第一章 晶体学基础知识.docx

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1、第一章晶体学基础知识一、晶体和非晶体自然界中物质的存在状态有三种：气态、液态、固态。固体又可分为两种存在形式：晶体和非晶体（无定型固体晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体；晶体中的原子（分子或离子）在空间按一定规律周期性重复的排列。非晶体是没有规则外形、组成物质的原子（分子或离子）在空间不呈有规则、周期性排列的固体。11晶体的概念与性质：晶体的概念：结构基元（可以是原子、分子、离子、原子团或离子团）在空间呈规则性的周期排列的物质。晶体的性质：1.1.1晶体大都有整齐、规则的几何外形。例如：只要结晶条件良好，可以看出食盐、石英、明研等分别具有立方体、六角柱体和八面体的几何外形。这是

2、晶体内微粒的排布具有空间点阵结构在晶体外形上的表现。对晶体有规则的几何外形进行深入研究以后，人们发现不同晶体有不同程度的对称性。晶体中可能具有的对称元素有对称中心、镜面、旋转轴、反轴等许多种。1.1.2晶体具有各向异性。晶体的力学性质、光学性质、热和电的传导性质都随着晶体的晶向不同而有所不同，称为晶体的各向异性。这是由于在晶体内不同方向上微粒排列的周期长短不同，而微粒间距离的长短又直接影响它们相互作用力的大小和性质。非晶体由于微粒的排列是混乱的，表现为各向同性。1.1.3在一定压力下，晶体有固定的熔点，非晶体没有固定的熔点，只有一段软化温度范围。这是由于晶体的每一个晶胞都是等同的，都在同一温度

3、下被微粒的热运动所瓦解。在非晶体中，微粒间的作用力有的大有的小，极不均一，所以没有固定的熔点。1.1.4晶体和非晶体可以相互转化。许多物质既可以以晶体形式存在，又可以以非晶体形式存在。1.2单晶和多晶构成整个晶体的各种离子或原子全都是按照一定的方向和顺序排列的叫单晶体。如果由多个单晶体混乱地结合在一起，晶体之间有明显的界限，这样的晶体就叫多晶体。二、晶体的生长理论2.1 晶体的熔化和凝固2.1.1 晶体熔化过程晶体熔化特性：晶体熔化过程中不断吸热，温度保持不变。晶体物质熔化的条件：温度达到熔点不断从外界吸热2.1 .2晶体凝固过程晶体凝固特性：晶体凝固过程中放热，温度不变。晶体凝固条件：温度达

4、到凝固点不断向外界放热2.2 晶体的生长理论晶体生长理论研究的目的是通过对晶体生长过程的深入理解，实现对晶体制备技术研究的指导和预言。晶体生长理论研究对象是晶体生长这一复杂的客观过程，研究内容相当庞杂O可以把晶体生长理论研究的基本科学问题归纳为如下两个方面：D晶体结构、晶体缺陷、晶体生长形态、晶体生长条件四者之间的关系。晶体生长理论研究本质上就是完整理解不同晶体其内部结构、缺陷、生长条件和晶体形态四者之间的关系.搞清楚这四者之间的关系，就可以在制备实验中预测具有特定晶体结构的晶体在不同生长条件下的生长形态。通过改变生长条件来控制晶体内部缺陷的生成，改善和提高晶体的质量和性能。2）晶体生长界面动

5、力学问题。上述四者之间的关系研究只是对晶体生长过程的一种定性的描述，为了对此过程作更为精确的（甚至定量或半定量）的描述，必须在原子分子层次上对生长界面的结构、界面附近熔体（溶液）结构、界面的热、质输运和界面反应进行研究，这就是晶体生长界面动力学研究的主要内容。2.2.1晶体生长的基本过程如果把晶体生长全过程进行分解的话，它至少应该包括以下几个基本过程：溶质的溶解，晶体生长基元的形成，晶体生长基元在生长介质中的输运，晶体生长基元在晶体表面上的运动与结合以及晶体生长界面的推移，从而导致晶体生长。因此，从宏观角度看：晶体生长过程是“晶体一一环境相（蒸气、溶液、熔体）”界面向环境相中不断推移的过程，也

6、就是由包含组成晶体单元的母相从低秩序相向高度有序晶相的转变O从微观角度来看，晶体生长过程可以看作一个“基元”过程，所谓“基元”是指结晶过程中最基本的结构单元，从广义上说，“基元”可以是原子、分子、也可以是具有一定几何构型的原子（分子）聚集体O晶体内部结构、环境相状态及生长条件都将直接影响晶体生长的“基元”过程。环境相及生长条件的影响集中体现于基元的形成过程之中；而不同结构的生长基元在不同晶面族上的吸附、运动、结晶或脱附过程主要与晶体内部结构相关联。不同结构的晶体具有不同的生长形态。对于同一晶体，不同的生长条件可能产生不同结构的生长基元，最终形成不同形态的晶体。同种晶体可能有多种结构的物相，即同

7、质异相体。这也是由于生长条件不同，“基元”过程不同而导致的结果。晶体内部缺陷的形成又与“基元”过程受到干扰有关。2.2.2晶体缺陷晶体中某些区域粒子的排列不象理想晶体那样规则和完整，这种偏离完整性的区域，或者说晶体中一切偏离理想的晶格结构称做晶体缺陷。1）按照缺陷的形成和结构分类可分为本征缺陷和杂质缺陷。本征缺陷（固有缺陷）指不是由外来杂质原子形成，而是由于晶体结构本身偏离晶格结构造成的缺陷。杂质缺陷是指杂质原子进入基质晶体中所形成的缺陷。2）按照缺陷的几何特征可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。3）按缺陷产生的原因可分为热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷、其它原因，如电荷缺陷，辐照缺陷等。第

8、二章硅材料基础知识硅以大量的硅酸盐矿和石英矿存在于自然界中。硅在地壳中的含量为27.7乐在所有的元素中居第二位，地壳中含量最多的元素氧和硅结合形成的二氧化硅(SiO2),占地壳总质量的87机硅有晶态和无定形两种同素异形体。晶态硅又分为单晶硅和多晶硅，它们均具有金刚石晶格结构，晶态硅硬而脆，具有金属光泽，能导电，但导电率不及金属,且随温度升高而增加，具有半导体性质。晶态硅的熔点1420C,沸点2355C；固态密度2.329gcm3,液态密度2.539gcm3o单晶硅和多晶硅的区别是：当熔融的单质硅凝固时,硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则形成单晶硅。如果这些

9、晶核长成晶面取向不同的晶粒，则形成多晶硅。一、硅的晶体结构材料的晶体结构与它的电子轨道、能带结构和化学键关系有密切关系。对硅来说，它的每个原子的四周杂化轨道以及它的共价键的结构决定了它必然的面心立方型的金刚石结构。如图1所示图1硅的面心立方型金刚石结构硅晶体中原子以共价键结合，每个硅原子带有四个共价键，有8个电子，每个原子最邻近的四个键合原子，是位于该原子为中心的正四面体角落上。二、硅的电学性质在自然界中，固体物质按其电阻值可分成绝缘体、导体、半导体三类，电阻值大于IX10。为绝缘体、电阻值小于IX10。为导体、电阻值在IXIoX10C之间为半导体。半导体的电导率一般随着温度、掺杂浓度、磁场强

10、度及光照强度等因素的变化而改变。无缺陷半导体的导电性很差，称其为本征半导体。当掺入极微量的点活性杂质，其电导率将会显著增加，例如，在硅中掺入亿分之一的硼，其电导率就可降为原来的千分之几。图2本征半导体图3本征半导体的自由电子和空穴当硅中掺杂以施主杂质（V族元素：磷P、珅As、锦Sb等）为主时，以电子导电为主，成为N型硅。当硅中掺入以受主杂质（I族元素：硼B、铝A1、钱Ga等）为主时，以空穴导电为主，成为P型硅。图4N型半导体的共价键结构图5P型半导体的共价键结构第三章直拉单晶炉从大的方面讲，直拉单晶炉分为机械和电气两大部分，每个部分又分为很多小的部分。一、机械部分1.1炉体炉体包括主架、主炉室

11、、副炉室等部件。主架由底座、立柱组成，是炉子的支撑机构。主炉室和副炉室是单晶生长的地方。1）主炉室是炉体的心脏，有炉底盘、下炉筒、上炉筒和炉盖组成，他们均为不锈钢焊接而成的双层水冷结构，用于安装生长单晶的热系统、石英坦烟及原料等。2）副炉室包括副炉筒、籽晶旋转机构、软轴提拉室等，是单晶硅棒的接纳室。3）籽晶旋转及提升机构，提供籽晶的旋转及提升的动力和控制系统。4）生埸的旋转及提升机构，提供用烟的旋转及上升的动力和控制系统。5）主、副炉室的升降机构，通过电动推杆对炉室进行升降及旋转。1.2真空系统真空系统主要分两部分：主炉室真空系统和副炉室真空系统。主炉室真空系统主要包括主真空泵、电磁截至阀、除

12、尘罐、安全阀、真空计、真空管道及控制系统等。除尘罐对排气中的粉尘起到过滤作用，以便保护机械泵，除尘罐内的过滤网要定期清理，使排气畅通，否则影响成晶。定期更换泵油。副炉室真空系统除了除尘罐外与主炉室真空系统相似。主要是在拉晶过程中需要关闭主、副炉室之间的隔离阀，打开副炉室，更换籽晶或者取出晶体，然后再关闭副炉室，这时必须用副炉室真空系统来对副炉室进行抽真空。拉晶过程中需要定时进行真空检漏，冷炉极限真空可以到3Pa以下，单晶炉泄露率应该低于3Pa10mio13氮气系统氯气系统包括液氮储罐，汽化器、气阀、气体流量计、针形调节阀等部件组成。氨气纯度为5N,在单晶生长过程中起保护作用，一方面及时携带熔体

13、中的挥发物经真空泵排除；另一方面又及时带走晶体表面的热量，增大晶体的纵向温度梯度，有利于单晶生长。1. 4水冷系统水冷系统包括总进水管道、分水器、各路冷却水管道以及回水管道组成。由循环水系统来保证水循环正常运行。水冷系统的正常运行非常重要，必须随时保持各部位冷却水路畅通，不得堵塞或停水，轻者会影响成晶率，严重会烧坏炉体部件，造成巨大损失。1.5热系统硅单晶炉热系统装置包括石墨烟、加热器、保温罩、保温盖、保温材料，热系统上部设有导流筒和保温盖，下部设有炉底护盘，炉底护盘的底部和周围设有保温材料，保温罩及保温罩外侧的保温材料支撑在炉底护盘上，保温盖设置在石墨罩上面，导流筒设置在保温盖的盖口内。二、

14、电气系统电气系统主要包括电源控制系统以及单晶炉控制系统。直拉单晶炉主电源采用三相交流供电，电压380V,频率50Hz。经变压器整流后，形成低电压，大电流的直流电源作为主加热功率。单晶炉控制系统主要包括速度控制单元、加热温度控制器、直径控制单元、水温和设备运行巡检及状态报警、继电控制单元等部分。1）速度控制单元对晶升、埸升、晶转、埸转的速度进行控制。2）温度传感器从加热器上取得的信号与等径控制器的温度控制信号叠加后进入欧陆控制器，经分析调整控制加热器电压，达到控制加热温度与直径的目的。3）水温运行巡检及状态报警单元可以对单晶炉各路冷却水温进行实时检测，当某路水温超过设定值时，相应水路发出报警提示

15、工作人员排除。同时本单元可以实时检测单晶炉运行中的异常现象，给出相应报警。4）继电控制单元包括液压系统继电控制，真空机组继电控制及无水、欠水继电控制等部分。第四章直拉单晶硅生长技术一、直拉单晶硅工艺过程直拉法基本原理：将多晶硅在真空或惰性气体保护下加热，使多晶硅熔化,然后利用籽晶来拉制单晶硅。1.1工艺流程图说明：a）单晶制造工艺流程为方块标注环形部分，即由配料工序开始，至晶棒终止；b）配料工序的入口为库房管理部门；c）晶棒工序的出口为检验；d）如果拉晶为连续工作时，在停炉到清炉完后，从装料重新开始。如在按要求开炉数后或长时间没有开炉时，要从燧烧开始。e）在本工艺流程中，如果放肩、转肩、等径过程中晶线断，需根据工艺要求回熔或者取出。拆清炉：取出晶体，清除炉膛内的挥发物及杂质，清除石墨件上的附着物、石英碎片等杂质。装料：装料阶段是生长过程的第一个阶段，是把多晶硅料按要求装入石英用埸内，在单晶炉主炉室里熔化。化料：通过电阻加热，将装在石英用埸中的多晶硅熔化，并保持略高于硅熔点的温度。引晶：将籽晶浸入熔体，然后以一定速度向上提拉籽晶并同时旋转引出晶体。缩颈：生长一定长度的细长颈的晶体，以防止籽晶中的位错延伸到晶体中。放肩：使晶体在径向上生长，并控制到所需直径。转肩：待晶体长到一定尺寸，通过提升拉速，使晶体从径向生长转到纵向生长。等径：根据熔体和单晶炉情况，控制