半導(dǎo)體材料-晶體生長(zhǎng)課件

第三章晶體生長(zhǎng)晶體材料在功能材料中占有重要地位，這是由于它具有一系列獨(dú)特的物理性能所決定的。常見(jiàn)的晶體材料有：Nd:YVO4CrystalNd:YVO4crystalisoneofthemostexcellentlaserhostmaterials,itissuitablefordiodelaser-pumpedsolidstatelaser.A）基質(zhì)晶體（載體）中摻入激活離子（發(fā)光中心Nd3+，Cr3+

，Ho3+

，Dy2+

）。輸出的波長(zhǎng)從紫外（0.17m）到中紅外（5.15m

）。如：紅寶石Al2O3:Cr3+，摻釹釔鋁石榴石YAG:Nd3+等。B）化學(xué)計(jì)量激光晶體，這種晶體的激化離子就是晶體組成之一。其特點(diǎn)：高效、低值，功率小。分類（按組分分）（2）非線性光學(xué)晶體定義：

晶體當(dāng)受到強(qiáng)電磁場(chǎng)作用時(shí)，由于非線性極化引起非線性光學(xué)效應(yīng)。目的：

是實(shí)現(xiàn)光頻率的轉(zhuǎn)化：由于非線性光學(xué)晶體可以通過(guò)其倍頻、和差、光參量放大和多光子吸收等非線性過(guò)程改變?nèi)肷涔夂桶l(fā)射光頻率的變化。

應(yīng)用激光頻率轉(zhuǎn)換、四波混頻、光束轉(zhuǎn)向、圖象放大光信息處理、激光對(duì)抗和核聚變等研究領(lǐng)域?，F(xiàn)狀：

我國(guó)該領(lǐng)域領(lǐng)先（3）電光晶體定義：

光通過(guò)有外加場(chǎng)的晶體時(shí)，光隨著外加場(chǎng)的變化發(fā)生如偏轉(zhuǎn)、偏振面旋轉(zhuǎn)等而達(dá)到控制光傳播的目的。這類晶體為電光晶體。應(yīng)用：

光通訊、光開(kāi)關(guān)、大屏幕顯示、光儲(chǔ)存、光雷達(dá)和光計(jì)算機(jī)等。

要求：在使用的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，對(duì)光的吸收和散射要小、電阻率要大、介電損耗角要小、化學(xué)穩(wěn)定、機(jī)械和熱性能好、半波電壓低等。（5）磁光晶體定義：當(dāng)光通過(guò)組成原子有一定磁性的被磁性晶體反射（克耳效應(yīng)）或透射（法拉第效應(yīng)）時(shí)，其偏振面狀況將發(fā)生變化，這類晶體為磁光晶體。應(yīng)用：

激光快速開(kāi)關(guān)、調(diào)制器、循環(huán)器及隔離器；計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存器等。

（6）熱釋電晶體定義：當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，晶體某一結(jié)晶學(xué)方向上正負(fù)電荷相對(duì)重心位移而引起自發(fā)極化效應(yīng)，這類晶體為熱釋電晶體。應(yīng)用：

紅外熱釋電探測(cè)器、紅外熱釋電攝像管等。

（7）壓電晶體定義：通過(guò)拉伸或壓縮使晶體產(chǎn)生極化，導(dǎo)致晶體表面電荷的現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)，這類晶體為壓電晶體。應(yīng)用：

濾波器、諧振器、光偏轉(zhuǎn)器、測(cè)壓元件等。

（9）半導(dǎo)體晶體定義：電阻率處于導(dǎo)電體（10-5

.cm）和絕緣體（1010.cm

）之間的晶體為半導(dǎo)體晶體。應(yīng)用：

聲、光、電等。

（10）薄膜晶體定義：

1m或以下厚度的晶體。應(yīng)用：

電子管和超大規(guī)模集成電路等。

（11）……晶體除了以上談到的晶體以外，尚有：鐵電、硬質(zhì)、絕緣、敏感、熱光、超導(dǎo)體、快離子導(dǎo)體等等。

2.晶體生長(zhǎng)方法發(fā)展動(dòng)向晶體生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展動(dòng)向完整性利用性功能性重復(fù)性雜質(zhì)、缺陷的控制，特殊環(huán)境下生長(zhǎng)等大尺寸、異形、薄膜等極端條件下生長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)、組織的控制生長(zhǎng)自動(dòng)化，程序化，原材料規(guī)范化等3.晶體生長(zhǎng)研究方法晶體生長(zhǎng)研究方法同其它材料的研究方法相同，除了嚴(yán)格控制晶體生長(zhǎng)原材料之外，對(duì)晶體的結(jié)構(gòu)、晶體的生長(zhǎng)方法和晶體的性質(zhì)進(jìn)行研究是晶體生長(zhǎng)研究的重點(diǎn)。由此可見(jiàn)：研究晶體生長(zhǎng)必然以（1）晶體生長(zhǎng)（2）晶體物理（3）晶體化學(xué)為基礎(chǔ)。簡(jiǎn)言之：1.4材料科學(xué)研究與發(fā)展方向（1）材料復(fù)合化（2）納米材料（3）智能材料（4）生物醫(yī)學(xué)材料（5）C60系列材料非平衡材料1.晶體生長(zhǎng)的一般方法晶體是在物相轉(zhuǎn)變的情況下形成的。物相有三種，即氣相、液相和固相。由氣相、液相固相時(shí)形成晶體，固相之間也可以直接產(chǎn)生轉(zhuǎn)變。

晶體生長(zhǎng)是非平衡態(tài)的相變過(guò)程，熱力學(xué)一般處理平衡態(tài)問(wèn)題，若系統(tǒng)處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)，可使用熱力學(xué)的平衡條件來(lái)處理問(wèn)題相平衡條件：各組元在各相的化學(xué)勢(shì)相等熱平衡條件：系統(tǒng)各部分溫度相等力學(xué)平衡條件：系統(tǒng)各部分壓強(qiáng)相等

3-1晶體生長(zhǎng)的理論基礎(chǔ)(1)固相生長(zhǎng):固體固體在具有固相轉(zhuǎn)變的材料中進(jìn)行石墨金剛石通過(guò)熱處理或激光照射等手段，將一部分結(jié)構(gòu)不完整的晶體轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為完整的晶體微晶硅單晶硅薄膜(3)氣相生長(zhǎng):氣體固體

從氣相直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟臈l件是要有足夠低的蒸氣壓。例子:在火山口附近常由火山噴氣直接生成硫、碘或氯化鈉的晶體。雪花就是由于水蒸氣冷卻直接結(jié)晶而成的晶體

氣體凝華:物質(zhì)從氣態(tài)直接變成固體(氣體升華?固態(tài)氣態(tài))化學(xué)氣相沉積(CVD)

天然晶體的生長(zhǎng)1．由氣相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔啵簭臍庀噢D(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟臈l件是要有足夠低的蒸氣壓。在火山口附近常由火山噴氣直接生成硫、碘或氯化鈉的晶體。雪花就是由于水蒸氣冷卻直接結(jié)晶而成的晶體?；鹕娇谏L(zhǎng)的硫(S)晶體夏威夷火山2.由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔啵?.從熔體中結(jié)晶,即熔體過(guò)冷卻時(shí)發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象，出現(xiàn)晶體；2.從溶液中結(jié)晶,即溶液達(dá)到過(guò)飽和時(shí)，析出晶體；3.水分蒸發(fā)，如天然鹽湖鹵水蒸發(fā)，鹽類礦物結(jié)晶出來(lái)；通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成難溶物質(zhì)。天然鹽湖鹵水蒸發(fā)珍珠巖3．由固相變?yōu)楣滔啵?).同質(zhì)多相轉(zhuǎn)變，某種晶體在熱力學(xué)條件改變的時(shí)候，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N在新條件下穩(wěn)定的晶體；2).原礦物晶粒逐漸變大，如由細(xì)粒方解石組成的石灰?guī)r與巖漿接觸時(shí)，受熱再結(jié)晶成為由粗粒方解石組成的大理巖；細(xì)粒方解石大理巖3．由固相變?yōu)楣滔啵?).固溶體分解，在一定溫度下固溶體可以分離成為幾種獨(dú)立礦物；4).變晶，礦物在定向壓力方向上溶解，而在垂直于壓力方向上結(jié)晶，因而形成一向延長(zhǎng)或二向延展的變質(zhì)礦物，如角閃石、云母晶體等；5).由固態(tài)非晶質(zhì)結(jié)晶，火山噴發(fā)出的熔巖流迅速冷卻，固結(jié)成為非晶質(zhì)的火山玻璃，這種火山玻璃經(jīng)過(guò)千百年以上的長(zhǎng)時(shí)間以后，可逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶質(zhì)。相變時(shí)能量的轉(zhuǎn)化固體與晶體的轉(zhuǎn)化：轉(zhuǎn)變潛熱固體與液體的轉(zhuǎn)化：熔解潛熱液體與氣體的轉(zhuǎn)化：蒸發(fā)潛熱固體與氣體的轉(zhuǎn)化：升華潛熱任一潛熱L都與系統(tǒng)壓力、體積、溫度等條件有關(guān)概括來(lái)說(shuō)，氣－固相變過(guò)程時(shí)，要析出晶體，要求有一定的過(guò)飽和蒸氣壓。液－固相變過(guò)程時(shí)，要析出晶體，要求有一定的過(guò)飽和度。固－固相變過(guò)程時(shí)，要析出晶體，要求有一定的過(guò)冷度。3.晶核的形成熱力學(xué)條件滿足后,晶體開(kāi)始生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)的一般過(guò)程是先形成晶核,然后再逐漸長(zhǎng)大.結(jié)晶時(shí)首先在液體中形成具有某一尺寸（臨界尺寸）的晶核，然后這些晶核不斷凝聚液體中的原子而長(zhǎng)大。三個(gè)生長(zhǎng)階段:

介質(zhì)達(dá)到過(guò)飽和或者過(guò)冷卻階段成核階段nucleation(均勻成核,非均勻成核)生長(zhǎng)階段crystalgrowth在母相中形成等于或超過(guò)一定臨界大小的新相晶核的過(guò)程稱為“形核”形成固態(tài)晶核有兩種方法，

1)均勻形核，又稱均質(zhì)形核或自發(fā)形核。

2)非均勻形核，又稱異質(zhì)形核或非自發(fā)形核。均勻形核：當(dāng)母相中各個(gè)區(qū)域出現(xiàn)新相晶核的幾率相同，晶核由液相中的一些原子團(tuán)直接形成，不受雜質(zhì)粒子或外來(lái)表面的影響，這種形核叫均勻形核，又稱均質(zhì)形核或自發(fā)形核非均勻形核：若新相優(yōu)先在母相某些區(qū)域中存在的異質(zhì)處形核，即依附于液相中的雜質(zhì)或外來(lái)表面形核，則稱為非均勻形核。又稱異質(zhì)形核或非自發(fā)形核一般規(guī)律晶核形成速度快，晶體生長(zhǎng)速度慢晶核數(shù)目多，最終易形成小晶粒晶核形成速度慢，晶體生長(zhǎng)速度快晶核數(shù)目少，最終易形成大晶粒注意：整個(gè)晶化過(guò)程，體系處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)氣相中的均勻成核在氣-固相體系中，氣體分子不停的做無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，能量高的氣子發(fā)生碰撞后再?gòu)楅_(kāi)，這種碰撞類似于彈性碰撞，而某些能量低的分子，可能在碰撞后就連接在一起，形成一些幾個(gè)分子(多為2個(gè))組成的“小集團(tuán)”，稱為“晶胚”。晶胚有兩種發(fā)展趨勢(shì)：1、繼續(xù)長(zhǎng)大，形成穩(wěn)定的晶核；2、重新拆散，分開(kāi)為單個(gè)的分子。一:均勻成核(自發(fā)成核)在過(guò)飽和,過(guò)冷度條件下,依靠自身原子形成的晶核晶體熔化后的液態(tài)結(jié)構(gòu)是長(zhǎng)程無(wú)序的，但在短程范圍內(nèi)卻存在著不穩(wěn)定的接近于有序的原子集團(tuán)，它們此消彼長(zhǎng)，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)起伏或叫相起伏。

當(dāng)溫度降到結(jié)晶溫度時(shí)，這些原子集團(tuán)就可能成為均勻形核的“胚芽”，稱為晶胚；其原子呈晶態(tài)的規(guī)則排列，這就是晶核。液相中的均勻成核1.單個(gè)晶核的形成晶胚:能量較低的分子形成具有結(jié)晶相的有序結(jié)構(gòu)的分子聚集體,成為晶胚晶核:成為結(jié)晶生長(zhǎng)中心的晶胚能量變化在一定的過(guò)冷度下，液體中若出現(xiàn)一固態(tài)的晶體，該區(qū)域的能量將發(fā)生變化，一方面一定體積的液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，體積自由能會(huì)下降，另一方面增加了液－固相界面，增加了表面自由能，因此總的自由能變化量為：

其中ΔGV為單位體積內(nèi)固液自由能之差，V為晶體的體積，一個(gè)細(xì)小的晶體出現(xiàn)后，是否能長(zhǎng)大，決定于在晶體的體積增加時(shí)，其自由能是否下降。

σ為單位表面積的界面能，A為界面的面積。結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力結(jié)晶通常在恒溫恒壓下進(jìn)行，這一過(guò)程進(jìn)行的方向和限度，可使用自由能判據(jù)，相變向自由能減小的方向進(jìn)行

G

小于0，生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力，反之，熔解驅(qū)動(dòng)力在一定過(guò)冷度下，ΔGV為負(fù)值，而σ恒為正值?？梢?jiàn)晶體總是希望有最大的體積和最小的界面積。設(shè)ΔGV和σ為常數(shù)，最有利的形狀為球。設(shè)球的半徑為r，有1)晶核形成時(shí),系統(tǒng)自由能變化組成總能量變化=驅(qū)動(dòng)力+阻力

體系體積自由能差(負(fù)值)新增表面能

△G=△GV+△GS=V.△gv+S.σ=4r3△gv/3+4r2σ0rr*

r,△G

消失幾率長(zhǎng)大幾率晶核不能長(zhǎng)大r=r*

(臨界半徑)△G=△Gmax=△G*消失幾率=長(zhǎng)大幾率臨界狀態(tài)r*

rr0r,△G

消失幾率長(zhǎng)大幾率自發(fā)長(zhǎng)大,但晶胚不穩(wěn)定rr0

△G0,消失幾率長(zhǎng)大幾率晶胚穩(wěn)定長(zhǎng)大形成晶核2)按照r大小,晶核的分類r*

rr0亞穩(wěn)晶核r=r*

(臨界半徑)臨界晶核(胚)rr0穩(wěn)定晶核3)臨界晶核半徑r*

r=r*時(shí)△G=△Gmax=△G*,所以導(dǎo)數(shù)為零.r*與ΔT成反比，即過(guò)冷度ΔT越大，r*越??；熔體中，r*=

-2σ/△gv

影響臨界晶核半徑的因素過(guò)飽和度[與溫度(熔體中)，濃度(液體中)，壓力(氣體中)等有關(guān)]呈反比；比表面能：呈正比。4)形核功能量起伏：系統(tǒng)中微小區(qū)域的能量偏離平均能量水平而高低不一的現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)起伏：瞬間能量在平均值的上下波動(dòng)，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)(原子排列)在變化，小范圍可瞬間接近晶體的排列△G*=4r*2σ/3=△GS/3

即臨界狀態(tài)下,體系自由能正好是表面能的1/3

其余2/3的表面能去哪里了?被體積自由能抵消了!!成核的驅(qū)動(dòng)力?成核所需要的能量由外界提供,稱為形核功ΔG*與ΔT2成反比，過(guò)冷度ΔT越大，ΔG*越小。

臨界形核功ΔG*的大小為臨界晶核表面能的三分之一，它是均質(zhì)形核所必須克服的能量障礙。形核功由熔體中的“能量起伏”提供。因此，過(guò)冷熔體中形成的晶核是“結(jié)構(gòu)起伏”及“能量起伏”的共同產(chǎn)物。結(jié)論:過(guò)飽和度或過(guò)冷度越大,Δgv大,r*,ΔG*越小,晶核越易形成，易形成多晶生長(zhǎng)單晶時(shí),過(guò)飽和度,過(guò)冷度要盡量的小,r*,ΔG*越大,晶核越難形成,易形成單晶.2.多個(gè)晶核生長(zhǎng)1)成核率:單位體積,單位時(shí)間內(nèi)形成的晶核數(shù)(I)

成長(zhǎng)率:新相在單位時(shí)間內(nèi)線性增長(zhǎng)值2)均勻成核速率I

兩個(gè)方面的因素過(guò)飽和度或過(guò)冷度越大，晶核形成速度越快粘度越大，晶核形成速度越慢二非均勻成核(非自發(fā)成核)在體系中存在外來(lái)質(zhì)點(diǎn)(塵埃,固體顆粒,籽晶等),在外來(lái)質(zhì)點(diǎn)上成核晶核依附于夾雜物的界面上形成。這不需要形成類似于球體的晶核，只需在界面上形成一定體積的球缺便可成核。非均質(zhì)形核過(guò)冷度ΔT*比均質(zhì)形核臨界過(guò)冷度ΔT小得多時(shí)就大量成核。非均勻成核有利的降低臨界過(guò)冷度，大大提高形核率。應(yīng)用：籽晶的加入非均質(zhì)形核臨界晶核半徑與均質(zhì)形核完全相同。所以非均勻成核析晶容易進(jìn)行aθ=0時(shí)，△G

非均＝0，雜質(zhì)本身即為晶核；

b180>θ>0時(shí),△Gc非<△Gk,雜質(zhì)促進(jìn)形核；

cθ=180時(shí)，△Gc非＝△Gc，雜質(zhì)不起作用。G*非均＝G*均f（）G*非均≤G*均f（）越小，非均勻成核的臨界形核功就越小，臨界過(guò)冷度就越小。f（）是決定非均勻成核的一個(gè)重要參數(shù)。接觸角對(duì)成核位壘的影響?與θ的關(guān)系圖形影響非均勻形核的因素

a過(guò)冷度,過(guò)冷度越大,越容易成核

b外來(lái)物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)：θ越小越有利。

c外來(lái)物質(zhì)表面形貌：表面下凹有利。凹面雜質(zhì)形核效率最高，平面次之，凸面最差。三

晶核的長(zhǎng)大

1晶核長(zhǎng)大的條件

（1）動(dòng)態(tài)過(guò)冷動(dòng)態(tài)過(guò)冷度：晶核長(zhǎng)大所需的界面過(guò)冷度。（是材料凝固的必要條件）

（2）足夠的溫度（3）合適的晶核表面結(jié)構(gòu)2液固界面微結(jié)構(gòu)粗糙界面：界面固相一側(cè)的點(diǎn)陣位置只有約50%被固相原子所占據(jù)，形成坑坑洼洼、凹凸不平的界面結(jié)構(gòu)。粗糙界面也稱“非小晶面”或“非小平面”。光滑界面：界面固相一側(cè)的點(diǎn)陣位置幾乎全部為固相原子所占滿，只留下少數(shù)空位或臺(tái)階，從而形成整體上平整光滑的界面結(jié)構(gòu)。光滑界面也稱“小晶面”或“小平面”。四、晶體生長(zhǎng)的兩種主要理論一層生長(zhǎng)理論柯塞爾1927年首先提出,后來(lái)被斯特蘭斯基加以發(fā)展內(nèi)容:

它是論述在晶核的光滑表面上生長(zhǎng)一層原子面時(shí)，質(zhì)點(diǎn)在界面上進(jìn)入晶格“座位”的

最佳位置是具有三面凹入角的位置

其次具有二面凹入角的位置；最不利的生長(zhǎng)位置吸附分子和孔。

由此可以得出如下的結(jié)論即晶體在理想情況下生長(zhǎng)時(shí)，先長(zhǎng)一條行，然后長(zhǎng)相鄰的行。在長(zhǎng)滿一層面網(wǎng)后，再開(kāi)始長(zhǎng)第二層面網(wǎng)。晶面(最外的面網(wǎng))是平行向外推移而生長(zhǎng)的。這就是晶體的層生長(zhǎng)理論二螺旋生長(zhǎng)理論弗朗克等人在研究氣相中晶體的生長(zhǎng)時(shí)，估計(jì)體系過(guò)飽和度不小于25—50％。然而在實(shí)驗(yàn)中卻難以達(dá)到,并且在過(guò)飽和度小于2％的氣相中晶體亦能生長(zhǎng)。這種現(xiàn)象并不是層生長(zhǎng)理論所能解釋的。為了解決理論與實(shí)際的矛盾,他們根據(jù)實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)的各種缺陷中最常見(jiàn)的位錯(cuò)現(xiàn)象，在1949年提出了晶體的螺旋生長(zhǎng)理論。

內(nèi)容:晶體生長(zhǎng)界面上螺旋位錯(cuò)露頭點(diǎn)可作為晶體生長(zhǎng)的臺(tái)階源，促進(jìn)光滑界面上的生長(zhǎng)。證實(shí)了螺旋生長(zhǎng)理論五、晶體外形幾個(gè)結(jié)論(掌握)1)一定體積的晶體,平衡時(shí)形狀總表面能最小2)與生長(zhǎng)條件和性質(zhì)有關(guān)

法向速度生長(zhǎng)慢的晶面,生長(zhǎng)過(guò)程中變大變寬,保留

法向速度生長(zhǎng)快的晶面,生長(zhǎng)過(guò)程中變小變窄,消失3)原子密排面容易保留3-3硅鍺單晶生長(zhǎng)單晶材料的生長(zhǎng)，是物質(zhì)的非晶態(tài)，多晶態(tài)，或能夠形成該物質(zhì)的反應(yīng)物，通過(guò)一定的物理或化學(xué)手段轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉顟B(tài)的過(guò)程。首先將結(jié)晶的物質(zhì)通過(guò)熔化或溶解方式轉(zhuǎn)變成熔體或溶液。再控制其熱力學(xué)條件生成晶相，并讓其長(zhǎng)大。可分為熔體生長(zhǎng)法、溶液生長(zhǎng)法和氣相生長(zhǎng)法。而從生長(zhǎng)方式來(lái)說(shuō)，可分為水平生長(zhǎng)、垂直生長(zhǎng)和晶體的拉制等。單晶硅圓片按其直徑分為6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米）等。直徑越大的圓片，所能刻制的集成電路越多，芯片的成本也就越低。但大尺寸晶片對(duì)材料和技術(shù)的要求也越高。單晶硅按晶體生長(zhǎng)方法的不同，分為直拉法（CZCzochralski）、區(qū)熔法（FZ,Float-Zone）和外延法。直拉法、區(qū)熔法生長(zhǎng)單晶硅棒，外延法生長(zhǎng)單晶硅薄膜。直拉法生長(zhǎng)的單晶硅主要用于半導(dǎo)體集成電路、二極管、外延片襯底、太陽(yáng)能電池。目前晶體直徑可控制在Φ3~8英寸。區(qū)熔法單晶主要用于高壓大功率可控整流器件領(lǐng)域，廣泛用于大功率輸變電、電力機(jī)車(chē)、整流、變頻、機(jī)電一體化、節(jié)能燈、電視機(jī)等系列產(chǎn)品。目前晶體直徑可控制在Φ3~6英寸。外延片主要用于集成電路領(lǐng)域。鍺單晶主要用直拉法，硅用直拉法和懸浮區(qū)熔法一、直拉法(CZ)

85%以上的單晶硅都采用CZ法生長(zhǎng)出來(lái)裝置(課本62)直拉法是生長(zhǎng)元素和III-V族化合物半導(dǎo)體體單晶的主要方法。該法是在盛有熔硅或鍺的坩堝內(nèi)，引入籽晶作為非均勻晶核，然后控制溫度場(chǎng)，將籽晶旋轉(zhuǎn)并緩慢向上提拉，晶體便在籽晶下按籽晶的方向長(zhǎng)大。一塊具有所需要晶向的單晶硅作為籽晶來(lái)生長(zhǎng)硅錠，生長(zhǎng)的單晶硅就像是籽晶的復(fù)制品坩鍋里的硅被單晶爐加熱，硅變成熔體籽晶與熔體表面接觸，并旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向與坩鍋的旋轉(zhuǎn)方向相反。隨著籽晶在直拉過(guò)程中離開(kāi)熔體，熔體上的液體會(huì)因?yàn)楸砻鎻埩Χ岣摺ｋS著籽晶從熔體中拉出，與籽晶有同樣晶向的單晶就生長(zhǎng)出來(lái)。工藝過(guò)程(掌握)1.籽晶熔接:加大加熱功率，使多晶硅完全熔化，并揮發(fā)一定時(shí)間后，將籽晶下降與液面接近，使籽晶預(yù)熱幾分鐘，俗稱“烤晶”，以除去表面揮發(fā)性雜質(zhì)同時(shí)可減少熱沖擊2.引晶和縮頸：當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)，可將籽晶與熔體接觸。此時(shí)要控制好溫度，當(dāng)籽晶與熔體液面接觸，浸潤(rùn)良好時(shí)，可開(kāi)始緩慢提拉，隨著籽晶上升硅在籽晶頭部結(jié)晶，這一步驟叫“引晶”，又稱“下種”?！翱s頸”是指在引晶后略為降低溫度，提高拉速，拉一段直徑比籽晶細(xì)的部分。其目的是排除接觸不良引起的多晶和盡量消除籽晶內(nèi)原有位錯(cuò)的延伸。頸一般要長(zhǎng)于20mm3.放肩：縮頸工藝完成后，略降低溫度，讓晶體逐漸長(zhǎng)大到所需的直徑為止。這稱為“放肩”。在放肩時(shí)可判別晶體是否是單晶，否則要將其熔掉重新引晶。單晶體外形上的特征—棱的出現(xiàn)可幫助我們判別，<111>方向應(yīng)有對(duì)稱三條棱，<100>方向有對(duì)稱的四條棱。4.等徑生長(zhǎng)：當(dāng)晶體直徑到達(dá)所需尺寸后，提高拉速，使晶體直徑不再增大，稱為收肩。收肩后保持晶體直徑不變，就是等徑生長(zhǎng)。此時(shí)要嚴(yán)格控制溫度和拉速不變。5.收晶：晶體生長(zhǎng)所需長(zhǎng)度后，拉速不變，升高熔體溫度或熔體溫度不變，加快拉速，使晶體脫離熔體液面。直拉法的兩個(gè)主要參數(shù)：拉伸速率，晶體旋轉(zhuǎn)速率