晶體生長技術(shù)

1、 晶體生長技術(shù)晶體生長技術(shù)1.1.晶體生長的一般方法晶體生長的一般方法 晶體是在晶體是在物相轉(zhuǎn)變物相轉(zhuǎn)變的情況下形成的的情況下形成的。 物相有三種，即氣相、液相和固相。物相有三種，即氣相、液相和固相。 由由氣相、液相氣相、液相固相固相時形成晶體，時形成晶體， 固相之間固相之間也可以直接產(chǎn)生轉(zhuǎn)變也可以直接產(chǎn)生轉(zhuǎn)變。 晶體生長是非平衡態(tài)的相變過程，熱力學(xué)一般處理平衡態(tài)問題，若系晶體生長是非平衡態(tài)的相變過程，熱力學(xué)一般處理平衡態(tài)問題，若系統(tǒng)處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)，可使用熱力學(xué)的平衡條件來處理問題統(tǒng)處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)，可使用熱力學(xué)的平衡條件來處理問題相平衡條件：各組元在各相的化學(xué)勢相等相平衡條件：各組元在各相的化

2、學(xué)勢相等熱平衡條件：系統(tǒng)各部分溫度相等熱平衡條件：系統(tǒng)各部分溫度相等力學(xué)平衡條件：系統(tǒng)各部分壓強(qiáng)相等力學(xué)平衡條件：系統(tǒng)各部分壓強(qiáng)相等(1)(1)固相生長固相生長: :固體固體固體固體 在具有固相轉(zhuǎn)變的材料中進(jìn)行在具有固相轉(zhuǎn)變的材料中進(jìn)行 石墨石墨金剛石金剛石 通過通過熱處理或激光照射熱處理或激光照射等手段，將一部等手段，將一部分結(jié)構(gòu)不完整的晶體轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為完整的分結(jié)構(gòu)不完整的晶體轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為完整的晶體晶體 微晶硅微晶硅單晶硅薄膜單晶硅薄膜(2)(2)液相生長液相生長: :液體液體固體固體 溶液中生長溶液中生長 從溶液中結(jié)晶從溶液中結(jié)晶 當(dāng)溶液達(dá)到當(dāng)溶液達(dá)到過飽和過飽和時，才能析出晶體時，才能析出晶

3、體. . 可在低于材料的熔點(diǎn)溫度下生長晶體，因此它們特別適合可在低于材料的熔點(diǎn)溫度下生長晶體，因此它們特別適合于制取那些熔點(diǎn)高，蒸汽壓大，用熔體法不易生長的晶體和薄于制取那些熔點(diǎn)高，蒸汽壓大，用熔體法不易生長的晶體和薄膜；膜； 如如GaAsGaAs液相外延液相外延( (LPE-liquid phase epitaxy)LPE-liquid phase epitaxy) 熔體中生長熔體中生長 從熔體中結(jié)晶從熔體中結(jié)晶 當(dāng)溫度低于熔點(diǎn)時，晶體開始析出當(dāng)溫度低于熔點(diǎn)時，晶體開始析出，也就是，也就是說，只有當(dāng)說，只有當(dāng)熔體熔體過冷卻過冷卻時晶體才能發(fā)生時晶體才能發(fā)生。 如水在溫度低于零攝氏度時結(jié)晶成冰

4、；金屬熔體冷卻到熔點(diǎn)如水在溫度低于零攝氏度時結(jié)晶成冰；金屬熔體冷卻到熔點(diǎn)以下結(jié)晶成金屬晶體。以下結(jié)晶成金屬晶體。 可生長純度高，體積大，完整性好的可生長純度高，體積大，完整性好的單晶體單晶體，而且生長，而且生長速度快，是速度快，是制取大直徑半導(dǎo)體單晶最主要的方法制取大直徑半導(dǎo)體單晶最主要的方法 我國首臺我國首臺1212英寸單晶爐研制成功英寸單晶爐研制成功 (070615), (070615),所制備的硅單晶主所制備的硅單晶主要用于要用于集成電路元件集成電路元件和和太陽能電池太陽能電池 (3)(3)氣相生長氣相生長: :氣體氣體固體固體從氣相直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟臈l件是要有從氣相直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟臈l件是

5、要有足夠低的蒸氣壓。足夠低的蒸氣壓。 例子例子: : 在火山口附近常由火山噴氣直接生成硫、碘或氯化鈉的晶在火山口附近常由火山噴氣直接生成硫、碘或氯化鈉的晶體。體。 雪花就是由于水蒸氣冷卻直接結(jié)晶而成的晶體雪花就是由于水蒸氣冷卻直接結(jié)晶而成的晶體 氣體凝華氣體凝華: :物質(zhì)從氣態(tài)直接變成固體物質(zhì)從氣態(tài)直接變成固體( (氣體升華：固態(tài)氣體升華：固態(tài)氣態(tài)氣態(tài)) ) 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積( (CVD)CVD) 2.2.液固相轉(zhuǎn)變過程液固相轉(zhuǎn)變過程(1)(1)溶液中生長溶液中生長 C C1 1 C CO O, ,相變發(fā)生相變發(fā)生, ,有一定的過飽和度有一定的過飽和度C C1: 1: 一定溫度一定溫度

6、T,T,壓力壓力P,P,溶質(zhì)濃度溶質(zhì)濃度 C CO:O:一定溫度一定溫度T,T,壓力壓力P,P,飽和溶液濃度飽和溶液濃度 (2)(2)熔體中生長熔體中生長 T T 0,0,相變發(fā)生相變發(fā)生, ,有一定的過冷度有一定的過冷度過冷現(xiàn)象：過冷現(xiàn)象：熔體材料冷卻到理論結(jié)晶溫度以下，并不是立即就形成晶體，熔體材料冷卻到理論結(jié)晶溫度以下，并不是立即就形成晶體，材料處在材料處在應(yīng)該轉(zhuǎn)變的理論溫度以下，還保留原來狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為過冷應(yīng)該轉(zhuǎn)變的理論溫度以下，還保留原來狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為過冷。過冷度：為了表述材料過冷的程度，將理論轉(zhuǎn)變溫度與實(shí)際所處在的溫度之差稱為過冷度：為了表述材料過冷的程度，將理論轉(zhuǎn)變溫度與

7、實(shí)際所處在的溫度之差稱為過冷度過冷度 。 T = Tm T (T Tm m理論凝固溫度理論凝固溫度) )。硅鍺單晶生長硅鍺單晶生長 單晶材料的生長，是物質(zhì)的非晶態(tài)，多單晶材料的生長，是物質(zhì)的非晶態(tài)，多晶態(tài)，或能夠形成該物質(zhì)的反應(yīng)物，通晶態(tài)，或能夠形成該物質(zhì)的反應(yīng)物，通過一定的物理或化學(xué)手段轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉钸^一定的物理或化學(xué)手段轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉顟B(tài)的過程。首先將結(jié)晶的物質(zhì)通過熔化態(tài)的過程。首先將結(jié)晶的物質(zhì)通過熔化或溶解方式轉(zhuǎn)變成熔體或溶液。再控制或溶解方式轉(zhuǎn)變成熔體或溶液。再控制其熱力學(xué)條件生成晶相，并讓其長大。其熱力學(xué)條件生成晶相，并讓其長大。l可分為可分為熔體生長法熔體生長法、溶液生長法和氣相生長法。

8、、溶液生長法和氣相生長法。l而從生長方式來說，可分為水平生長、垂直生長而從生長方式來說，可分為水平生長、垂直生長 和晶體的拉制等。和晶體的拉制等。 單晶硅圓片按其直徑分為單晶硅圓片按其直徑分為6 6英寸、英寸、8 8英寸、英寸、1212英寸英寸（300300毫米）及毫米）及1818英寸（英寸（450450毫米）等。毫米）等。 直徑越大的圓片，所能刻制的集成電路越多，芯直徑越大的圓片，所能刻制的集成電路越多，芯片的成本也就越低。但大尺寸晶片對材料和技術(shù)片的成本也就越低。但大尺寸晶片對材料和技術(shù)的要求也越高。的要求也越高。 單晶硅單晶硅按晶體生長方法的不同，分為按晶體生長方法的不同，分為直拉法（直

9、拉法（CZCzochralski）、）、區(qū)熔法（區(qū)熔法（ FZ,FZ,Float-Zone）和外延法。和外延法。 直拉法、區(qū)熔法生長單晶硅棒，外延法生長單晶直拉法、區(qū)熔法生長單晶硅棒，外延法生長單晶硅薄膜。硅薄膜。 直拉法直拉法生長的單晶硅主要用于半導(dǎo)體集成電路、二生長的單晶硅主要用于半導(dǎo)體集成電路、二極管、外延片襯底、太陽能電池。目前晶體直徑可極管、外延片襯底、太陽能電池。目前晶體直徑可控制在控制在3838英寸。英寸。 區(qū)熔法區(qū)熔法單晶主要用于高壓大功率可控整流器件領(lǐng)域單晶主要用于高壓大功率可控整流器件領(lǐng)域，廣泛用于大功率輸變電、電力機(jī)車、整流、變頻，廣泛用于大功率輸變電、電力機(jī)車、整流、變頻、機(jī)電一體化、節(jié)能燈、電視機(jī)等系列產(chǎn)品。目前、機(jī)電一體化、節(jié)能燈、電視機(jī)等系列產(chǎn)品。目前晶體直徑可控制在晶體直徑可控制在3636英寸。英寸。 外延片外延片主要用于集成電路領(lǐng)域。主要用于集成電路領(lǐng)域。鍺單晶主要用直拉法，硅用直拉法和懸浮區(qū)熔法鍺單晶主要用直拉法，硅用直拉法和懸浮區(qū)熔法 水平區(qū)熔法生長單晶（鍺）水平區(qū)熔法生長單晶（鍺） 懸浮區(qū)熔法生長單晶（硅）懸浮區(qū)熔法生長單晶（硅）二、區(qū)熔法二、區(qū)熔法提拉法焰熔法水熱法 泡生法（Kyropoulos法）