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第十一章 半导体材料制备 生长技术 体单晶生长技术 单晶生长通常利用籽晶在熔融高温炉里拉伸得到的体材料 ，半导体硅的单晶生长可以获得电子级（99.999999%）的单晶硅 外延生长技术 外延指在单晶衬底上生长一层新单晶的技术。 新生单晶层的晶向取决于衬底，由衬底向外延伸而成，故称“外延层”。 晶体生长问题 生长热力学 生长动力学 生长系统中传输过程 11.1 体单晶生长 结晶过程驱动力 杂质分凝 组分过冷 结晶过程驱动力 杂质分凝 杂质在液相和固相中的浓度不同 组分过冷 生长过程中，杂质不断排向熔体，使熔体中杂质浓度越来越高，过冷度愈来愈大，离固液界面越远 10.2 体单晶生长方法 10.2.1 直拉法 温度在熔点附近 籽晶浸入熔体 一定速度提拉籽晶 最大生长速度 熔体中的对流 生长界面形状 各阶段生长条件的差异 10.2.2 直拉生长技术的改进 磁控直拉法-----Si 连续生长法-----Si 液体覆盖直拉法-----GaAs，InP，GaP，GaSb，InAs 蒸汽控制直拉法-----GaAs，InP 10.2.3 悬浮区熔法 利用悬浮区的移动进行提纯和生长 无坩埚生长技术，减少污染 杂质分凝 Si 10.2.4 垂直梯度凝固法和垂直布里奇曼法 VGF 多段加热炉 温度梯度 GaAs，InP VB 加热炉相对于石英管移动 温度梯度 CdTe，HgS，CdSe，HgSe 例子：硅的单晶生长第一步：石 英（90%）还 原 脱 氧 成 为 熔 炼 级 硅（99％） 第二步：熔 炼 级 硅（99％）到电子级多晶硅 粗硅提纯到电子级多晶硅 粗硅与氯化氢在200℃以上反应 Si十3HCl==SiHCl3+H2 实际反应极复杂，除生成SiHCl3外，还可能生成SiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、SiCl4等各种氯化硅烷 合成温度宜低，温度过高易生成副产物 其中三氯代硅烷产量大、质量高、成本低的优点，是当前制取多晶硅的主要方法 精馏 利用杂质和SiHCl3沸点不同，用精馏的方法分离提纯 沸点 SiCl4 (57.6oC) SiHCl3 (33oC) SiH2Cl2 (8.2oC) SiH3Cl (-30.4oC) SiH4 (-112oC) HCl (-84.7oC) 硅的单晶生长第三步：电子级多晶硅到单晶硅 最后一步：研磨，切割，抛光 10.3 片状晶生长 熔体生长技术，主要用于制备太阳能级用片状硅 避免硅锭切割造成的损失，节约加工成本 D-Web技术 S-R技术 EFG技术 10.4 晶片切割 切片 倒角 腐蚀 抛光 清洗 10.5 半导体外延生长技术 外延生长技术对于半导体器件具有重要意义 在外延生长过程中，衬底起到籽晶的作用，外延层则保持了与衬底相同的晶体结构和晶向 如果衬底材料和外延层是同一种材料，称为同质外延 如果衬底材料和外延层不是同一种材料，称为异质外延 外延生长的优点 1. 外延生长中，外延层中的杂质浓度可以方便地通过控制反应气流中的杂质含量加以调节，而不依赖于衬底中的杂质种类与掺杂水平。单晶生长需要进行杂质掺杂。 2. 外延生长可以选择性的进行生长，不同材料的外延生长，不同成分的外延生长，这对于器件的制备尤为重要。 3. 一些半导体材料目前只能用外延生长来制备，如GaN 外延生长的技术 汽相外延 （Vapor Phase Epitaxy） 使化学气体中半导体成分结晶在衬底表面，从而生长出半导体层的过程称为汽相外延。 液相外延 （Liquid Phase Epitaxy） 采用从溶液中再结晶原理的外延生长方法称液相外延; 分子束外延 （Molecular Beam Epitaxy） 分子束外延是在超高真空条件下精确控制原材料的分子束强度，并使其在加热的基片上进行外延生长的一种技术。 汽相外延生长的优点 1. 汽相外延生长具有生长温度低和纯度高的优点 2. 汽相外延技术为器件的实际制造工艺提供了更大的灵活性 3. 汽相外延生长的外延层和衬底层间具有非常明显清晰的分界 因此，汽相外延技术是制备器件中半导体薄膜的最重要的技术手段 1）真空热蒸发沉积 真空热蒸发沉积是物理气相沉积技术的一种。 所谓的物理气相沉积是指利用某种物理过程，如物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程。 所谓的热蒸发，是指蒸发材料在真空室中被加热到足够温度时，物质从固相变成气相的过程。 饱和蒸气压