硅大体概念与计算

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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点，这些缺点是如何产生的。硅棒拉制方式，不同拉制方式的工艺区别，优缺点比较，不同的拉制方式应用在哪些不同的产品上。如何计算搀杂，杂质在硅棒拉制中的散布，对电阻率、少子寿命等参数有如何的阻碍。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阻碍，对后续生产有什么阻碍。热处置后电阻率会有什么转变晶体：自然界的物质，分为晶体与非晶体两大类。宏观性质看，晶体与非晶体要 紧有三个方面的区别：一、晶体有规那么外形；二、晶体具有必然的熔点；3、晶体各向异性。 晶体概念：晶体是由原子、分子

2、或离子等在空间按必然规律排列组成的。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，原子都按必然规那么排列，多晶那么 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），微粒的散布规律用格点表示。晶体中有无穷多 在空间按必然规律散布的格点，称为空间点阵。晶列：空间点阵中，通过两个格点作一条直线，这一直线上必然含有无数格点， 如此的直线叫晶列，晶体外表的晶棱确实是晶列。相互平行的晶列叫晶列族，一 个晶列族里包括晶体全数格点。晶面：通过不在同一晶列的三个格点作一平面，这平面上必包

3、括无数格点，如此 的平面叫网面，也叫晶面。晶体外表所见的晶面（解理面）确实是网面。 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：组成空间点阵最大体的单元叫晶胞。 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，八个极点和六个面的中心都是格点， 每条空间对角线上距极点四分之一对角金刚石结构致密度差，因此，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。晶体生长中，经常使用到晶面和晶向。为了讨论方便，咱们采纳密勒（M

4、iller）指数符号。来表示不同的晶面、晶向。具体方式：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, 必需指出它在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，如此就取得晶面指 数（hkl）。为了说明此方式咱们以图为例ZfZfZf（111）百卫；血（jTl）SW：231： B标出立方晶系中的一些晶面（a）表示X、Y、Z轴上截距别离为一个单位长度 坐标。即（1，1，1）的平面其倒数值仍是一、一、 1，每一个值都已是最低整数 了，叫此面为（111）晶面。（b）表示X、Y、Z轴上截距别离为一

5、、1和a的平 面，截距的倒数为一、一、0,此面称（110）晶面。（c）表示截距别离为1/二、 -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，依照 晶胞的棱长决定此直线的坐标，把坐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，那么晶向是361。对立方晶系，晶向具有与它垂直的平面相同的

6、指数，如：X轴垂直于（100）面 因此其晶向是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。硅单晶经常使用晶向、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

7、。 晶体中原子总数是必然的，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。）1面密度（1 ）2单位面积12(100)1.3644 （每原子2）(110)% -二 2.35堆=2-83（每原子1）(111)大 丁 - = 2.35%3 = 2-31（每原子1）小 /12-二 0.78不同晶面的性质不同：1、面间距大的晶面族，容易劈裂开，也确实是说晶体的解理面应该是面间距大 的晶面。对硅晶体，（111）面确实是解

8、理面。2、晶体生长时，各晶面指数不同，法向生长速度不同，关于硅单晶，（100）晶 面法向生长速度最快，（110）晶面次之，（111）晶面最慢。因此自然生长的 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、各晶面的侵蚀速度不同，（111）面 min; （110）面 min;（100）面 min.五、热生长sio2时，硅的氧化速度按(111)(110)(100)面的顺序转变。这是由于在晶体表面上，(111)面 si 原子可提供的键密度最大，因此同氧结 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，因此在合

9、金法 制 造 P-N 结时，若是晶面是(111)面，就比较容易操纵取得平整的结面。故在制 造半导体器件时，经常使用111晶向生长的晶体。对(100)面：杂质的扩散速度，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。这也确实是目前部份大规模集 成电路需要利用100生长的 si 单晶的重要缘故；及咱们此刻明白的太阳能电池 用晶片也是100晶体。缺点实际晶体的空间点阵和理想的空间点阵不同，它不完全有规那么周期排列，而是 点阵在排列上有如此或那样不规那么性，存在着点阵畸变，偏离空间点阵。那些 偏离点阵的结构或地域通称晶体缺点。半导体缺点在上分为原生缺点

10、和二次缺点； 半导体缺点在上分为结构缺点和杂质缺点； 半导体缺点在上分为微缺点和宏观缺点； 宏观缺点有：双晶；晶界；位错列阵；杂质析出等。 硅单晶中主若是微缺点，下面介绍微缺点。 缺点相对晶体尺寸或阻碍范围大小，分为以下几类： 一、点缺点： 空位 间隙原子等 原子引发的点阵畸变-点缺点。原子跑到空间点阵间隙中，如此产生的空位称为 弗兰克(pehkelb)空位，原子跑掉晶体表面去，如此产生的空位称肖脱基 ( Schottky )空位。2、线缺点： 位错位错是一种很重要的晶体缺点。晶体的位错是围绕着的一条很长的线，在必然 范围内原子都发生有规律的错动，离开它原先平稳位置，因此叫位错。滑移区中，原子

11、滑移情形能够用一个矢量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扩散，伴有质量输 送。 晶体中位错一样在晶面原子彼此约束力较弱的地址滑移。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 方向一样是原子距离最小的晶列方向，每移动一个原子距离的整

12、数倍，需要的能 量最小，因此如此的晶向往往是滑移方向。 硅单晶是典型的金刚石结构，而且是共价键结合，111面族面间距大，面密度 大，111面族是硅单晶的要紧滑移面。 硅晶体在111面族上最容易滑称，滑移方向一样为110晶向族，110晶向族 上原子间距最小，因此，硅晶体要紧在111面族的110晶向族的方向上滑移。 低温时，位错运动几乎满是滑移运动。在必然温度下，晶体中存在着必然数量的 空位和间隙原子，由于点阵，热运动和位错彼此作用，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减少一行原子。这种由于空位或间隙 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

13、除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缘故有： 一、籽晶熔接 热冲击（热应力） 二、晶体生长进程中 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，若是单晶生长动力小，硅原子强烈的振动使生长界面周围产 生位错，单晶内部若是径向温度梯度较大，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，内部受到紧缩应力，单晶内部位错受到应力作用依照弗兰克一一瑞德机构进行增 殖

14、。在热应力较强时，晶体内部即便没有位错，壮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度的起伏，能够引发结晶界面上原子振动的转变， 使原子排列偏离点阵，产生晶格畸变，形成位错。硅单晶内杂质浓度太高，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，单晶慢慢冷却，它们体积收缩率和形成的新相不同，硅和新 固相交壤处会产生足够的应力，形成位错；另一方面，单晶内杂质浓度高，使硅 晶格转变较大，晶格常数的这种不均匀性能够形成足够的应力，产生位错。3、单晶冷却进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专门大的应力，同时晶体表面 存在温度梯度，产生很

15、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表示弗兰克-瑞德源的位错增殖机制。假设某滑移面上有一段刃位错AB,它 的两头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。一样说来，N型硅单晶中位错要紧起受主作用，P型 硅单晶中位错起施主作用。位错作为一个线电荷和空间电荷圆柱成为陷井和复合中心，严峻阻碍少数载流子 寿命，它作为复合中心使少数载流子寿命缩短。位错对迁移率也有阻碍，位错线是一串受主，按受电子后，形成一串负电中 心，由于库仑力作用，在位错线周围形成一个圆柱形的正空间电荷区，空间电荷 区内存在电场，增强了电子散射，电