硅晶體結(jié)構(gòu)（課堂PPT）

1、1硅的晶體結(jié)構(gòu)和硅單晶體制備硅的晶體結(jié)構(gòu)和硅單晶體制備2硅的晶體結(jié)構(gòu)硅的晶體結(jié)構(gòu) 硅是自然界蘊(yùn)含最豐富元素之一，約占地殼重硅是自然界蘊(yùn)含最豐富元素之一，約占地殼重量量25%25%，豐富程度僅次于氧；，豐富程度僅次于氧； 硅是電子工業(yè)中最重要的半導(dǎo)體材料，以硅是電子工業(yè)中最重要的半導(dǎo)體材料，以硅土硅土和硅酸鹽和硅酸鹽等化合物狀態(tài)存在；等化合物狀態(tài)存在；自然界中的自然界中的固態(tài)物質(zhì)固態(tài)物質(zhì)以以晶體或非晶體晶體或非晶體形式存在；形式存在；晶體和非晶體在晶體和非晶體在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)上上存在明顯差別；任一晶體都是由原子在三維空間按存在明顯差別；任一晶體都是由原子

2、在三維空間按一定一定規(guī)則周期性排列規(guī)則周期性排列而成；而成；3 非晶體是指組成物質(zhì)的分子（或原子、離非晶體是指組成物質(zhì)的分子（或原子、離子）不呈空間有規(guī)則周期性排列的固體。非晶子）不呈空間有規(guī)則周期性排列的固體。非晶體沒(méi)有一定的規(guī)則外形，如玻璃、松香、石蠟體沒(méi)有一定的規(guī)則外形，如玻璃、松香、石蠟等。其物理性質(zhì)在各個(gè)方向上是相同的，稱等。其物理性質(zhì)在各個(gè)方向上是相同的，稱“各向同性各向同性”；沒(méi)有固定的熔點(diǎn)。有人把非晶體；沒(méi)有固定的熔點(diǎn)。有人把非晶體叫做叫做“過(guò)冷液體過(guò)冷液體”或或“流動(dòng)性很小的液體流動(dòng)性很小的液體”。硅的晶體結(jié)構(gòu)硅的晶體結(jié)構(gòu) 4硅的晶體結(jié)構(gòu)硅的晶體結(jié)構(gòu) 晶體在不同方向上物理性質(zhì)

3、不同的現(xiàn)象晶體在不同方向上物理性質(zhì)不同的現(xiàn)象各向異性各向異性。 非晶體各個(gè)方向物理性質(zhì)是相同的。非晶體各個(gè)方向物理性質(zhì)是相同的。晶體在固液轉(zhuǎn)變過(guò)程中，固液共存狀晶體在固液轉(zhuǎn)變過(guò)程中，固液共存狀態(tài)下，保持一定溫度不變，此溫度稱態(tài)下，保持一定溫度不變，此溫度稱為熔點(diǎn)或凝固點(diǎn)；但非晶體沒(méi)有固定為熔點(diǎn)或凝固點(diǎn)；但非晶體沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，非晶體通常又稱為的熔點(diǎn)，非晶體通常又稱為玻璃態(tài)物玻璃態(tài)物質(zhì)質(zhì)，熔化過(guò)程是固態(tài)逐步軟化形成的。，熔化過(guò)程是固態(tài)逐步軟化形成的。凝固狀態(tài)取決于加工條件。凝固狀態(tài)取決于加工條件。5硅的晶體結(jié)構(gòu)硅的晶體結(jié)構(gòu) 單晶體單晶體內(nèi)部所有原子均按統(tǒng)一周期排列的晶體；內(nèi)部所有原子均按統(tǒng)一周期

4、排列的晶體； 多晶體多晶體由許多小晶體顆粒無(wú)規(guī)則堆積而成的晶體；由許多小晶體顆粒無(wú)規(guī)則堆積而成的晶體； 集成電路制造所用硅材料（硅晶圓片）就是硅單晶體集成電路制造所用硅材料（硅晶圓片）就是硅單晶體；6硅的晶體結(jié)構(gòu)硅的晶體結(jié)構(gòu) 晶列、晶面與晶向晶列、晶面與晶向 晶格中的原子可看成是在一系列方向相同的晶格中的原子可看成是在一系列方向相同的平行直線上，該直線稱為平行直線上，該直線稱為晶列晶列。通常晶列所指方向即。通常晶列所指方向即為晶向。晶格中一些原子構(gòu)成的平面稱為為晶向。晶格中一些原子構(gòu)成的平面稱為晶面晶面。7Si原子正四面體結(jié)構(gòu)單元硅晶體結(jié)構(gòu)示意圖8 硅晶體結(jié)構(gòu)由同一種化學(xué)元素組成，且面心結(jié)構(gòu)上

5、每個(gè)硅晶體結(jié)構(gòu)由同一種化學(xué)元素組成，且面心結(jié)構(gòu)上每個(gè)原子都與周圍四個(gè)原子相鄰，四個(gè)原子的取向方位，對(duì)原子都與周圍四個(gè)原子相鄰，四個(gè)原子的取向方位，對(duì)同一套同一套面心立方上的原子是相同的，對(duì)面心立方上的原子是相同的，對(duì)不同套不同套面心立方面心立方是不同的。是不同的。硅晶體結(jié)構(gòu) 硅晶體結(jié)構(gòu)雖然排列有規(guī)則，但內(nèi)部還存在相當(dāng)大的硅晶體結(jié)構(gòu)雖然排列有規(guī)則，但內(nèi)部還存在相當(dāng)大的空隙，某些半徑較小的原子能比較容易在晶格內(nèi)運(yùn)動(dòng)?？障?，某些半徑較小的原子能比較容易在晶格內(nèi)運(yùn)動(dòng)。9 晶體中原子在不同方向上的排列是不同的晶體中原子在不同方向上的排列是不同的疏密不同疏密不同 當(dāng)某個(gè)晶向上原子之間間距最小原子排的最密，

6、該晶當(dāng)某個(gè)晶向上原子之間間距最小原子排的最密，該晶面稱為密排方向。原子排列最緊密的面稱為密排面。面稱為密排方向。原子排列最緊密的面稱為密排面。晶體密排面密排面特點(diǎn)：密排面特點(diǎn)：1 1、原子排列最緊密，相鄰原子間距小；、原子排列最緊密，相鄰原子間距??；2 2、相鄰密排面晶面之間的距離最大；、相鄰密排面晶面之間的距離最大；晶體最容易從密排面之間斷開(kāi)晶體最容易從密排面之間斷開(kāi)解理面解理面10硅晶體中的缺陷和雜質(zhì)集成電路制作過(guò)程中，選擇單晶為基本材料集成電路制作過(guò)程中，選擇單晶為基本材料無(wú)位錯(cuò)材料無(wú)位錯(cuò)材料 晶體缺陷種類：晶體缺陷種類：點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷線缺陷 面缺陷面缺陷體缺陷體缺陷11點(diǎn)缺陷 晶體

7、點(diǎn)缺陷主要包括晶體點(diǎn)缺陷主要包括間隙原子、空位間隙原子、空位、肖特基缺陷、肖特基缺陷、弗侖克爾缺陷和外來(lái)原子等。弗侖克爾缺陷和外來(lái)原子等。12點(diǎn)缺陷產(chǎn)生點(diǎn)缺陷的影響因素： 熱振動(dòng)和輻射能量 稱間隙原子和空位為熱缺陷13線缺陷硅單晶拉制過(guò)程中，由于設(shè)備振動(dòng)以及結(jié)晶表面溫差，會(huì)產(chǎn)生機(jī)硅單晶拉制過(guò)程中，由于設(shè)備振動(dòng)以及結(jié)晶表面溫差，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致單晶體中原子周期性排列發(fā)生混亂，易于造成缺陷。械應(yīng)力，導(dǎo)致單晶體中原子周期性排列發(fā)生混亂，易于造成缺陷。主要表現(xiàn)形式：位錯(cuò)刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò) 晶體中的位錯(cuò)可認(rèn)為是由晶體中的位錯(cuò)可認(rèn)為是由滑移滑移所形成的，滑移后兩部分晶體所形成的，滑移后兩部分晶體重新吻合重新吻合?；频木嬷?，在滑移部分和未滑移部分交界處形?；频木嬷?，在滑移部分和未滑移部分交界處形成位錯(cuò)?；屏看笮】捎没剖噶縼?lái)描述。成位錯(cuò)?；屏看笮】捎没剖噶縼?lái)描述。 當(dāng)位錯(cuò)線與滑移矢量當(dāng)位錯(cuò)線與滑移矢量垂直垂直時(shí)，稱為刃位錯(cuò)；時(shí)，稱為刃位錯(cuò)； 當(dāng)位錯(cuò)線與滑移矢量當(dāng)位錯(cuò)線與滑移矢量平行平行時(shí)，則稱為螺位錯(cuò)。時(shí)，則稱為螺位錯(cuò)。14位錯(cuò)示意圖刃位錯(cuò)螺位錯(cuò)15滑移與攀移滑移滑移攀移攀移16