硅的制备及其晶体结构.ppt
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1、天津工业大学天津工业大学晶体的概念及硅材料的特点晶体的概念及硅材料的特点1单晶硅片的制备单晶硅片的制备23硅晶体中的杂质硅晶体中的杂质45硅晶体中的缺陷硅晶体中的缺陷单晶硅的晶体结构特点单晶硅的晶体结构特点Chap.1 硅的制备及其晶体结构天津工业大学天津工业大学气态(气态(gas stategas state)液态(液态(liquid stateliquid state)固态(固态(solid statesolid state)等离子体(等离子体(plasmaplasma)物质物质substancesubstance晶体(晶体(crystalcrystal)非晶体、无定形体非晶体、无定形体(
2、amorphous solidamorphous solid)单晶:水晶、金刚石、单晶硅单晶:水晶、金刚石、单晶硅多晶:金属、陶瓷多晶:金属、陶瓷晶体(晶体(crystalcrystal)物质存在形式及晶体的概念天津工业大学天津工业大学无定形体和晶体天津工业大学天津工业大学多晶体天津工业大学天津工业大学天然单晶体天津工业大学天津工业大学l 晶体结构的晶体结构的基本特征基本特征:原子(或分子、离子)在三维空间:原子(或分子、离子)在三维空间 呈周期性重复排列(呈周期性重复排列(periodic repeated array),即存在长程有序(即存在长程有序(long-range order)l
3、性能上性能上两大特点两大特点:固定的熔点(:固定的熔点(melting point),各向异性(各向异性(anisotropy)晶体的特点天津工业大学天津工业大学1.1 硅材料的特点v硅器件室温下有较佳的特性硅器件室温下有较佳的特性;v热稳定性好,更高的熔化温热稳定性好,更高的熔化温度允许更宽的工艺容限度允许更宽的工艺容限;v高品质的氧化硅可由热生长高品质的氧化硅可由热生长的方式较容易地制得的方式较容易地制得;v硅元素含量丰富(硅元素含量丰富(2525),),成本低成本低;v高频、高速场合特性较差。高频、高速场合特性较差。天津工业大学天津工业大学二氧化硅的作用天津工业大学天津工业大学芯片和晶圆
4、WaferSingle die,chip天津工业大学天津工业大学1.2 单晶硅片的制备石英岩,硅砂石英岩,硅砂(SiO2)单晶硅片单晶硅片(wafer)切片切片 抛光抛光单晶硅锭单晶硅锭(ingot)拉制单晶拉制单晶多晶硅多晶硅(poly-silicon)还原还原天津工业大学天津工业大学1.2.1 多晶硅的制备石英岩石英岩 (高纯度硅砂)(高纯度硅砂)冶金级硅冶金级硅 (98)碳、煤等碳、煤等还原还原三氯化硅三氯化硅(SiHCl3)粉粉碎碎HCl电子级多晶硅电子级多晶硅(99.99以上)以上)分馏分馏氢还原氢还原天津工业大学天津工业大学v直拉法直拉法(Czochralski法法)v区域熔融法区
5、域熔融法(Floating Zone法)法)1.2.2 单晶硅锭的制备直拉法系统示意图直拉法系统示意图天津工业大学天津工业大学直拉法(CZ)天津工业大学天津工业大学区域熔融法(FZ)区域提炼系统的原理图区域提炼系统的原理图天津工业大学天津工业大学直拉法和区熔法原理图区域熔融系统的原理图区域熔融系统的原理图直拉法系统的原理图直拉法系统的原理图天津工业大学天津工业大学直拉法和区熔法的比较直拉法直拉法区熔法区熔法优点:优点:可以生长更大直径的晶锭;可以生长更大直径的晶锭;生长过程同时可以加入掺杂剂方便地掺杂生长过程同时可以加入掺杂剂方便地掺杂缺点:缺点:生长过程中容器、气氛污染较多生长过程中容器、气
6、氛污染较多优点:优点:生长过程中污染少,可生长极高生长过程中污染少,可生长极高纯单晶(高功率、高压器件)纯单晶(高功率、高压器件)缺点:缺点:涡流感应加热的涡流感应加热的“趋肤趋肤”效应限效应限制了生长的单晶硅锭的直径制了生长的单晶硅锭的直径天津工业大学天津工业大学IC制造的基本工艺流程天津工业大学天津工业大学1.2.3 硅片(晶园、wafer)的制备天津工业大学天津工业大学定位边研磨天津工业大学天津工业大学 硅片的定位边D200mm:天津工业大学天津工业大学硅片抛光和倒角天津工业大学天津工业大学硅片的CMP抛光天津工业大学天津工业大学1.3 硅晶体结构特点晶胞晶胞:最大限度反映晶体对称性的最
7、小单元;:最大限度反映晶体对称性的最小单元;七大晶系,七大晶系,1414种布喇菲点阵,对应种布喇菲点阵,对应1414种晶胞;种晶胞;天津工业大学天津工业大学金刚石的晶体结构天津工业大学天津工业大学 金刚石结构(Si、Ge、GaAs)天津工业大学天津工业大学 原子密度及晶体内部空隙v 原子密度原子密度 晶格常数晶格常数a a(Si=5.43(Si=5.43)原子密度晶胞中包含原子个数原子密度晶胞中包含原子个数/晶胞体积晶胞体积v 晶体内部空隙晶体内部空隙 空间利用率晶胞包含原子个数空间利用率晶胞包含原子个数*原子体积原子体积/晶胞总体积晶胞总体积天津工业大学天津工业大学硅晶体中的原子密度和空隙8
8、 8个顶点原子;个顶点原子;6 6个面心原子个面心原子4 4个体心原子个体心原子总原子个数总原子个数1 13 34 48 8晶格常数为晶格常数为a(Si=5.43)a(Si=5.43)硅晶体中的硅晶体中的原子密度原子密度为:为:8/a8/a3 3=5*10=5*102222/cm/cm3 3硅原子的半径硅原子的半径硅晶体中的硅晶体中的空间利用率空间利用率天津工业大学天津工业大学 1.4 晶体中的晶向和晶面 晶向:晶向:表示晶列的方向,从一个阵点表示晶列的方向,从一个阵点O沿某个晶列到另沿某个晶列到另一阵点一阵点P作位移矢量作位移矢量R,则,则 R=l1a+l2b+l3c;(;(l1:l2:l3
9、 m:n:p 化为互质整数)化为互质整数)晶向指数晶向指数【mnp】:晶向矢量在三晶轴上投影的互质指数晶向矢量在三晶轴上投影的互质指数 在立方晶体中,同类晶向记为在立方晶体中,同类晶向记为 代表了代表了100、00、010、00、001、00六个同类晶向;六个同类晶向;代表了立方晶胞所有空间对角线代表了立方晶胞所有空间对角线 的的8个晶向;个晶向;表示立方晶胞所有表示立方晶胞所有12个面对角线个面对角线 的晶向。的晶向。天津工业大学天津工业大学晶面及密勒指数 晶面:晶面:点阵中的所有阵点全部位于一系列点阵中的所有阵点全部位于一系列相互平行、等相互平行、等距距的平面上,这样的的平面上,这样的平面
10、系平面系称为称为晶面晶面,一系列等效的晶面,一系列等效的晶面构成晶面族。构成晶面族。天津工业大学天津工业大学晶面指数表示方式晶面指数(晶面指数(hkl):):h、k、l 是晶面与三晶轴的截距是晶面与三晶轴的截距 r、s、t的倒数的互质整数,也称为密勒指数,相应的等效晶面族用的倒数的互质整数,也称为密勒指数,相应的等效晶面族用hkl表示。表示。(r,s,t 为晶面在三个晶轴上的截为晶面在三个晶轴上的截长长,h、k、l为晶面指标为晶面指标.)xyz(553)abc晶面指数为(晶面指数为(553)天津工业大学天津工业大学立方晶体中常用的晶向和晶面晶向 晶向 晶向天津工业大学天津工业大学面心立方结构(
11、FCC)中的晶面(632632)晶面)晶面天津工业大学天津工业大学金刚石结构中的晶面天津工业大学天津工业大学常见晶面的面密度天津工业大学天津工业大学 之前我们讨论的都是之前我们讨论的都是完美完美的晶体,具有完美的周期性排列。的晶体,具有完美的周期性排列。但是由于晶格粒子本身的热振动、晶体生长过程中外界的影但是由于晶格粒子本身的热振动、晶体生长过程中外界的影响、外界杂质的掺入、外部响、外界杂质的掺入、外部电、机械、磁场电、机械、磁场等等应力应力的影响等的影响等等因素,使得晶格粒子的排列在一定范围内偏离完美的周期等因素,使得晶格粒子的排列在一定范围内偏离完美的周期性。这种偏离晶格周期性的情况就称为
12、性。这种偏离晶格周期性的情况就称为缺陷缺陷(defect)。缺陷是缺陷是不能完全避免不能完全避免的,实际中理想的完美晶体也是不存在的,实际中理想的完美晶体也是不存在的,虽然在某些情况下,缺陷的存在会造成一些危害,然而的,虽然在某些情况下,缺陷的存在会造成一些危害,然而某些缺陷在半导体应用中有着某些缺陷在半导体应用中有着非常重要的作用非常重要的作用。1.5 硅晶体中的缺陷天津工业大学天津工业大学 缺陷的分类 点点缺陷缺陷 线线缺陷缺陷 位错位错面面缺陷缺陷 层错层错体体缺陷缺陷 杂质的沉积杂质的沉积自间隙原子、空位、肖特基缺陷、自间隙原子、空位、肖特基缺陷、弗伦克尔缺陷弗伦克尔缺陷外来原子缺陷(
13、替位或间隙式)外来原子缺陷(替位或间隙式)天津工业大学天津工业大学点缺陷空位(Point defects Vacancies)空位即晶格中组成粒子的缺失,如果一个晶格正常位空位即晶格中组成粒子的缺失,如果一个晶格正常位置上的原子跑到表面,在体内留下一个晶格空位,则称为置上的原子跑到表面,在体内留下一个晶格空位,则称为肖特基(肖特基(Schottky Schottky)缺陷。)缺陷。空位空位 :点缺陷(点缺陷(point defect)point defect)晶格中点的范围内产生晶格中点的范围内产生空位是可以在晶格中移动的空位是可以在晶格中移动的天津工业大学天津工业大学空位(Vacancies
14、)空位的产生需要打破化学键,因而需要一定的能量,空位的产生需要打破化学键,因而需要一定的能量,空位的数量随空位的数量随温度的增加而增加温度的增加而增加。在不考虑杂质的情况下(即本征在不考虑杂质的情况下(即本征intrinsicintrinsic 情况下),含情况下),含有有N N个粒子的晶体,在温度为个粒子的晶体,在温度为T T时空位的平衡浓度为:时空位的平衡浓度为:E EV V 是空位产生能量,是空位产生能量,k kB B 是是BoltzmannBoltzmann常数,常温下肖常数,常温下肖特基缺陷浓度约为特基缺陷浓度约为1*101*101010cmcm-3-3阿累尼乌斯公式阿累尼乌斯公式天
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- 制备 及其 晶体结构
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