晶體生長過程亦即相變過程。熔體硅晶體硅，是相界面推移過程。晶體硅，是相界面推移過程。（1）g-t曲線曲線 a 是下降曲線：由是下降曲線：由g-t函數(shù)的一次導(dǎo)數(shù)函數(shù)的一次導(dǎo)數(shù)（負(fù)）確定。（負(fù)）確定。 dg/dt=-s b 是上凸曲線：由二次導(dǎo)

51、數(shù)（負(fù)）確定。是上凸曲線：由二次導(dǎo)數(shù)（負(fù)）確定。 d2g/d2t=-cp/t c 液相曲線斜率大于固相：液相曲線斜率大于固相： 由一次導(dǎo)數(shù)大小確定。由一次導(dǎo)數(shù)大小確定。 二曲線相交于一點(diǎn)，即材料的熔點(diǎn)。二曲線相交于一點(diǎn)，即材料的熔點(diǎn)。80結(jié)晶的熱力學(xué)條件結(jié)晶的熱力學(xué)條件 因為液體的熵值恒大于固體的熵，因為液體的熵值恒大于固體的熵，所以液體的曲線下降的趨勢更陡，兩所以液體的曲線下降的趨勢更陡，兩曲線相交處的溫度曲線相交處的溫度t tm m，當(dāng)溫度，當(dāng)溫度t= tt= tm m時，液相和固相的自由能相等，處于時，液相和固相的自由能相等，處于平衡共存，所以稱平衡共存，所以稱t tm m為臨界點(diǎn)，也就

52、為臨界點(diǎn)，也就是是理論凝固溫度理論凝固溫度。當(dāng)當(dāng)t tt tt tm m時，從固體向液體的轉(zhuǎn)變使時，從固體向液體的轉(zhuǎn)變使吉布斯自由能下降，是自發(fā)過程，發(fā)吉布斯自由能下降，是自發(fā)過程，發(fā)生熔化過程。生熔化過程。結(jié)晶過程的熱力學(xué)條件結(jié)晶過程的熱力學(xué)條件就是溫度在就是溫度在理論熔點(diǎn)以下。理論熔點(diǎn)以下。81n由結(jié)晶熱力學(xué)，由結(jié)晶熱力學(xué)，在單一的組元情況下，在一定的過冷度在單一的組元情況下，在一定的過冷度下，液體中若出現(xiàn)一固態(tài)的晶體，該區(qū)域的能量將發(fā)生下，液體中若出現(xiàn)一固態(tài)的晶體，該區(qū)域的能量將發(fā)生變化，一方面一定體積的液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，體積自由能變化，一方面一定體積的液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，體積自由能會下降，另

53、一方面增加了液固相界面，增加了表面自會下降，另一方面增加了液固相界面，增加了表面自由能，因此總的吉布斯自由能變化量為：由能，因此總的吉布斯自由能變化量為：為密度，為密度，為界面能（界面張力），為界面能（界面張力），a為表面積為表面積g0，是自發(fā)過程，是自發(fā)過程，tm 為熔點(diǎn)，為熔點(diǎn)， n定義：定義：表述材料過冷的程度，將理論轉(zhuǎn)變溫度與實際所表述材料過冷的程度，將理論轉(zhuǎn)變溫度與實際所處在的溫度之差稱為處在的溫度之差稱為過冷度過冷度，t=t- tm。過冷度越大自過冷度越大自發(fā)過程越易發(fā)生發(fā)過程越易發(fā)生-過冷是結(jié)晶的必要條件之一過冷是結(jié)晶的必要條件之一agggls)(82 單晶的制備單晶的制備 根據(jù)

54、凝固理論，要想得到單晶體，在凝固的過程中只有根據(jù)凝固理論，要想得到單晶體，在凝固的過程中只有晶體長大而不能有新的晶體長大而不能有新的晶核晶核形成，采取的措施就是：形成，采取的措施就是：熔體的純度非常高，防止非均勻形核；熔體的純度非常高，防止非均勻形核；液體的溫度控制在精確的范圍內(nèi)，過冷度很小，可以生長液體的溫度控制在精確的范圍內(nèi)，過冷度很小，可以生長但不足以發(fā)生自發(fā)形核；但不足以發(fā)生自發(fā)形核；引入一個晶體引入一個晶體( (晶種晶種) )，僅讓這個晶體在此環(huán)境中長大，僅讓這個晶體在此環(huán)境中長大。83結(jié)晶動力學(xué)結(jié)晶動力學(xué)n研究結(jié)晶物質(zhì)的研究結(jié)晶物質(zhì)的結(jié)晶結(jié)晶形成方式和過程以及形成方式和過程以及結(jié)晶

55、速率結(jié)晶速率對時間、溫度和對時間、溫度和分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)等影響因素的依賴關(guān)系。等影響因素的依賴關(guān)系。n固液界面處，熔體硅必須釋放熱能（結(jié)晶潛能固液界面處，熔體硅必須釋放熱能（結(jié)晶潛能l），并在界面處產(chǎn)生一大的），并在界面處產(chǎn)生一大的溫度梯度（約溫度梯度（約100/cm)。在一維分析中，令界面處單位體積內(nèi)的能流平衡。在一維分析中，令界面處單位體積內(nèi)的能流平衡lksk-液態(tài)和固態(tài)硅在熔融溫度下的熱導(dǎo)率液態(tài)和固態(tài)硅在熔融溫度下的熱導(dǎo)率dtdm- 質(zhì)量傳遞速度質(zhì)量傳遞速度式中式中84提拉速度問題n在直拉工藝條件下，兩個熱擴(kuò)散項都為正值，且第一項第二項，在直拉工藝條件下，兩個熱擴(kuò)散項都為正值，且第一項第

56、二項，所以晶錠提升有一個最大提拉速度所以晶錠提升有一個最大提拉速度n假設(shè)向上擴(kuò)散到固體的熱量都由界面處結(jié)晶潛熱產(chǎn)生（第一項為假設(shè)向上擴(kuò)散到固體的熱量都由界面處結(jié)晶潛熱產(chǎn)生（第一項為0），），熔體部分沒有溫度梯度，則熔體部分沒有溫度梯度，則maxv85直拉法直拉法-czochralski法法(cz法法)在坩堝中放入多晶硅，在坩堝中放入多晶硅，加熱使之熔融，用一加熱使之熔融，用一個夾頭夾住一塊適當(dāng)個夾頭夾住一塊適當(dāng)晶向的晶向的籽晶籽晶，將它懸，將它懸浮在坩堝上，拉制時，浮在坩堝上，拉制時，一端插入熔體直到熔一端插入熔體直到熔化，然后再緩慢向上化，然后再緩慢向上提拉，這時在液提拉，這時在液-固界固界

57、面經(jīng)過逐漸冷凝就形面經(jīng)過逐漸冷凝就形成了單晶。成了單晶。86單晶爐單晶爐四部分組成：四部分組成：爐體部分，有坩堝、水爐體部分，有坩堝、水冷裝置和拉桿等機(jī)械冷裝置和拉桿等機(jī)械傳動部分；傳動部分；加熱控溫系統(tǒng)，有光學(xué)加熱控溫系統(tǒng)，有光學(xué)高溫計、加熱器、隔高溫計、加熱器、隔熱裝置等；熱裝置等；真空部分，有機(jī)械泵、真空部分，有機(jī)械泵、擴(kuò)散泵、測真空計等擴(kuò)散泵、測真空計等?？刂撇糠?，電控系統(tǒng)等控制部分，電控系統(tǒng)等 西安矽美單晶硅公司單晶生產(chǎn)照片西安矽美單晶硅公司單晶生產(chǎn)照片87cz法工藝流程法工藝流程n準(zhǔn)備準(zhǔn)備n腐蝕清洗多晶腐蝕清洗多晶- -籽晶準(zhǔn)備籽晶準(zhǔn)備- -裝爐裝爐- -真空操作真空操作 n開爐開

58、爐n升溫升溫- -水冷水冷- -通氣通氣 n生長生長n引晶引晶- -縮晶縮晶- -放肩放肩- -等徑生長等徑生長- -收收尾尾 n停爐停爐n降溫降溫-停氣停氣-停止抽真空停止抽真空-開爐開爐縮頸作用示意圖縮頸作用示意圖88n引晶引晶 是將籽晶與熔體很好的接觸。是將籽晶與熔體很好的接觸。 n縮晶縮晶 在籽晶與生長的單晶棒之間縮頸，晶體最細(xì)在籽晶與生長的單晶棒之間縮頸，晶體最細(xì)部分直徑只有部分直徑只有2-3mm。 n放肩放肩 將晶體直徑放大至需要的尺寸。將晶體直徑放大至需要的尺寸。n等徑生長等徑生長 拉桿與坩堝反向勻速轉(zhuǎn)動拉制出等徑單拉桿與坩堝反向勻速轉(zhuǎn)動拉制出等徑單晶。拉升速度、轉(zhuǎn)速，以及溫度決

59、定晶體直徑大小，晶。拉升速度、轉(zhuǎn)速，以及溫度決定晶體直徑大小，縮晶與放肩處的直徑也是由拉升速度、轉(zhuǎn)速，以及縮晶與放肩處的直徑也是由拉升速度、轉(zhuǎn)速，以及溫度控制。溫度控制。 n收尾收尾 結(jié)束單晶生長。結(jié)束單晶生長。 生長生長89籽晶是必不可少的，因為當(dāng)熔體溫度籽晶是必不可少的，因為當(dāng)熔體溫度低于熔點(diǎn)時，在熔體中將出現(xiàn)晶體微粒，低于熔點(diǎn)時，在熔體中將出現(xiàn)晶體微粒，即晶核，晶核在母相內(nèi)各處出現(xiàn)的幾率相即晶核，晶核在母相內(nèi)各處出現(xiàn)的幾率相同。為了克服相當(dāng)大的表面能壘（界面勢同。為了克服相當(dāng)大的表面能壘（界面勢壘）壘） -表面張力，需要相當(dāng)大的過冷度表面張力，需要相當(dāng)大的過冷度才能形成晶核。才能形成晶核

60、。 理想工藝是在晶體生長時只產(chǎn)生一個理想工藝是在晶體生長時只產(chǎn)生一個晶核，整個晶棒是完整的單晶，所以籽晶晶核，整個晶棒是完整的單晶，所以籽晶的加入就是做的加入就是做晶核晶核，力圖生長出完整的單，力圖生長出完整的單晶。晶。 籽晶的作用籽晶的作用 90n提拉速度，晶體的質(zhì)量對提拉速度很敏感，在靠近提拉速度，晶體的質(zhì)量對提拉速度很敏感，在靠近熔體處晶體的點(diǎn)缺陷濃度最高，快速冷卻能阻止這熔體處晶體的點(diǎn)缺陷濃度最高，快速冷卻能阻止這些缺陷結(jié)團(tuán)。些缺陷結(jié)團(tuán)。點(diǎn)缺陷結(jié)團(tuán)點(diǎn)缺陷結(jié)團(tuán)后多為位錯環(huán)，這些環(huán)相后多為位錯環(huán)，這些環(huán)相對硅棒軸中心呈漩渦狀分布，呈漩渦缺陷。對硅棒軸中心呈漩渦狀分布，呈漩渦缺陷。n溫度場的