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文档简介
1、直拉硅单晶工艺学 前 言 绪论 硅单晶是一种半导体材料。直拉单晶硅工艺学是研究用直拉方法获得硅单晶 的一门科学,它研究的主要内容:硅单晶生长的一般原理,直拉硅单晶生长工艺 过程,改善直拉硅单晶性能的工艺方法。 直拉单晶硅工艺学象其他科学一样,随着社会的需要和生产的发展逐渐发展 起来。十九世纪,人们发现某些矿物,如硫化锌、氧化铜具有单向导电性能,并 用它做成整流器件,显示出独特的优点,使半导体材料得到初步应用。后来,人 们经过深入研究,制造出多种半导体材料。1918 年,切克劳斯基(J·Czochralski) 发表了用直拉法从熔体中生长单晶的论文,为用直拉法生长半导体材料奠定了理 论
2、基础,从此,直拉法飞速发展,成为从熔体中获得单晶一种常用的重要方法。 目前一些重要的半导体材料,如硅单晶,锗单晶,红宝石等大部分是用直拉法生 长的。直拉锗单晶首先登上大规模工业生产的舞台,它工艺简单,生产效率高, 成本低,发展迅速;但是,锗单晶有不可克服的缺点:热稳定性差,电学性能较 低,原料来源少,应用和生产都受到一定限制。六十年代,人们发展了半导体材 料硅单晶,它一登上半导体材料舞台,就显示了独特优点:硬度大,电学热稳定 性好,能在较高和较低温度下稳定工作,原料来源丰富。地球上 25.8%是硅,是 地球上锗的四万倍,真是取之不尽,用之不竭。因此,硅单晶制备工艺发展非常 迅速,产量成倍增加,
3、1964 年所有资本主义国家生产的单晶硅为 50-60 吨,70 年为 300-350 吨,76 年就达到 1200 吨。其中 60%以上是用直拉法生产的。 单晶硅的生长方法也不断发展,在直拉法的基础上,1925 年又发明了坩埚 移动法。1952 年和 1953 年又相继发明了水平区熔和悬浮区熔法,紧接着基座相 继问世。总之,硅单晶生长技术以全新姿态登上半导体材料生产的历史舞台。 随着单晶硅生长技术的发展,单晶硅生长设备也相应发展起来,以直拉单晶 硅为例,最初的直拉炉只能装百十克多晶硅,石英坩埚直径为 40 毫米到 60 毫米, 拉制单晶长度只有几厘米,十几厘米,现在直拉单晶炉装多晶硅达 40
4、 公斤,石 英坩埚直径达 350 毫米,单晶直径可达 150 毫米,单晶长度近 2 米,单晶炉籽晶 轴由硬构件发展成软构件,由手工操作发展成自动操作,并进一步发展成计算机 操作,单晶炉几乎每三年更新一次。 大规模和超大规模集成电路的发展,给电子工业带来一场新的革命,也给半 导体材料单晶硅带来新的课题。大规模和超大规模集成电路在部分用直拉单晶硅 制造,制造集成电路的硅片上,各种电路密度大集成度高,要求单晶硅有良好的 均匀性和高度的完美性。以 4k 位集成电路为例,在 4×4 毫米或 4×6 毫米的硅 片上,做四万多个元件,还要制出各元件之间的连线,经过几十道工序,很多次 热处
5、理。元件的高密度,复杂的制备工艺,要保证每个元件性能稳定,除制作集 成电路工艺成熟外,对硅单晶材料质量要求很高:硅单晶要有合适的电阻率和良 好的电阻率均匀性,完美的晶体结构,良好的电学性能。因此,硅单晶生长技术 要更成熟、更精细、更完善,才能满足集成电路的要求。直拉单晶硅工艺理论应 不断地向前发展。 目前世界已跨入电子时代感。可以这样说,四十年代是电子管时代,五十年 代是晶体管时代,六十年代是集成电路时代,七十年代是大规模集成电路时代, 八十年代是超大规模集成电路时代。大规模和超大规模集成电路已成功的应用于 国民经济各部门,日益显示出它无比的优越性。人造卫星的上天,火箭的飞行, 潜艇的远航,雷
6、达的运转,自动化生产线的运行,哪一样都离不开大规模和超大 规模集成电路。至于计算机,我们可以这样说,它的核心部分是由大规模和超大 规模集成电路组合起来的。现代生产工艺、科研、军事、宇宙航行、家庭生活等 几乎没有一样不和大规模集成电路有关。因此,掌握大规模集成电路基础材料直 拉单晶硅的生产技术和工艺理论是非常重要的。通过本课程学习,要求掌握:一、 直拉单晶硅生长的基本理论;二、直拉单晶炉结构和直拉单晶硅生产的基本流程; 三、在生产中控制直拉单晶硅的几个基本参数一些基本方法;四、本课程是工艺 理论,必须经常和生产实践相结合,为直接生产单晶硅打下基础。§ 1 晶体与非晶体 自然界的物质,可
7、分为晶体与非晶体两大类。如硅、锗、铜、铅等是晶体, 玻璃、塑料、松香等则是非晶体。从宏观性质看,晶体与非晶体主要有三个方面 的区别。 1、晶体有规则的外型。 人类最早认识的晶体是一些天然矿物,如岩盐、水晶、明矾等,这些晶体都 有规则的外形,如岩盐是立方体,不过晶体的外形常常受生长条件限制,外型各 有差异例如,在含尿素溶液中生长的食盐为八面体,在含硼酸的溶液中生长的食 盐则为立方体兼八面体,如图: 人工生长的晶体,生长条件不同,晶体外型在生长后还能显露出来。用直拉 法沿<111>方向生长的硅、锗单晶,有三条对称的棱线,沿<100>方向生长的硅、 锗单晶,则有四条对称分布的
8、棱线。 非晶体则没有规则的外形,如玻璃、松香、塑料等外表没有一定规则。 2、晶体具有一定的熔点: 将晶体和非晶体逐渐加热,每隔一定时间测量一下它们的温度,一直到它们 全部熔化或成为熔体,作出温度和时间关系的曲线熔化曲线。 从熔化曲线中我们可以看到:晶体熔化时有一温度平台 bc,熔化时温度保 持不变,此温度就是晶体的熔点。在熔点温度,一部分晶体熔化成液体,一部分 仍保持固体状态,随着时间增加直到全部熔化成液体。 非晶体没有温度平台,随着时间的推移温度不断升高,bc 段很难说是固态 还是液态,而是一种软化状态,不具有流动性,温度继续高就成为液体。 晶体具有确定的熔点,非晶体没有确定的熔点,这是晶体
9、和非晶体之间最明 显的区别。熔点是晶体从固态转变到液态(熔化)的温度,也是从液态转变到固 态(凝固)的温度。 3、晶体各向异性 晶体的物理性质和化学性质随着晶面方向不同而不同,称为晶体各向异性。 我们做一个实验,在薄的云母片和玻璃片上分别涂上石腊,分别用一个加热的金 属针尖压在云母片和玻璃片上,就会发现,触点周围的石腊逐渐熔化;玻璃片上 的形状是圆形,云母片上却是椭圆形的。 1111这说明玻璃的导热性与方向无关,云母片的导热性与方向有关。 晶体在不同的方向上力学性质,电学性质和光学性质是不同的,抗腐蚀、抗 氧化的性质随着晶体方向不同也不同。非晶体则不然,它们在各个方向上性质相 同。晶体所以具有
10、非晶体不同的性质,主要是晶体内部质(原子或分子)按一定 规律周期性的排列构成空间点阵,不同的排列规律,呈现不同的外形,不同的晶 面,它们各晶面的性质也不相同。 2 晶体空间点阵和晶胞晶体和非晶体不同,有很多独特的性质,在大量感性认识的基础上,经过深 入研究,确定晶体是由原子、分子或离子等在空间按一定规律排列组成的。这些 粒子在空间排列具有周期性,对称性。相同粒子在空间不同排列,晶体具有不同 外形,不同的性质。不同粒子相同的排列,晶体性质也不相同。为了研究晶体中 原子、分子或离子的排列,晶体性质也不相同。为了研究晶体中原子、分子或离 子的排列,把这些微粒的重心作为一个几何点,叫做结点(或格点),
11、微粒的分 布规律用格点表示。晶体中有无限多在空间按一定规律分布的格点,称为空间点 阵。 空间点阵中,通过两个格点作一条直线,这一直线上一定含有无数格点,这 样的直线叫晶列,晶体外表的晶棱就是晶列。互相平行的晶列叫晶列族,一个晶 列族里包含晶体全部格点。 通过不在同一晶列的三个格点作一平面,这平面上必包含无数格点,这样的 平面叫网面,也叫晶面。晶体外表所见的晶面(解理面)就是网面。 在空间点阵中,不同的三个晶列族分空间为无数格子,称为网格,又叫晶格。 组成空间点阵最基本的单元叫晶胞。晶胞反映整个晶体的性质。很多晶胞在 空间重复排列起来就得整个晶体。不同的晶体,晶胞型式不同。 硅晶体是金刚石结构,
12、晶胞是正方体,八个顶点和六个面的中心都是格点, 每条空间对角线上距顶点四分之一对角线长的地方各有一个格点,晶格常数为 a, 单位晶胞占有的原子数为: 入研究,确定晶体是由原子、分子或离子等在空间按一定规律排列组成的。这些 粒子在空间排列具有周期性,对称性。相同粒子在空间不同排列,晶体具有不同 外形,不同的性质。不同粒子相同的排列,晶体性质也不相同。为了研究晶体中 原子、分子或离子的排列,晶体性质也不相同。为了研究晶体中原子、分子或离 子的排列,把这些微粒的重心作为一个几何点,叫做结点(或格点),微粒的分 布规律用格点表示。晶体中有无限多在空间按一定规律分布的格点,称为空间点 阵。 空间点阵中,
13、通过两个格点作一条直线,这一直线上一定含有无数格点,这 样的直线叫晶列,晶体外表的晶棱就是晶列。互相平行的晶列叫晶列族,一个晶 列族里包含晶体全部格点。 通过不在同一晶列的三个格点作一平面,这平面上必包含无数格点,这样的 平面叫网面,也叫晶面。晶体外表所见的晶面(解理面)就是网面。 在空间点阵中,不同的三个晶列族分空间为无数格子,称为网格,又叫晶格。 组成空间点阵最基本的单元叫晶胞。晶胞反映整个晶体的性质。很多晶胞在 空间重复排列起来就得整个晶体。不同的晶体,晶胞型式不同。 硅晶体是金刚石结构,晶胞是正方体,八个顶点和六个面的中心都是格点, 每条空间对角线上距顶点四分之一对角线长的地方各有一个
14、格点,晶格常数为 a, 单位晶胞占有的原子数为: 8× + 6 × + 4 = 8 金刚石结构微密度差,所以,杂质在硅中扩 散和硅原子自身扩散比较容易,熔硅凝固时 体积增大。 晶体各晶列族各晶面族格点密度不同, 因此晶体表现出各向异性。 § 3 晶面和晶向 晶体生长中,常用到晶面和晶向。为了讨论方便,我们采用密勒(Miller) 指数符号。在密勒指数中,选取 X、Y、Z 平行于晶胞的三条棱,标出一个晶面, 必须指出它在 X、Y、Z 三条轴上的截距,然后取截距的例数并乘以最小公倍数, 截距倒数便有 h/n、k/n、l/n 的形式,把整数 hkl 括入圆括号,这样就得到晶面指 数(hkl), 为了说明此方法我们以图 2-1 为例。 标出立方晶系中的一些晶面(a)表示 X、
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