半导体材料第4讲--晶体生长VIP免费

半导体材料陈易明第一页，共七十二页。第三章晶体生长制造半导体器件的材料，绝大部分是单晶体，包括体单晶和薄膜单晶，因此，晶体生长问题对于半导体材料研制，是一个极为重要的问题。本章主要内容：1、晶体生长的基本理论2、熔体中生长单晶的主要规律3、单晶的生长技术第二页，共七十二页。晶体生长理论基础晶体的形成方式：晶体是在物相转变的情况下形成的。物相有三种，即气相、液相和固相。由气相、液相转变成固相可形成晶体，固相之间也可以直接产生转变。晶体生长方式分三大类：固相生长液相生长，包括溶液生长和熔体生长气相生长第三页，共七十二页。天然晶体的生长1．由气相转变为固相：从气相转变为固相的条件是要有足够低的蒸气压。在火山口附近常由火山喷气直接生成硫、碘或氯化钠的晶体。雪花就是由于水蒸气冷却直接结晶而成的晶体。火山口生长的硫(S)晶体夏威夷火山第四页，共七十二页。2.由液相转变为固相：1.从熔体中结晶,即熔体过冷却时发生结晶现象，出现晶体；2.从溶液中结晶,即溶液达到过饱和时，析出晶体；3.水分蒸发，如天然盐湖卤水蒸发，盐类矿物结晶出来；通过化学反应生成难溶物质。天然盐湖卤水蒸发珍珠岩第五页，共七十二页。3．由固相变为固相：1).同质多相转变，某种晶体在热力学条件改变的时候，转变为另一种在新条件下稳定的晶体；2).原矿物晶粒逐渐变大，如由细粒方解石组成的石灰岩与岩浆接触时，受热再结晶成为由粗粒方解石组成的大理岩；细粒方解石大理岩第六页，共七十二页。3．由固相变为固相：3).固溶体分解，在一定温度下固溶体可以分离成为几种独立矿物；4).变晶，矿物在定向压力方向上溶解，而在垂直于压力方向上结晶，因而形成一向延长或二向延展的变质矿物，如角闪石、云母晶体等；5).由固态非晶质结晶，火山喷发出的熔岩流迅速冷却，固结成为非晶质的火山玻璃，这种火山玻璃经过千百年以上的长时间以后，可逐渐转变为结晶质。第七页，共七十二页。晶体形成的热力学条件课堂练习：参考课本图3-1，从图上直接说明气-固相、固-液相转变的条件。第八页，共七十二页。晶体形成的热力学条件从图3-1可直接看出：气-固相转变条件：温度不变，物质的分压大于其饱和蒸汽压。压力不变，物质的温度低于其凝华点。第九页，共七十二页。晶体形成的热力学条件从图3-1可直接看出：固-液相转变的条件：对熔体，压力不变，物质的温度低于其熔点不能看出的条件：液-固相，对溶液，物质的浓度大于其溶解度。第十页，共七十二页。概括来说，气－固相变过程时，要析出晶体，要求有一定的过饱和蒸气压。液－固相变过程时，要析出晶体，要求有一定的过饱和度。固－固相变过程时，要析出晶体，要求有一定的过冷度。详见课本3－1－1第十一页，共七十二页。晶核的形成研究发现，结晶过程是由形核与长大两个过程所组成。结晶时首先在液体中形成具有某一尺寸（临界尺寸）的晶核，然后这些晶核不断凝聚液体中的原子而长大。形核过程和长大过程紧密联系但又有所区别。第十二页，共七十二页。晶核的形成在母相中形成等于或超过一定临界大小的新相晶核的过程称为“形核”形成固态晶核有两种方法，1)均匀形核，又称均质形核或自发形核。2)非均匀形核，又称异质形核或非自发形核。第十三页，共七十二页。晶核的形成均匀形核：当母相中各个区域出现新相晶核的几率相同，晶核由液相中的一些原子团直接形成，不受杂质粒子或外来表面的影响，这种形核叫均匀形核，又称均质形核或自发形核第十四页，共七十二页。晶核的形成非均匀形核：若新相优先在母相某些区域中存在的异质处形核，即依附于液相中的杂质或外来表面形核，则称为非均匀形核。又称异质形核或非自发形核第十五页，共七十二页。气相中的均匀成核在气-固相体系中，气体分子不停的做无规则的运动，能量高的气子发生碰撞后再弹开，这种碰撞类似于弹性碰撞，而某些能量低的分子，可能在碰撞后就连接在一起，形成一些几个分子(多为2个)组成的“小集团”，称为“晶胚”。第十六页，共七十二页。气相中的均匀成核晶胚有两种发展趋势：1、继续...