硅基本概念与计算

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1、晶向概念，不同晶向的性质如何，不同晶向适合生产哪些不同的产品 单晶缺陷，这些缺陷是如何产生的。 硅棒拉制方法，不同拉制方法的工艺区别，优缺点比较，不同的 拉制方法应用在哪些不同的产品上。 如何计算掺杂，杂质在硅棒拉制中的分布，对电阻率、少子寿命等参数有怎样的影响。 拉制单晶的多晶硅如何选择，有什么要求。 拉制单晶时的氧原子、碳原子是如何产生的。氧原子、碳原子对 单晶有什么影响，对后续生产有什么影响。 热处理后电阻率会有什么变化 晶体：自然界的物质，分为晶体与非晶体两大类。宏观性质看，晶体与非晶体主 要有三个方面的区别：1、晶体有规则外形；2、晶体具有一定的熔点；3、晶体各向异性。 晶体概念：晶

2、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。 硅晶体有单晶和多晶两种形态。单晶中，原子都按一定规则排列，多晶则是由 许多不同取向的小粒单晶杂乱排列而成的。 空间点阵：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。 晶列：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。 晶面：通过不在同一晶列的三个格点作一

3、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。晶格：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。晶胞：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。八个顶点和六个面的中心都是格点,金刚石晶胞硅晶体是金刚石结构，晶胞是正方体, 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 5.43A（1A=10-8cm 即=10-7mm）， 单位晶胞占有的原子数为：8X1+6x1+4=88 2金刚石结构致密度差，所以，杂质在硅中扩散和硅原

4、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。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。来表示不同的晶面、晶向。具体方法：晶面指数：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，然后取截距的倒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为例：盼订（!）卫：血（jTuSW：231： B标出立方晶系中的一些晶面（a）表示X、Y、Z轴上截距分别为一个单

5、位长度 坐标。即（1, 1，1）的平面其倒数值仍是1、1、1,每个值都已经是最低整数 了，叫此面为（111）晶面。（b）表示X、Y、Z轴上截距分别为1、1和a的平 面，截距的倒数为1、1、0,此面称（110）晶面。（c）表示截距分别为1/、-1/3 和1的晶面，截距倒数是2, 3 , 1,此面称为（231）晶面。用 表示，叫晶面簇。它包括了一切具有相同晶面特性的晶面。如：用100表示，叫100晶面簇。它包括（100）, （100）, （010）,（010） （001）, （001 ）各晶面。晶向指数：为了标出晶向，通过坐标原点作一直线平行于晶面的法线方向，根据 晶胞的棱长决定此直线的坐标，把坐

6、标化成简单的整数比。用括起来，称 为晶向指数。例如某一组坐标x=1, y=-2, z=1/3,则晶向是3 6 1。对立方晶系，晶向具有与它垂直的平面相同的指数，如：X轴垂直于（100）面 所以其晶向是100。为了表示一组相同的晶体类型的所有晶向，用 把晶向指数括起来，叫晶向族。例如100代表立方晶系中100 010 001 100 010 001各晶向。硅单晶常用晶向、晶面关系表晶向（生长方向）100110111211与（111）晶面夹角36。160。54。4490。19。280。70。3220。08与111 晶向夹角54。4490。36。160。70。3290。19。2861。52面间距：在

7、晶体同一面族中，相邻两晶面间的距离为面间距 面密度：同一晶面上，单位面积中的原子数为面密度。 晶面指数不同的晶面族，面间距不同，原子的面密度不一样。 晶体中原子总数是一定的，面间距较小的晶面族，晶面排列密，晶面原子密度小； 面间距较大的面族，晶面排列较稀，晶面原子密度大。总之，晶面指数高的晶面 族，面间距小，原子面密度小；晶面指数低的晶面族，面间距大，原子面密度也 大。硅晶体各不同晶面特性晶面面间距（A。）面密度（1 ）a 2单位面积1a 2(100)a-=1.3642.004 （每原子2）(110)v；2/a 二 2.35Z/2 = 2-832.83 (每原子1)(111)大 U%-二 2.

8、35%3 = 2312.31 (每原子1)小%-二 0.78不同晶面的性质差别：1、面间距大的晶面族，容易劈裂开，也就是说晶体的解理面应该是面间距大的 晶面。对硅晶体，（111）面就是解理面。2、晶体生长时，各晶面指数不同，法向生长速度不同，对于硅单晶，（100）晶 面法向生长速度最快，（110）晶面次之，（111）晶面最慢。所以自然生长的 si 晶体，外表面往往是（111）面。3、硅的（111）面比（110）及（100）面容易抛光倒镜面。4、各晶面的腐蚀速度不同，（111）面 1.48um/min; （110）面 3.0um/min;（100）面 3.4um/min.5、热生长sio2时，硅

9、的氧化速率按(111)(110)(100)面的顺序变化。这是由于在晶体表面上，(111)面 si 原子可提供的键密度最大，所以同氧结 合的速度最快。对(111)面：在 si 与其他金属共熔时，沿(111)面溶解最慢，所以在合金法 制 造 P-N 结时，如果晶面是(111)面，就比较容易控制得到平整的结面。故在制 造半导体器件时，常用111晶向生长的晶体。对(100)面：杂质的扩散速率，电子的晶面迁移率也都同晶面的方向 有关，如： (100)面的电子迁移率就比(111)面要高很多。这也就是目前部分大规模集成 电路需要使用100生长的 si 单晶的重要原因；及我们现在知道的太阳能电池用 晶片也是1

10、00晶体。缺陷实际晶体的空间点阵和理想的空间点阵不同，它不完全有规则周期排列，而是点 阵在排列上有这样或那样不规则性，存在着点阵畸变，偏离空间点阵。那些偏离 点阵的结构或地区通称晶体缺陷。半导体缺陷在工程上分为原生缺陷和二次缺陷； 半导体缺陷在类型上分为结构缺陷和杂质缺陷； 半导体缺陷在大小上分为微缺陷和宏观缺陷； 宏观缺陷有：双晶；晶界；位错列阵；杂质析出等。 硅单晶中主要是微缺陷，下面介绍微缺陷。 缺陷相对晶体尺寸或影响范围大小，分为以下几类：1、点缺陷： 空位 间隙原子等 原子引起的点阵畸变-点缺陷。原子跑到空间点阵间隙中，这样产生的空位称为 弗兰克(pehkelb)空位，原子跑掉晶体表

11、面去，这样产生的空位称肖脱基 ( Schottky )空位。2、线缺陷： 位错位错是一种很重要的晶体缺陷。晶体的位错是围绕着的一条很长的线，在一定 范围内原子都发生有规律的错动，离开它原来平衡位置，所以叫位错。滑移区中，原子滑移情况可以用一个矢量b-描述。位错滑移过的区域中，滑 移面上的原子相对滑移面下面的原子移动距离的大小和方向是矢量b-b-矢量叫位错的柏格矢量，又叫滑移矢量。位错有：刃型位错 螺型位错刃型位错的柏格矢量垂直于位错线，螺型位错的柏格矢量平行于位错线。 位错有两种可能运动方式：位错线在滑移面上的滑移运动和位错线垂直滑移面的 攀移运动。位错滑移只扩大滑移区，攀移需要间隙原子或空位

12、扩散，伴有质量输 送。 晶体中位错一般在晶面原子相互约束力较弱的地方滑移。晶面间距离愈大，单位 面积上的键数愈少，晶面间原子的约束力愈弱，晶面就愈容易相对滑移。滑移的 方向一般是原子距离最小的晶列方向，每移动一个原子距离的整数倍，需要的能 量最小，所以这样的晶向往往是滑移方向。硅单晶是典型的金刚石结构，并且是共价键结合，111面族面间距大，面密度 大，111面族是硅单晶的主要滑移面。硅晶体在111面族上最容易滑称，滑移方向一般为110晶向族，110晶向族 上原子间距最小，因此，硅晶体主要在111面族的110晶向族的方向上滑移。 低温时，位错运动几乎全是滑移运动。在一定温度下，晶体中存在着一定数

13、量的 空位和间隙原子，由于点阵，热运动和位错相互作用，空位和间隙原子移到位错 处，使刃型位错处的原子半平面边界增加或者减少一行原子。这种由于空位或者 间隙原子扩散使插入的附加原子半平面伸张或收缩的现象叫位错的攀移运动。 位错除了滑移和攀移运动外还进位错增殖。位错如何产生：应力产生位错 晶体生长产生位错的原因有： 1、籽晶熔接 热冲击（热应力）2、晶体生长过程中 机械震动，产生机械应力，晶格的结点会发生畸变，生成 新位错或按弗兰克瑞德机构从原有位错增殖出新位错。硅单晶生长中，热应力也会产生位错产生和进行增殖。生长系统的热场决定着单 晶内部的温度梯度，如果单晶生长动力小，硅原子强烈的振动使生长界面

14、附近产 生位错，单晶内部如果径向温度梯度较大，单晶各微区的热膨胀率不同。晶体表 面温度低，膨胀率小，中间温度高，膨胀率大。因此单晶表面受到扩张的应力， 内部受到压缩应力，单晶内部位错受到应力作用按照弗兰克一一瑞德机构进行增 殖。在热应力较强时，晶体内部即使没有位错，强大的热应力也会使晶体产生新 位错并进行增殖。熔硅温度的起伏和单晶生长速率的起伏，可以引起结晶界面上原子振动的变化， 使原子排列偏离点阵，产生晶格畸变，形成位错。硅单晶内杂质浓度过高，形成杂质析出也容易产生位错，硅单晶生长有杂质析出 时，形成一新固相，单晶逐渐冷却，它们体积收缩率和形成的新相不同，硅和新 固相交界处会产生足够的应力，

15、形成位错；另一方面，单晶内杂质浓度高，使硅 晶格变化较大，晶格常数的这种不均匀性可以形成足够的应力，产生位错。3、单晶冷却过程位错产成单晶冷却时，晶体表面和中心由于收缩率不同产生很大的应力，同时晶体表面存 在温度梯度，产生很强的热应力，这些应力都足以使单晶界面生成新位错，并使 位错按弗兰克一一瑞德机构增殖。上海交通大学材料科学基础上海交通大学图3.15弗兰克-瑞德源的位错增殖机制图3.15表示弗兰克-瑞德源的位错增殖机制。若某滑移面上有一段刃位错AB， 它的两端被位错网节点钉住不能运动。现沿位错 b 方向加切应力，使位错沿滑移 面向前滑移运动，形成一闭合的位错环和位错环内的一小段弯曲位错线。只要外 加应力继续作用，位错环便继续向外扩张，同时环内的弯曲位错在线张力作用下 又被拉直，恢复到原始状态，并重复以前的运动，络绎不绝地产生新的位错环， 从而造成位错的增殖位错能够改变载流子浓度。一般说来，N型硅单晶中位错主要起受主作用，P型 硅单晶中位