晶体生长技术

1、 晶体生长技术晶体生长技术1.1.晶体生长的一般方法晶体生长的一般方法 晶体是在晶体是在物相转变物相转变的情况下形成的的情况下形成的。 物相有三种，即气相、液相和固相。物相有三种，即气相、液相和固相。 由由气相、液相气相、液相固相固相时形成晶体，时形成晶体， 固相之间固相之间也可以直接产生转变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相平衡条件：各组元在各相的化

2、学势相等热平衡条件：系统各部分温度相等热平衡条件：系统各部分温度相等力学平衡条件：系统各部分压强相等力学平衡条件：系统各部分压强相等(1)(1)固相生长固相生长: :固体固体固体固体 在具有固相转变的材料中进行在具有固相转变的材料中进行 石墨石墨金刚石金刚石 通过通过热处理或激光照射热处理或激光照射等手段，将一部等手段，将一部分结构不完整的晶体转变为较为完整的分结构不完整的晶体转变为较为完整的晶体晶体 微晶硅微晶硅单晶硅薄膜单晶硅薄膜(2)(2)液相生长液相生长: :液体液体固体固体 溶液中生长溶液中生长 从溶液中结晶从溶液中结晶 当溶液达到当溶液达到过饱和过饱和时，才能析出晶体时，才能析出晶

3、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；膜； 如如GaAsGaAs液相外延液相外延( (LPE-liquid phase epitaxy)LPE-liquid phase epitaxy) 熔体中生长熔体中生长 从熔体中结晶从熔体中结晶 当温度低于熔点时，晶体开始析出当温度低于熔点时，晶体开始析出，也就是，也就是说，只有当说，只有当熔体熔体过冷却过冷却时晶体才能发生时晶体才能发生。 如水在温度低于零摄氏度时结晶成冰

4、；金属熔体冷却到熔点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。以下结晶成金属晶体。 可生长纯度高，体积大，完整性好的可生长纯度高，体积大，完整性好的单晶体单晶体，而且生长，而且生长速度快，是速度快，是制取大直径半导体单晶最主要的方法制取大直径半导体单晶最主要的方法 我国首台我国首台1212英寸单晶炉研制成功英寸单晶炉研制成功 (070615), (070615),所制备的硅单晶主所制备的硅单晶主要用于要用于集成电路元件集成电路元件和和太阳能电池太阳能电池 (3)(3)气相生长气相生长: :气体气体固体固体从气相直接转变为固相的条件是要有从气相直接转变为固相的条件是

5、要有足够低的蒸气压。足够低的蒸气压。 例子例子: : 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。体。 雪花就是由于水蒸气冷却直接结晶而成的晶体雪花就是由于水蒸气冷却直接结晶而成的晶体 气体凝华气体凝华: :物质从气态直接变成固体物质从气态直接变成固体( (气体升华：固态气体升华：固态气态气态) ) 化学气相沉积化学气相沉积( (CVD)CVD) 2.2.液固相转变过程液固相转变过程(1)(1)溶液中生长溶液中生长 C C1 1 C CO O, ,相变发生相变发生, ,有一定的过饱和度有一定的过饱和度C C1: 1: 一定温度一定温度

6、T,T,压力压力P,P,溶质浓度溶质浓度 C CO:O:一定温度一定温度T,T,压力压力P,P,饱和溶液浓度饱和溶液浓度 (2)(2)熔体中生长熔体中生长 T T 0,0,相变发生相变发生, ,有一定的过冷度有一定的过冷度过冷现象：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，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：为了表述材料过冷的程度，将理论转变温度与

7、实际所处在的温度之差称为过冷度过冷度 。 T = Tm T (T Tm m理论凝固温度理论凝固温度) )。硅锗单晶生长硅锗单晶生长 单晶材料的生长，是物质的非晶态，多单晶材料的生长，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。其热力学条件生成晶相，并让其长大。l可分为可分为熔体生长法熔体生长法、溶液生长法和气相生长法。

8、、溶液生长法和气相生长法。l而从生长方式来说，可分为水平生长、垂直生长而从生长方式来说，可分为水平生长、垂直生长 和晶体的拉制等。和晶体的拉制等。 单晶硅圆片按其直径分为单晶硅圆片按其直径分为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。 直径越大的圆片，所能刻制的集成电路越多，芯直径越大的圆片，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。的要求也越高。 单晶硅单晶硅按晶体生长方法的不同，分为按晶体生长方法的不同，分为直拉法（直

9、拉法（CZCzochralski）、）、区熔法（区熔法（ FZ,FZ,Float-Zone）和外延法。和外延法。 直拉法、区熔法生长单晶硅棒，外延法生长单晶直拉法、区熔法生长单晶硅棒，外延法生长单晶硅薄膜。硅薄膜。 直拉法直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二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。目前晶体直径可极管、外延片衬底、太阳能电池。目前晶体直径可控制在控制在3838英寸。英寸。 区熔法区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域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，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、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晶体直径可控制在3636英寸。英寸。 外延片外延片主要用于集成电路领域。主要用于集成电路领域。锗单晶主要用直拉法，硅用直拉法和悬浮区熔法锗单晶主要用直拉法，硅用直拉法和悬浮区熔法 水平区熔法生长单晶（锗）水平区熔法生长单晶（锗） 悬浮区熔法生长单晶（硅）悬浮区熔法生长单晶（硅）二、区熔法二、区熔法提拉法焰熔法水热法 泡生法（Kyropoulos法）