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1、会计学1期末复习半导体材料福大期末复习半导体材料福大2考试题型考试题型n n填空30分，每空一分n n名词解释30分，每题4分n n简答与计算题40分，6个题目n nAB卷第1页/共61页3考试内容考试内容n n课上重点内容n n作业第2页/共61页4半导体材料概述半导体材料概述n n从电学性质上讲（主要指电阻率）n n绝缘体绝缘体1010121210102222 .cm.cmn n半导体半导体1010-6-610101212 .cm.cmn n良导体良导体1010-6-6.cm.cmn n正温度系数（对电导率而言）正温度系数（对电导率而言）n n负温度系数（对电阻率而言）负温度系数（对电阻率
2、而言）n n导体？导体？第3页/共61页5半导体材料的分类（按化学组成分类）半导体材料的分类（按化学组成分类）n n无机物半导体n n元素半导体：（元素半导体：（Ge,SiGe,Si）n n化合物半导体化合物半导体n n三、五族三、五族GaAsGaAsn n二、六族二、六族n n有机物半导体第4页/共61页6能带理论（区别三者导电性）能带理论（区别三者导电性）n n金属中，由于组成金属的原子中的价电子占据的能带是部分占满金属中，由于组成金属的原子中的价电子占据的能带是部分占满的，所以金属是良好的导体。的，所以金属是良好的导体。n n半导体由于禁带宽度比较小，在温度升高或有光照时，价带顶部半导体
3、由于禁带宽度比较小，在温度升高或有光照时，价带顶部的电子会得到能量激发到导带中去，这样在导带中就有自由电子，的电子会得到能量激发到导带中去，这样在导带中就有自由电子，在价带中就相应的缺少电子，等效为带有正电子的空穴，电子和在价带中就相应的缺少电子，等效为带有正电子的空穴，电子和空穴同时参与导电，使得半导体具有一定的导电性能。空穴同时参与导电，使得半导体具有一定的导电性能。n n一般对于绝缘体，禁带宽度较大，在温度升高或有光照时，能够一般对于绝缘体，禁带宽度较大，在温度升高或有光照时，能够得到能量而跃迁到导带的电子很少，因此绝缘体的导电性能很差。得到能量而跃迁到导带的电子很少，因此绝缘体的导电性
4、能很差。第5页/共61页7半导体结构类型半导体结构类型 金刚石结构（Si/Ge):同种元素的两套面心立方格子沿对角线平移1/4套构而成 闪锌矿（三、五族化合物如GaAs)：两种元素的两套面心立方格子沿对角线平移1/4套构而成 纤锌矿第6页/共61页8对禁带宽度的影响对禁带宽度的影响n n对于元素半导体：同一周期，左-右，禁带宽度增大 同一族，原子序数的增大，禁带宽度减小第7页/共61页9一一.锗、硅锗、硅的化学制备的化学制备n n硅锗的物理化学性质比较硅锗的物理化学性质比较n n高纯硅的制备方法n n各种方法的具体步骤以及制备过程中材料的提纯n n高纯锗的制备方法及步骤第8页/共61页10二、
5、区熔提纯二、区熔提纯n n分凝现象，平衡分凝系数，有效分凝系数，正分凝现象，平衡分凝系数，有效分凝系数，正常凝固，常凝固，n n平衡分凝系数与杂质集中的关系平衡分凝系数与杂质集中的关系P20P20图图2 21 1n nBPSBPS公式及各个物理量的含义；分析如何提高公式及各个物理量的含义；分析如何提高分凝效果，如何变成对数形式分凝效果，如何变成对数形式n n影响区熔提纯的因素影响区熔提纯的因素n n区熔的分类，硅和锗各采用什么方法区熔的分类，硅和锗各采用什么方法第9页/共61页 硅锗的区熔提纯硅锗的区熔提纯 区熔是区熔是1952年年 蒲凡蒲凡 提出的一种物理提纯的提出的一种物理提纯的方法。它是
6、制备超纯半导体材料，高纯金方法。它是制备超纯半导体材料，高纯金属的重要方法。属的重要方法。第10页/共61页区熔提纯的目的区熔提纯的目的 区熔提纯的目的：区熔提纯的目的：得到半导体级纯度（得到半导体级纯度（得到半导体级纯度（得到半导体级纯度（9 9到到到到1010个个个个9 9）的硅，为进一步）的硅，为进一步）的硅，为进一步）的硅，为进一步晶体生长作准备晶体生长作准备晶体生长作准备晶体生长作准备第11页/共61页2-1分凝现象与分凝系数分凝现象与分凝系数 211 分凝现象（偏析现象）分凝现象（偏析现象）含量少的杂质在晶体和熔体中的浓度不同含量少的杂质在晶体和熔体中的浓度不同含量少的杂质在晶体和
7、熔体中的浓度不同含量少的杂质在晶体和熔体中的浓度不同 分凝系数分凝系数:用来衡量杂质在固相和液相中浓度的不用来衡量杂质在固相和液相中浓度的不同同第12页/共61页一一一一 平衡分凝系数平衡分凝系数平衡分凝系数平衡分凝系数K K0 0平衡分凝系数（适用于假定固平衡分凝系数（适用于假定固平衡分凝系数（适用于假定固平衡分凝系数（适用于假定固相和液相达到平衡时的情况）相和液相达到平衡时的情况）相和液相达到平衡时的情况）相和液相达到平衡时的情况）K K0 0=Cs/Cl=Cs/Cl212平衡分凝系数和有效分凝系数Cs:Cs:杂质在固相晶体中的浓杂质在固相晶体中的浓度度 Cl:Cl:杂质在液相熔体中的浓杂
8、质在液相熔体中的浓度度第13页/共61页第14页/共61页(1)T=T(1)T=TL L-T-Tm m 0(T0(TL L体系平衡熔点；体系平衡熔点；T Tm m纯组纯组分熔点分熔点),),C CS SC CL L,K K0 0 1 1 提纯时杂质向尾部集中提纯时杂质向尾部集中(2)T=T(2)T=TL L-T-Tm m 0,0,C CS S C CL L,K K0 0 1 1 提纯时杂质向头部集中提纯时杂质向头部集中(3)T=0,C(3)T=0,CS S=C=CL L,K K0 0=1 1 分布状态不变分布状态不变,不能用于去除杂质不能用于去除杂质第15页/共61页二二 有效分凝系数有效分凝
9、系数 上面讨论的是固液两相平衡时上面讨论的是固液两相平衡时的杂质分配关系的杂质分配关系.但是实际上但是实际上,结结晶不可能在接近平衡状态下进晶不可能在接近平衡状态下进行行,而是以一定的速度而是以一定的速度进行进行.第16页/共61页(1)当当K0 1时时 C CS SC CL L,即杂质在固体中的浓度小即杂质在固体中的浓度小即杂质在固体中的浓度小即杂质在固体中的浓度小,从而使结晶时从而使结晶时从而使结晶时从而使结晶时,固体固体固体固体中的一部分杂质被结晶面排斥出来而积累在熔体中中的一部分杂质被结晶面排斥出来而积累在熔体中中的一部分杂质被结晶面排斥出来而积累在熔体中中的一部分杂质被结晶面排斥出来
10、而积累在熔体中.当结晶的速度当结晶的速度当结晶的速度当结晶的速度杂质由界面扩散到熔体内的速度时杂质由界面扩散到熔体内的速度时杂质由界面扩散到熔体内的速度时杂质由界面扩散到熔体内的速度时,杂质就会在熔体附近的薄层中堆积起来杂质就会在熔体附近的薄层中堆积起来杂质就会在熔体附近的薄层中堆积起来杂质就会在熔体附近的薄层中堆积起来,形成浓度梯形成浓度梯形成浓度梯形成浓度梯度而加快杂质向熔体的扩散度而加快杂质向熔体的扩散度而加快杂质向熔体的扩散度而加快杂质向熔体的扩散,当界面排出的杂质量当界面排出的杂质量当界面排出的杂质量当界面排出的杂质量=因因因因扩散对流而离开界面的向熔体内部流动的杂质量扩散对流而离开
11、界面的向熔体内部流动的杂质量扩散对流而离开界面的向熔体内部流动的杂质量扩散对流而离开界面的向熔体内部流动的杂质量,达达达达到动态平衡到动态平衡到动态平衡到动态平衡.界面薄层中的浓度梯度不再变化界面薄层中的浓度梯度不再变化界面薄层中的浓度梯度不再变化界面薄层中的浓度梯度不再变化,形成稳形成稳形成稳形成稳定分布定分布定分布定分布.这个杂质浓度较高这个杂质浓度较高这个杂质浓度较高这个杂质浓度较高的薄层叫的薄层叫的薄层叫的薄层叫杂质富集层杂质富集层杂质富集层杂质富集层 界面附近靠近固体端界面附近靠近固体端,杂质浓杂质浓度高度高,靠近靠近熔体端熔体端,杂质浓度低杂质浓度低.第17页/共61页(2)K(2
12、)K0 0 1 1 C CS S C CL L,固体中的杂质浓度大固体中的杂质浓度大固体中的杂质浓度大固体中的杂质浓度大,因此固相界因此固相界因此固相界因此固相界面会吸收一些界面附近的熔体中的杂质面会吸收一些界面附近的熔体中的杂质面会吸收一些界面附近的熔体中的杂质面会吸收一些界面附近的熔体中的杂质,使得使得使得使得界面处熔体薄层中杂质呈缺少状态界面处熔体薄层中杂质呈缺少状态界面处熔体薄层中杂质呈缺少状态界面处熔体薄层中杂质呈缺少状态,这一薄层这一薄层这一薄层这一薄层称为贫乏层称为贫乏层称为贫乏层称为贫乏层.为了描述界面处薄层中的杂质浓度与固相中为了描述界面处薄层中的杂质浓度与固相中为了描述界面
13、处薄层中的杂质浓度与固相中为了描述界面处薄层中的杂质浓度与固相中的杂质浓度关系的杂质浓度关系的杂质浓度关系的杂质浓度关系,引出有效分凝系数引出有效分凝系数引出有效分凝系数引出有效分凝系数 K Keffeff=C=CS S/C/CL0L0Cs:Cs:固相杂质浓度固相杂质浓度固相杂质浓度固相杂质浓度 C CL0L0:界面附近熔体内部的杂质浓度界面附近熔体内部的杂质浓度界面附近熔体内部的杂质浓度界面附近熔体内部的杂质浓度 界面不移动或者移动速度界面不移动或者移动速度界面不移动或者移动速度界面不移动或者移动速度=0,K=0,Keffeff K K0 0 有有有有 一定速度时一定速度时一定速度时一定速度
14、时,C,CS S=K KeffeffC CL0L0第18页/共61页2-1-3BPS公式公式(描述描述Keff与与 K0关系关系)1.1.结晶过程无限缓慢时，二者无限接近结晶过程无限缓慢时，二者无限接近结晶过程无限缓慢时，二者无限接近结晶过程无限缓慢时，二者无限接近2.2.结晶过程有一定的速率时，二者不再相等，有效结晶过程有一定的速率时，二者不再相等，有效结晶过程有一定的速率时，二者不再相等，有效结晶过程有一定的速率时，二者不再相等，有效分凝系数与平衡分凝系数符合分凝系数与平衡分凝系数符合分凝系数与平衡分凝系数符合分凝系数与平衡分凝系数符合 BPS(Burton,Prim,Slichter)B
15、PS(Burton,Prim,Slichter)关系关系关系关系第19页/共61页1.f 1.f 远大于远大于远大于远大于D/D/时时时时,fD/,fD/+,exp(-+,exp(-fD/fD/)0,)0,K Keffeff 1,1,即即即即 固液中杂质浓度差不多固液中杂质浓度差不多固液中杂质浓度差不多固液中杂质浓度差不多.分凝效果不明显。分凝效果不明显。分凝效果不明显。分凝效果不明显。2 2.f f 远小于远小于远小于远小于D/D/时时时时,fD/,fD/0,exp(-0,exp(-fD/fD/)1,)1,K Keffeff K K0 0,分凝效果明显分凝效果明显分凝效果明显分凝效果明显平衡
16、分凝系数平衡分凝系数固液交界面移动速度固液交界面移动速度即熔区移动速度即熔区移动速度扩散层厚度扩散层厚度扩散系数扩散系数第20页/共61页KeffKeff介于介于介于介于koko与与与与1 1之间，之间，之间，之间，电磁搅拌或高频电磁场的搅动作用，使扩散加电磁搅拌或高频电磁场的搅动作用，使扩散加电磁搅拌或高频电磁场的搅动作用，使扩散加电磁搅拌或高频电磁场的搅动作用，使扩散加速，速，速，速，变薄，使变薄，使变薄，使变薄，使keffkeff与与与与KoKo接近，分凝的效果也接近，分凝的效果也接近，分凝的效果也接近，分凝的效果也越显著越显著越显著越显著凝固速凝固速凝固速凝固速 度度度度 f f 越慢
17、，越慢，越慢，越慢，keffkeff与与与与KoKo接近，分凝的效果接近，分凝的效果接近，分凝的效果接近，分凝的效果也越显著也越显著也越显著也越显著第21页/共61页2-2 区熔原理区熔原理 2-2-1正常凝固正常凝固 材料锭条全部熔化后材料锭条全部熔化后,使其从一端向另一端使其从一端向另一端逐渐凝固逐渐凝固,这样的凝固方式叫正常凝固这样的凝固方式叫正常凝固.第22页/共61页正常凝固过程中存在正常凝固过程中存在正常凝固过程中存在正常凝固过程中存在分凝现象分凝现象分凝现象分凝现象,所以所以所以所以锭条中杂质分布不均匀锭条中杂质分布不均匀锭条中杂质分布不均匀锭条中杂质分布不均匀.n n(1)(1
18、)(1)(1)K K K K0 0 0 0 1 1 1 1提纯时杂质向尾部集中提纯时杂质向尾部集中提纯时杂质向尾部集中提纯时杂质向尾部集中n n(2)K(2)K(2)K(2)K0 0 0 0 1 1 1 1提纯时杂质向头部集中提纯时杂质向头部集中提纯时杂质向头部集中提纯时杂质向头部集中n n(3)K(3)K(3)K(3)K0 0 0 0=1 1 1 1分布状态不变分布状态不变分布状态不变分布状态不变,不能用于去除杂质不能用于去除杂质不能用于去除杂质不能用于去除杂质第23页/共61页正常凝固固相杂质浓度正常凝固固相杂质浓度正常凝固固相杂质浓度正常凝固固相杂质浓度C C C CS S S S沿锭长
19、的分布公沿锭长的分布公沿锭长的分布公沿锭长的分布公式式式式n nCs=KCCs=KCCs=KCCs=KC0 0 0 0(1-g)(1-g)(1-g)(1-g)k-1k-1k-1k-1nC0:材料凝固前的杂质浓度nK,分凝系数.不同杂质的不同K值可以通过查表得出第24页/共61页杂质分布规律杂质分布规律杂质分布规律杂质分布规律:图图图图2-62-62-62-6 K1K1时时时时 分布曲线接近水平分布曲线接近水平分布曲线接近水平分布曲线接近水平,即杂质浓度沿锭长即杂质浓度沿锭长即杂质浓度沿锭长即杂质浓度沿锭长变化变化变化变化不大不大不大不大.K K与与与与1 1相差较大时相差较大时相差较大时相差较
20、大时(小于小于小于小于0.10.1或大于或大于或大于或大于3)3)杂质浓度随锭长杂质浓度随锭长杂质浓度随锭长杂质浓度随锭长变化较快变化较快变化较快变化较快,杂质向锭的一端集中杂质向锭的一端集中杂质向锭的一端集中杂质向锭的一端集中,提纯效果好提纯效果好提纯效果好提纯效果好.(正常凝固有一定的提纯作用正常凝固有一定的提纯作用正常凝固有一定的提纯作用正常凝固有一定的提纯作用)杂质浓度过大杂质浓度过大杂质浓度过大杂质浓度过大,半导体材料与杂质形成合金半导体材料与杂质形成合金半导体材料与杂质形成合金半导体材料与杂质形成合金状态状态状态状态,分布公式不成立分布公式不成立分布公式不成立分布公式不成立,分布不
21、再服从正常凝固分布不再服从正常凝固分布不再服从正常凝固分布不再服从正常凝固定律。定律。定律。定律。.第25页/共61页正常凝固法的缺点正常凝固法的缺点正常凝固法的缺点正常凝固法的缺点 K K小于小于小于小于1 1的杂质在锭尾，的杂质在锭尾，的杂质在锭尾，的杂质在锭尾，K K大于大于大于大于1 1的杂质在锭头，多的杂质在锭头，多的杂质在锭头，多的杂质在锭头，多次提纯，每次头尾去除，造成材料的浪费且效率次提纯，每次头尾去除，造成材料的浪费且效率次提纯，每次头尾去除，造成材料的浪费且效率次提纯，每次头尾去除，造成材料的浪费且效率低低低低.区熔提纯区熔提纯:它是把材料的一小部分熔化它是把材料的一小部分
22、熔化,并使熔区从锭条的一端移到另一端并使熔区从锭条的一端移到另一端.解决办法：解决办法：解决办法：解决办法：第26页/共61页2-2-2一次区熔提纯一次区熔提纯一次区熔提纯时，锭中的杂质分布情况，一次区熔提纯时，锭中的杂质分布情况，一次区熔提纯时，锭中的杂质分布情况，一次区熔提纯时，锭中的杂质分布情况，C CS S=C=C0 01-(1-K)e1-(1-K)e-Kx/l-Kx/l C C0:0:锭条的原始杂质浓度锭条的原始杂质浓度锭条的原始杂质浓度锭条的原始杂质浓度X:X:已区熔部分长度已区熔部分长度已区熔部分长度已区熔部分长度K:K:分凝系数分凝系数分凝系数分凝系数L:L:熔区长度熔区长度熔
23、区长度熔区长度第27页/共61页一次区熔提纯与正常凝固的效果比较一次区熔提纯与正常凝固的效果比较一次区熔提纯与正常凝固的效果比较一次区熔提纯与正常凝固的效果比较单就一次提纯的效果而言，正常凝固的效果好单就一次提纯的效果而言，正常凝固的效果好单就一次提纯的效果而言，正常凝固的效果好单就一次提纯的效果而言，正常凝固的效果好(怎么看怎么看怎么看怎么看?)?)l l越大，越大，越大，越大，CsCs越小越小越小越小,即熔区越宽，即熔区越宽，即熔区越宽，即熔区越宽，一次区熔一次区熔一次区熔一次区熔提纯的效果越好提纯的效果越好提纯的效果越好提纯的效果越好对于对于对于对于最后一个熔区最后一个熔区最后一个熔区最
24、后一个熔区,属于正常凝固属于正常凝固属于正常凝固属于正常凝固,不服从一次区熔规律不服从一次区熔规律不服从一次区熔规律不服从一次区熔规律第28页/共61页2-2-32-2-3多次区熔与极限分布多次区熔与极限分布n n一次区熔后一次区熔后,材料的纯度仍然材料的纯度仍然达不到半导体器件的纯度要求达不到半导体器件的纯度要求,所以要进行所以要进行多次区熔多次区熔,使得各使得各种杂质尽可能的赶到锭条的两种杂质尽可能的赶到锭条的两头头.第29页/共61页极限分布极限分布n n经过多次区熔提纯后经过多次区熔提纯后,杂质分杂质分布状态达到一个相对稳定且不布状态达到一个相对稳定且不再改变的状态再改变的状态,这种极
25、限状态这种极限状态叫叫极限分布极限分布,也叫也叫最终分布最终分布.第30页/共61页n nC C C CS(x)S(x)S(x)S(x)=Ae=Ae=Ae=AeBxBxBxBxn nK=Bl/(eK=Bl/(eK=Bl/(eK=Bl/(eBlBlBlBl-1)-1)-1)-1)n nA=CA=CA=CA=C0 0 0 0BL/(eBL/(eBL/(eBL/(eBLBLBLBL-1)-1)-1)-1)C C C CS(x):S(x):S(x):S(x):极限分布时在极限分布时在极限分布时在极限分布时在x x x x处固相中杂质浓度处固相中杂质浓度处固相中杂质浓度处固相中杂质浓度 K:K:K:K:
26、分凝系数分凝系数分凝系数分凝系数,l:,l:,l:,l:熔区长度熔区长度熔区长度熔区长度 X:X:X:X:锭的任何位置锭的任何位置锭的任何位置锭的任何位置 C C C C0 0 0 0:初始杂质浓度初始杂质浓度初始杂质浓度初始杂质浓度 L:L:L:L:材料的锭长度材料的锭长度材料的锭长度材料的锭长度 若知道若知道若知道若知道K K K KB B B B A A A A C C C CS(x)S(x)S(x)S(x)达到极限分布时杂质在锭中分布的关系式达到极限分布时杂质在锭中分布的关系式达到极限分布时杂质在锭中分布的关系式达到极限分布时杂质在锭中分布的关系式第31页/共61页多次区熔规律多次区熔
27、规律:(:(图图2-2-10,2-11)10,2-11)n nK K越小越小,两头杂质浓度越小两头杂质浓度越小,即即C Cs(x)s(x)越越小小n nl l越小越小 C Cs(x)s(x)越小越小K越小越小,l越小越小,区熔提纯效果越好区熔提纯效果越好!影响杂质浓度极限分布的主要因素是杂质的分凝系数和熔区长度第32页/共61页2-2-4影响区熔提纯的因影响区熔提纯的因素素1.1.熔区长度熔区长度(1)(1)(1)(1)一次区熔时一次区熔时一次区熔时一次区熔时C C C Cs s s s=C=C=C=C0 0 0 01-(1-K)e1-(1-K)e1-(1-K)e1-(1-K)e-kx/l-k
28、x/l-kx/l-kx/l l l l l 大大大大,C,C,C,Cs s s s 小小小小提纯效果好提纯效果好提纯效果好提纯效果好 l l l l越大越好越大越好越大越好越大越好(2)(2)(2)(2)极限分布时极限分布时极限分布时极限分布时(K(K(K(K一定一定一定一定)l l l l 大大大大,B,B,B,B 小小小小A A A A 大大大大C C C Cs(x)s(x)s(x)s(x)大大大大提纯效果差提纯效果差提纯效果差提纯效果差 l l l l越小越好越小越好越小越好越小越好一次区熔的效果，一次区熔的效果，一次区熔的效果，一次区熔的效果，l l 越大越好越大越好越大越好越大越好极
29、限分布时，极限分布时，极限分布时，极限分布时，l l越小，越小，越小，越小，A A越小，越小，越小，越小，B B越大，锭头杂质浓越大，锭头杂质浓越大，锭头杂质浓越大，锭头杂质浓度度度度 越低，纯度越高越低，纯度越高越低，纯度越高越低，纯度越高应用：前几次用宽熔区，后几次用窄熔区。应用：前几次用宽熔区，后几次用窄熔区。应用：前几次用宽熔区，后几次用窄熔区。应用：前几次用宽熔区，后几次用窄熔区。第33页/共61页2.熔区的移动速度熔区的移动速度BPS公式公式?f f越小，越小，越小，越小，keffkeff越接近越接近越接近越接近k k00，提纯效果好，提纯效果好，提纯效果好，提纯效果好,区熔次数少
30、区熔次数少区熔次数少区熔次数少,但是过低但是过低但是过低但是过低 的的的的f f使得生产效率低使得生产效率低使得生产效率低使得生产效率低过快的过快的过快的过快的f f使得提纯效果差使得提纯效果差使得提纯效果差使得提纯效果差,区熔次数增多区熔次数增多区熔次数增多区熔次数增多f与区熔次数产生矛盾与区熔次数产生矛盾?如何解决如何解决对策对策对策对策：用尽量少的区熔次数和尽量快的区熔速度来区熔：用尽量少的区熔次数和尽量快的区熔速度来区熔：用尽量少的区熔次数和尽量快的区熔速度来区熔：用尽量少的区熔次数和尽量快的区熔速度来区熔,即即即即 使使使使n/(f/D)最小最小最小最小实际操作中的对策实际操作中的对
31、策实际操作中的对策实际操作中的对策:实际区熔速度的操作规划是选实际区熔速度的操作规划是选f/D近似于近似于1第34页/共61页3.3.区熔次数的选择区熔次数的选择区熔次数的经验公式区熔次数的经验公式区熔次数的经验公式区熔次数的经验公式n=(11.5)L/n=(11.5)L/l l n:n:区熔次数区熔次数区熔次数区熔次数L:L:锭长锭长锭长锭长l:l:熔区长度熔区长度熔区长度熔区长度2020次左右最好次左右最好次左右最好次左右最好第35页/共61页4.4.质量输运质量输运(质量迁移质量迁移)现象现象：一头增粗，一头变细：一头增粗，一头变细原因原因：熔体与固体的密度不同，：熔体与固体的密度不同，
32、对策对策：在水平区熔时，将锭料：在水平区熔时，将锭料倾斜一个角度，倾斜一个角度，(经验表明，经验表明，3-5度）以重力作用消除输运度）以重力作用消除输运效应效应。第36页/共61页2-3锗、硅的区熔提纯锗、硅的区熔提纯n n区熔法晶体生长区熔法晶体生长区熔法晶体生长区熔法晶体生长 crystal growth by zone melting method crystal growth by zone melting method crystal growth by zone melting method crystal growth by zone melting method 利用多晶锭分区
33、熔化和结晶来利用多晶锭分区熔化和结晶来利用多晶锭分区熔化和结晶来利用多晶锭分区熔化和结晶来生长单晶体生长单晶体生长单晶体生长单晶体的方法。将棒的方法。将棒的方法。将棒的方法。将棒状多晶锭熔化一窄区状多晶锭熔化一窄区状多晶锭熔化一窄区状多晶锭熔化一窄区,其余部分保持固态其余部分保持固态其余部分保持固态其余部分保持固态,然后使这一熔区然后使这一熔区然后使这一熔区然后使这一熔区沿锭的长度方向移动，使整个晶锭的其余部分依次熔化后沿锭的长度方向移动，使整个晶锭的其余部分依次熔化后沿锭的长度方向移动，使整个晶锭的其余部分依次熔化后沿锭的长度方向移动，使整个晶锭的其余部分依次熔化后又结晶。又结晶。又结晶。又
34、结晶。第37页/共61页n n在头部放置一小块单晶即在头部放置一小块单晶即籽晶籽晶(seed(seed crystal)crystal)，并在籽晶和原料晶锭相连区域，并在籽晶和原料晶锭相连区域建立熔区，移动晶锭或加热器使熔区朝晶建立熔区，移动晶锭或加热器使熔区朝晶锭长度方向不断移动，使单晶不断长大。锭长度方向不断移动，使单晶不断长大。n n分类分类:水平区熔水平区熔 悬浮区熔悬浮区熔第38页/共61页锗的水平区熔法锗的水平区熔法GeGe中所含的杂质中所含的杂质中所含的杂质中所含的杂质K K大于大于大于大于1 1，B BK K小于小于小于小于1 1，Ni,Fe,Cu,Mn,AsNi,Fe,Cu,
35、Mn,As提纯装置提纯装置提纯装置提纯装置(34(34页页页页)提纯步骤提纯步骤提纯步骤提纯步骤根据提纯要求确定熔区长度、区熔速度和次数根据提纯要求确定熔区长度、区熔速度和次数根据提纯要求确定熔区长度、区熔速度和次数根据提纯要求确定熔区长度、区熔速度和次数清洗石墨舟、石英管、锗锭清洗石墨舟、石英管、锗锭清洗石墨舟、石英管、锗锭清洗石墨舟、石英管、锗锭将舟装入石英管、通氢气或抽真空，排气将舟装入石英管、通氢气或抽真空，排气将舟装入石英管、通氢气或抽真空，排气将舟装入石英管、通氢气或抽真空，排气熔区的产生：电阻加热炉，高频线圈熔区的产生：电阻加热炉，高频线圈熔区的产生：电阻加热炉，高频线圈熔区的产
36、生：电阻加热炉，高频线圈(附加电磁搅拌作用附加电磁搅拌作用附加电磁搅拌作用附加电磁搅拌作用)区熔若干次区熔若干次区熔若干次区熔若干次第39页/共61页硅的悬浮区熔提纯硅的悬浮区熔提纯 采用悬浮区熔的原因：采用悬浮区熔的原因：采用悬浮区熔的原因：采用悬浮区熔的原因：高温下硅很活泼高温下硅很活泼高温下硅很活泼高温下硅很活泼,易反应，易反应，易反应，易反应，悬浮区熔可使之不与任何材料接触；悬浮区熔可使之不与任何材料接触；悬浮区熔可使之不与任何材料接触；悬浮区熔可使之不与任何材料接触；利用熔硅表面张力大利用熔硅表面张力大利用熔硅表面张力大利用熔硅表面张力大 而密度小的特点，可使熔区悬浮而密度小的特点，
37、可使熔区悬浮而密度小的特点，可使熔区悬浮而密度小的特点，可使熔区悬浮第40页/共61页n n1.1.1.1.什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系数？数？数？数？n n2.2.2.2.写出写出写出写出BPSBPS公式及各个物理量的含义，并讨论影公式及各个物理量的含义，并讨论影公式及各个物理量的含义，并讨论影公式及各个物理量的含义，并讨论影响分凝系数的因素。响分凝系数的因素。响分凝系数的因素。响分凝系数的因素。n n3.3.3.3.分别写出正常凝固过程、一次区熔过程锭条中分别
38、写出正常凝固过程、一次区熔过程锭条中分别写出正常凝固过程、一次区熔过程锭条中分别写出正常凝固过程、一次区熔过程锭条中 杂质浓度杂质浓度杂质浓度杂质浓度CsCs公式公式公式公式,并说明各个物理量的含义。并说明各个物理量的含义。并说明各个物理量的含义。并说明各个物理量的含义。n n4.4.4.4.说明为什么实际区熔时，最初几次要选择大熔说明为什么实际区熔时，最初几次要选择大熔说明为什么实际区熔时，最初几次要选择大熔说明为什么实际区熔时，最初几次要选择大熔 区后几次用小熔区的工艺条件。区后几次用小熔区的工艺条件。区后几次用小熔区的工艺条件。区后几次用小熔区的工艺条件。问题问题第41页/共61页答案：
39、答案：n n1.1.1.1.分凝现象：含有杂质的晶态物质熔化后再结晶时，分凝现象：含有杂质的晶态物质熔化后再结晶时，分凝现象：含有杂质的晶态物质熔化后再结晶时，分凝现象：含有杂质的晶态物质熔化后再结晶时，杂质再结晶的固体和未结晶的液体中浓度不同，这种杂质再结晶的固体和未结晶的液体中浓度不同，这种杂质再结晶的固体和未结晶的液体中浓度不同，这种杂质再结晶的固体和未结晶的液体中浓度不同，这种现象叫分凝现象。现象叫分凝现象。现象叫分凝现象。现象叫分凝现象。n n平衡分凝系数：平衡分凝系数：平衡分凝系数：平衡分凝系数：固液两相达到平衡时，固相中的杂固液两相达到平衡时，固相中的杂固液两相达到平衡时，固相中
40、的杂固液两相达到平衡时，固相中的杂质浓度和液相中的杂质浓度是不同的，把它们的比值质浓度和液相中的杂质浓度是不同的，把它们的比值质浓度和液相中的杂质浓度是不同的，把它们的比值质浓度和液相中的杂质浓度是不同的，把它们的比值称为平衡分凝系数，用称为平衡分凝系数，用称为平衡分凝系数，用称为平衡分凝系数，用K0K0K0K0表示。表示。表示。表示。K0K0K0K0Cs/CCs/CCs/CCs/CL L L Ln n有效分凝系数：为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离有效分凝系数：为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离有效分凝系数：为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离有效分凝系数：为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离固相对固相
41、中杂质浓度的影响，通常把固相杂质浓度固相对固相中杂质浓度的影响，通常把固相杂质浓度固相对固相中杂质浓度的影响，通常把固相杂质浓度固相对固相中杂质浓度的影响，通常把固相杂质浓度CsCsCsCs与熔体内部的杂质浓度与熔体内部的杂质浓度与熔体内部的杂质浓度与熔体内部的杂质浓度C C C CL0L0L0L0的比值定义为有效分凝系的比值定义为有效分凝系的比值定义为有效分凝系的比值定义为有效分凝系数数数数KeffKeffKeffKeff Keff Keff Keff KeffCs/CCs/CCs/CCs/CL0L0L0L0第42页/共61页2.f 2.f 远大于远大于远大于远大于D/D/时时时时,fD/,
42、fD/+,exp(-fD/fD/)0,Keff 1,即即 固液中杂质浓度差不多固液中杂质浓度差不多.分凝效分凝效果不明显。果不明显。f f 远小于远小于远小于远小于D/D/时时时时,fD/,fD/0,exp(-fD/fD/)1,Keff K0,分凝效果明显分凝效果明显平衡分凝系数平衡分凝系数固液交界面移动速度固液交界面移动速度即熔区移动速度即熔区移动速度扩散层厚度扩散层厚度扩散系数扩散系数第43页/共61页 3.3.3.3.正常凝固过程：正常凝固过程：正常凝固过程：正常凝固过程：n nCs=KC0(1-g)k-1Cs=KC0(1-g)k-1Cs=KC0(1-g)k-1Cs=KC0(1-g)k-
43、1n nC0:C0:C0:C0:材料凝固前的杂质浓度材料凝固前的杂质浓度材料凝固前的杂质浓度材料凝固前的杂质浓度n nK,K,K,K,分凝系数分凝系数分凝系数分凝系数.不同杂质的不同不同杂质的不同不同杂质的不同不同杂质的不同K K K K值可以通过查值可以通过查值可以通过查值可以通过查表得出表得出表得出表得出 一次区熔过程：一次区熔过程：一次区熔过程：一次区熔过程：n nCS=C01-(1-K)e-K x/lCS=C01-(1-K)e-K x/lCS=C01-(1-K)e-K x/lCS=C01-(1-K)e-K x/ln nC0:C0:C0:C0:锭条的原始杂质浓度锭条的原始杂质浓度锭条的原
44、始杂质浓度锭条的原始杂质浓度n nX:X:X:X:已区熔部分长度已区熔部分长度已区熔部分长度已区熔部分长度n nK:K:K:K:分凝系数分凝系数分凝系数分凝系数n nL:L:L:L:熔区长度熔区长度熔区长度熔区长度第44页/共61页n n4.4.4.4.（1 1 1 1）一次区熔时）一次区熔时）一次区熔时）一次区熔时 C C C Cs s s s=C=C=C=C0 0 0 01-(1-K)e1-(1-K)e1-(1-K)e1-(1-K)e-kx/l-kx/l-kx/l-kx/l l l l l 大大大大,C,C,C,Cs s s s 小小小小提纯效果好提纯效果好提纯效果好提纯效果好 l l l
45、 l越大越好越大越好越大越好越大越好 (2)(2)(2)(2)极限分布时极限分布时极限分布时极限分布时(K(K(K(K一定一定一定一定)l l l l 大大大大,C,C,C,Cs(x)s(x)s(x)s(x)大大大大提纯效果差提纯效果差提纯效果差提纯效果差 l l l l越小越好越小越好越小越好越小越好所以对于实际区熔，前几次应该用大熔区，越到所以对于实际区熔，前几次应该用大熔区，越到所以对于实际区熔，前几次应该用大熔区，越到所以对于实际区熔，前几次应该用大熔区，越到后面越接近极限分布，应该用小熔区后面越接近极限分布，应该用小熔区后面越接近极限分布，应该用小熔区后面越接近极限分布，应该用小熔区
46、第45页/共61页47影响区熔的因素影响区熔的因素熔区长度熔区长度熔区长度熔区长度一次区熔的效果，一次区熔的效果，一次区熔的效果，一次区熔的效果，l l越大越好越大越好越大越好越大越好极限分布时，极限分布时，极限分布时，极限分布时，l l越小，锭头杂质浓度越低，纯度越高越小，锭头杂质浓度越低，纯度越高越小，锭头杂质浓度越低，纯度越高越小，锭头杂质浓度越低，纯度越高应用：前几次用宽熔区，后几次用窄熔区。应用：前几次用宽熔区，后几次用窄熔区。应用：前几次用宽熔区，后几次用窄熔区。应用：前几次用宽熔区，后几次用窄熔区。熔区的移动速度熔区的移动速度熔区的移动速度熔区的移动速度电磁搅拌或高频电磁场的搅动
47、作用，使扩散加速，电磁搅拌或高频电磁场的搅动作用，使扩散加速，电磁搅拌或高频电磁场的搅动作用，使扩散加速，电磁搅拌或高频电磁场的搅动作用，使扩散加速，变薄，变薄，变薄，变薄，使使使使keffkeff与与与与KoKo接近，分凝的效果也越显著接近，分凝的效果也越显著接近，分凝的效果也越显著接近，分凝的效果也越显著凝固速凝固速凝固速凝固速 度度度度 f f 越慢，越慢，越慢，越慢，keffkeff与与与与KoKo接近，分凝的效果也越显著接近，分凝的效果也越显著接近，分凝的效果也越显著接近，分凝的效果也越显著区熔次数的选择区熔次数的选择区熔次数的选择区熔次数的选择区熔次数的经验公式区熔次数的经验公式区
48、熔次数的经验公式区熔次数的经验公式n=(1-1.5)L/n=(1-1.5)L/l l质量输运质量输运质量输运质量输运 通过使锭料倾斜一个角度，用重力作用消除质量输运效通过使锭料倾斜一个角度，用重力作用消除质量输运效通过使锭料倾斜一个角度，用重力作用消除质量输运效通过使锭料倾斜一个角度，用重力作用消除质量输运效应应应应 第46页/共61页48问题问题n n1.1.1.1.什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系数？什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系数？什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系数？什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系数？n n2.2.2.2.写出写出写出写出BPSBPSB
49、PSBPS公式及各个物理量的含义，并讨论影响分凝系数的因素。公式及各个物理量的含义，并讨论影响分凝系数的因素。公式及各个物理量的含义，并讨论影响分凝系数的因素。公式及各个物理量的含义，并讨论影响分凝系数的因素。n n3.3.3.3.分别写出正常凝固过程、一次区熔过程锭条中杂质浓度分别写出正常凝固过程、一次区熔过程锭条中杂质浓度分别写出正常凝固过程、一次区熔过程锭条中杂质浓度分别写出正常凝固过程、一次区熔过程锭条中杂质浓度CsCsCsCs公式公式公式公式,并说明各个物理量的含义。并说明各个物理量的含义。并说明各个物理量的含义。并说明各个物理量的含义。n n4.4.4.4.说明为什么实际区熔时，最
50、初几次要选择大熔区后几次用小熔说明为什么实际区熔时，最初几次要选择大熔区后几次用小熔说明为什么实际区熔时，最初几次要选择大熔区后几次用小熔说明为什么实际区熔时，最初几次要选择大熔区后几次用小熔区的工艺条件。区的工艺条件。区的工艺条件。区的工艺条件。第47页/共61页49五五 硅外延生长硅外延生长n n名词解释名词解释 同质外延同质外延,异质外延异质外延,直接直接外延外延,间接外延间接外延 外延不同的分类方法以及外延不同的分类方法以及每种分类所包括的种类每种分类所包括的种类n n硅气相外延原料硅气相外延原料n n硅气相外延分类硅气相外延分类n n用用SiCLSiCL4 4外延硅的原理以及影响外延