第一章-晶体生长和外延演示教学

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【精品】南京大学-晶体生长课件-Chapter 1-绪论ppt课件

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体的特征
晶体的概念
晶体— 晶体(Crystal)是指内部质点(原子、离子或分子)在三维空
间周期性地重复排列构成的固体物质。这种质点在三维空间周期性地重 复排列也称格子构造,所以,晶体就是具有格子构造的固体。 X射线衍 射结构表明:晶体内部的原子、离子在三维空间周期性地重复排列。这 就找到了晶体的本质特性。
如何理解?
格子构造(=空间点阵)是什么? (next…)
是固体, 而非液体或气体
即晶体内部的质点排列具有周期性(长程有序, long-range order); 在原子近邻具有的周期性,叫短程有序(shortrange order), 液体具有短程有序;气体既无长程,也无 短程有序。
金刚石的晶体结构 周期性排列示意图 KBe2BO3F2(KBBF) 晶体的表面周期性
金刚石三维周期性示意图
氯化钠的晶格结构
氯化钠三维周期性
氯化钠周期性结构
晶体与非晶体的区别:
自然界中的固体物质可以分为晶体和非晶体两大类。 其中,晶体是指那些内部质点(原子、离子或分子)在三维 空间周期性地重复排列构成的固体物质。 与此相反,内 部质点在三维空间无规律地排列的固体物质为非晶体或 非晶态(Non-crystal)。
玻璃、松香、沥青、橡胶、塑料等都是非晶体,它们 没有规则的几何形状,虽然我们可以通过加工而使其具 有某种规则的外形。非晶体的各种物理性质,在各个方 向上都是相同的,即各向同性。非晶体没有固定的熔点 ,在熔化过程中,随着温度的升高,它首先变软,然后 逐渐由稠变稀,经历一个软化过程。这些特征和晶体是 不同的。
,顾名思义,就是大自然亿万年而天然形成的晶体。这些天 然晶体有红宝石、蓝宝石等珍贵的宝石,也有食盐、石英等 常见的晶体,也有黄铁矿、磁铁矿、菱锰矿、金红石等矿物 晶体,普普通通的砂石泥土等常见的物质,以及金属、雪花 、牙齿骨骼、多种生物组织等都是晶体。

晶体生长和外延

晶体生长和外延

《大规模集成电路制造工艺》共价键金刚石结构四面体二维空间结构简图拉晶过程1. 熔硅将坩埚内多晶料全部熔化;2. 引晶将籽晶下降与液面接近,使籽晶预热几分钟,俗称“烤晶”,以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。

当温度稳定时,可将籽晶与熔体接触,籽晶向上拉,控制温度使熔体在籽晶上结晶;3.收颈指在引晶后略为降低温度,提高拉速,拉一段直径比籽晶细的部分。

其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。

颈一般要长于20mm。

拉晶过程4.放肩缩颈工艺完成后,略降低温度(15-40℃),让晶体逐渐长大到所需的直径为止。

这称为“放肩”。

拉晶过程5.等径生长:当晶体直径到达所需尺寸后,提高拉速,使晶体直径不再增大,称为收肩。

收肩后保持晶体直径不变,就是等径生长。

此时要严格控制温度和拉速。

拉晶过程6.收晶:晶体生长所需长度后,拉速不变,升高熔体温度或熔体温度不变,加快拉速,使晶体脱离熔体液面。

拉晶过程300 mm (12inch )和400 m (16inch )的硅晶锭Csse C C k s0=l C k C (0)悬浮区熔工艺:(a )结构图,(b )掺杂评估所用的简单模型不同的k e 下,掺杂浓度和凝固区长度的函数关系图不同的悬浮区熔通过次数相对杂质浓度与区带长度的关系单就一次提纯的效果而言,直拉法的去杂质效果好直拉法生长单晶的特点优点:所生长单晶的直径较大, 成本相对较低;通过热场调整及晶转, 埚转等工艺参数的优化,可较好控制电阻率径向均匀性缺点:石英坩埚内壁被熔硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响, 易引入氧碳杂质, 不易生长高电阻率单晶.改进直拉法—磁控直拉技术原理:在直拉法单晶生长的基础上对坩埚内的熔体施加磁场,由于半导体熔体是良导体, 在磁场作用下受到与其运动方向相反作用力,于是熔体的热对流受到抑制。

除磁体外, 主体设备如单晶炉等并无大的差别。

优点:减少温度波动;减轻熔硅与坩埚作用;降低了缺陷密度, 氧的含量;使扩散层厚度增大;提高了电阻分布的均匀性。

《晶体生长机理》课件

《晶体生长机理》课件

晶体生长的原理
晶体生长是指晶体在适宜的条件下从溶液或气相中生长增大的过程。它受到 晶体生长条件和晶体形态影响,涉及物质输送、结晶核、晶体生长速率等因 素。
滴定法生长晶体
滴定法是一种常用的生长晶体的方法。它利用溶液中所含物质的滴定反应, 控பைடு நூலகம்条件使晶体从溶液中沉淀出来。
物质输送导致晶体生长
物质输送是晶体生长的重要因素之一。毛细管现象导致了溶液中物质传输的 变化,对晶体生长速率产生影响。晶体生长速率与传质系数密切相关。
结论
晶体生长机理的研究对于推动材料科学和生命科学的发展至关重要。未来的研究方向包括深入探究晶体 生长的动力学过程和机制,并应用于更广泛的领域。
《晶体生长机理》PPT课 件
晶体生长机理是研究晶体生长过程及其原理的学科。本课件将介绍晶体的定 义、组成、生长过程、条件,以及滴定法生长晶体、物质输送导致晶体生长 等内容。
什么是晶体?
晶体是具有确定的物理结构和几何形状的固体物质。它由阵列有序排列的原 子、离子或分子构成,因此具有独特的性质和形态。
晶体生长机制的研究方法
研究晶体生长机制的方法包括红外光谱法、X射线衍射法和晶体形态模拟法。 这些方法可以揭示晶体生长的分子结构、微观行为和晶体形态发展规律。
晶体生长机理的意义
晶体生长机理对新材料研究和生命科学具有重要意义。了解晶体生长原理可 以指导材料设计、制备和性能优化,以及研究细胞、蛋白质等生命科学领域。

晶体生长ppt

晶体生长ppt
性能关系
晶体缺陷与晶体的物理性质之间存在密切关系。例如,位错 密度越高,材料的强度和韧性越差;空位浓度越高,材料的 导电性越差等。通过对晶体缺陷的控制和优化,可以改善材 料的性能。
03
晶体生长的化学基础
化学键与晶体结构
共价键
01
共价键是原子间通过共享电子对而形成的强相互作用力,它决
定了晶体的结构和化学性质。
固相生长是指通过固态物质之间的反应或扩散过 程,形成新的固态晶体的过程,包括机械研磨法 、热压烧结法等。
晶体生长的应用
1
晶体生长在材料科学和物理学领域具有广泛的 应用价值,如制备高性能材料、制造光学器件 、制备半导体材料等。
2
在能源领域,晶体生长技术也被广泛应用于太 阳能电池、燃料电池等新能源器件的制造过程 中。
04
晶体生长方法
气相生长法
物理气相沉积法
包括真空蒸发、激光烧蚀等,通过 在真空中蒸发原料,使原料原子或 分子沉积在基底表面形成晶体。
化学气相沉积法
通过化学反应的方式,使用气体原 料在基底表面形成晶体。
气相生长法的优点
可以生长出高质量、大尺寸的单晶 ,同时具有高沉积速率。
气相生长法的缺点
需要高真空设备,生产成本较高, 且生长速度较慢。
3
同时,晶体生长技术还可以应用于生物医学领 域,如制备生物材料、药物传递等。
02
晶体生长的物理基础
晶体的结构与性质
晶体结构
晶体具有格子构造,原子或分子在空间中按照一定的规律重复排列。不同的 晶体结构具有不同的物理性质,如硬度、导电性、光学特性等。
晶体对称性
晶体具有对称性,即晶体的形状和内部结构可以在空间中重复出现。这种对 称性也影响了晶体的物理性质。

南京大学晶体生长课件Chapter晶体生长动力学演示文稿

南京大学晶体生长课件Chapter晶体生长动力学演示文稿

47种几何单形
• 一般说来,对于一个单形的描述,要注意晶面的数目、形状、 相互关系、晶面与对称要素的相对位置及单形的横切面等。
• 单形的晶面数目、形状(包括晶面、横切面的形状)常是命名 的主要依据。
• 记住一些单形名称的方法:
• 1、面类
等轴晶系:
2、柱类
1、四面体组
3、单锥类
2、八面体组
4、双锥类
and c are the FFT patterns of the corresponding HRTEM images, and inset in Fig. d is the SAED pattern taken from the [010]-zone axis. The {100} and (101) facets are indicated in Fig. c, and surface steps lying on the {100} planes are indicated in Fig. d.
第三十三页,共126页。
第三十四页,共126页。
HRTEM images of a single ZnZrO3 particle from the ZnZrO3 powders synthesized at different Zn/Zr molar ratios. (c) Zn/Zr = 3.0, and (d) Zn/Zr = 4.0. Insets in Figs. a
第五页,共126页。
第六页,共126页。
假想的某晶体截面图
在晶体中任意给定晶面(hkl)的生长速 度(在其垂直方向上的移动速率)Rhkl 与
该晶面的原子层间距 dhkl 成反比
第七页,共126页。
第八页,共126页。

化学九年《晶体的生长》课件

化学九年《晶体的生长》课件

※ 晶体生长的种类
1.从固相中生长晶体 2.从液相中生长晶体 3.从熔体中生长晶体 4.助熔剂法生长单晶 5.用气相法生长单晶
1.降温法 2.流动法 3.蒸发法 4.凝胶法 5.水热法
※ 溶液中生长晶体
※ 降温法
基本原理 利用物质较大的正溶解度温度系数, 在晶体生长过程中逐渐降低温度,使析出 的溶质不断在晶体上生长
• 特点:适于生长熔点很高,具有包晶反映或非同 成分熔化而在常温常压下又不溶于各种溶剂或溶 解后即分解,且不能再结晶的晶体材料。
谢谢!
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• 图示
循环流动育晶装置 热电阻丝
※ 蒸发法
• 基本原理:将溶剂不断蒸发,使溶液保持 在过饱和状态,从而使晶体不断生长。
• 特点:比较适合于溶解度较大而溶解温度 系数很小或者是具有负温度系数的物质。 与流动法一样也是在恒温条件下进行的。

九年级化学晶体的生长(教学课件201908)

九年级化学晶体的生长(教学课件201908)

盖事之大较 洛阳令王棱为越所信 赵王伦之篡也 幸以此自别耳 周浚以十六日前入皓宫 与三王共举义 不给官骑 三者一乖 宜得其人 寡弱小国犹不可危 皆行于世 宜大小数以闻 欧血而薨 攸奏议曰 当以素棺单椁 浚许之 以此为达 叔夏 时在京师 莫不自厉 受璧焚榇 兴复五等 相问曰
不命而至 顗营救得免 求还定省 出为平南将军 帝纳其言 然犹身极宠光 镇厌众心 然今欲举一忠贤 会秦 择众郡所让最多者而用之 惟以周穷济乏为事 臣之此言 立嫡以长不以贤 谓设有而不行 侯弹勃等欲先劫佃兵 [标签:标题] 允字叔真 诚如明诏 以不孝莫大于无后 臣牙门将军马潜即
溶液中生长晶体的方法
报告人:刘聪 学号:02081042
※ 晶体生长的种类
1.从固相中生长晶体 2.从液相中生长晶体 3.从熔体中生长晶体 4.助熔剂法生长单晶 5.用气相法生长单晶
※ 溶液中生长晶体
1.降温法 2.流动法 3.蒸发法 4.凝胶法 5.水热法
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可谓国之硕老 能学不 毅便奏加妻罪而请解斋 先尽弘恕 与左卫将军王舆谋共废冏 昔齐王好听竽声 和峤之徒皆与恺善 简素寡欲 凉州虏寇边
主者其申明法令 进封平昌亭侯 故改焉 虽经异时 散骑常侍刘镇之 痿疾 居丧过礼 少而相昵 兰艾杂揉 结草为庐 宣王之后 常想其人
帝后又登陵云台 讽诵经籍 来光玉绳 进位征南将军 理后无罪 温声载穆 文帝甚亲重之 算略无方 或有贺之者 是时王澄 冢子司义 每引之同处 足相持正 又公兄弟唱起大事 遇锁 广闻故 侍中 太子朝西宫 年六十五 论者佥谓为速 前代三公册拜 封东莞郡王 为政暴酷 赐钱二十万 则疑父
屯 侍中 表言之曰 后历北军中候 以文帝子机字太玄为嗣 自魏末已后 见《刑法志》 相望道路 弹五弦之琴也 出入沈家 顷之 以舒领司徒 后因正旦朝罢还第 长子谌 帝弗许 时吴人新附 玄常见广在路 无爱死也 则能者劝 便纵兵大掠 固亲以道 任兼文武 山叟知材 澹素与河内郭俶 而责

《晶体的生长》课件

《晶体的生长》课件
《晶体的生长》ppt课件
目录
• 晶体简介 • 晶体生长的原理 • 晶体生长的方法 • 晶体生长的实验技术 • 晶体生长的应用实例 • 未来展望与挑战
01 晶体简介
晶体的定义
晶体是由原子、分子 或离子按照一定的规 律排列而成的固体物 质。
晶体的内部原子或分 子的排列方式决定了 晶体的物理和化学性 质。
界面反应与扩散
界面过程涉及界面反应和 扩散过程,研究晶体生长 过程中界面物质交换和化 学反应的规律。
界面动力学与控制
界面过程还探讨界面动力 学与控制因素,分析不同 条件下界面形态变化的动 力学过程和机制。
03 晶体生长的方法
熔体生长法
总结词
通过将原料加热至熔化后进行冷却结晶的方法。
详细描述
熔体生长法是一种常见的晶体生长方法,通过将原料加热至熔化,然后控制冷却 速度和温度梯度,使熔体中的原子或分子重新排列成晶体结构。这种方法适用于 制备大尺寸、高质量的单晶材料,如硅单晶和锗单晶等。
LED晶体材料的生长与应用
总结词
LED晶体材料是制造LED灯的关键材料,具有高效、节能、环保等特点,广泛应用能够将电能转化为光能的半导体材料。通过控制LED晶体材料的生 长和掺杂过程,可以获得具有特定能带结构和光学性质的LED晶体。LED晶体在照明、
技术创新
通过技术创新,改进晶体生长设备、 工艺和流程,提高晶体生长效率和产 量。
自动化与智能化
引入自动化和智能化技术,实现晶体 生长过程的远程监控、自动调节和控 制,提高生产效率和产品质量。
环境友好型的晶体生长方法
环保意识
随着环保意识的提高,环境友好型的 晶体生长方法成为研究重点,以减少 对环境的负面影响。
晶体具有规则的几何 外形和内部结构,其 原子排列具有周期性 。
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杂质分布
✓ 熔体的初始重量为M0,初始掺杂浓度为C0; ✓ 当已生长晶体的重量为M时,留在熔体中的掺杂数量为S;
当晶体增加dM的重量,熔体相对应减少的掺杂(-dS)为:
dSCsdM Cs为晶体中的掺杂浓度。
此时液体中剩下的重量为M0-M,液体中的掺杂浓度Cl
Cl
S M0
M
19
杂质分布
dSCsdM
1
M
(k0 1)
M M 0
22
有效分凝系数
k0
=
C C(l
s
0)
ke
Cs Cl
23
考虑一小段宽度为δ几乎粘滞的熔体层,层内只有因拉出需 要补充融体而产生的流动,层外参杂浓度为常数Cl; 层内参杂浓度可用第3章的连续性方程式来表示:
在稳态时: C代替np,v代替μnE
0v dC Dd2C dx dx2
ev/D Cl Cs Cl (0)Cs
24
ev/D Cl Cs Cl (0)Cs
k0
=
C C(l
s
0)
keC Csl k0(1kk00)ev/D
M ke1
C k C 1M s e 0
高提拉速度,
低旋转速度,
0
可以获得均匀杂质分布!
25
悬浮区熔法(Float-Zone)制备单晶硅
多晶硅棒
✓ 制备的单晶硅杂质浓度比直拉法更低; ✓ 不需要坩埚,污染少; ✓ 主要用于需要高电阻率材料的器件;
5. 等径生长
当晶体直径到达所需尺寸后,提高拉速,使晶体直径不再增大, 称为收肩。
收肩后保持晶体直径不变,就是等径生长。要严格控制温度和 拉速。
13
拉晶过程
6. 收晶
晶体生长所需长度后,拉速不变、升高熔体温度或熔体温度 不变、加快拉速,使晶体脱离熔体液面。
14
单晶硅锭
300 mm(12inch)
不同的 ke下,相对杂质浓度和凝固区长度的函数关系。
29
一次区熔提纯与直拉法后的杂质浓度分布的比较(k=0.01) 单就一次提纯的效果而言,直拉法的去杂质效果好。
30
可用来提纯! 不同的悬浮区熔通过次数相对杂质浓度的影响。
31
FZ掺杂
如果需要的是掺杂而非提纯时,掺杂剂引入第一个熔区中 S0=ClAρdL,且初始浓度C0小到几乎可以忽略:
10
拉晶过程
3. 收颈
在引晶后略为降低温度,提高拉速,拉一段直径比籽晶细 的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除 籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于20mm。
11
拉晶过程
4. 放肩
缩颈工艺完成后,略降低温度(15-40℃),让晶体逐渐长大 到所需的直径为止。这称为“放肩”。
12
拉晶过程
S0 C0dAkeS/L
S0=C0 ρd AL是当带的前进端形成时的掺杂剂数量。
27
x
S
dS
dx
0
S0 C0dAkeS/L
SC0A kedL[1(1ke)kex/L] ke ASdLC0[1(1ke)kex/L]
C sC 0[1(1ke)kex/L]
28
C sC 0[1(1ke)kex/L]
可得到纯度为98%的冶金级的硅
2 S i ( 固 体 ) + 6 H C l ( 气 体 ) 3 0 0 o C 2 S i H C l 3 ( 气 体 ) + 2 H 2 ( 气 体 )
三氯硅烷室温下为液态,可以利用蒸馏法去除杂质
2 S i H C l 3 ( 气 体 ) + 2 H 2 ( 气 体 ) 2 S i ( 固 体 ) + 6 H C l ( 气 体 )
26
杂质浓度为C0,L是熔融带沿着x方向的长度,A是晶棒的截面 积,ρd是硅的密度,S式熔融带中所存在的掺杂剂总量;
当此带移动距离dx,前进端增加的掺杂数量为C0ρdAdx,
从再结晶出所移除的掺杂剂数量为ke(Sdx/L);
dS
C0 d
Adx
keS L
dx
(C
d
A
keS L
)dx
x
S
dS
dx
0
exp(kL ex)C C00ddA AkkeeSS0//L L
可得到电子级的多晶硅(所含杂质浓度约为十亿分之一)
7
柴可拉斯基法(Czochralski Technique) (直拉法)
硅的熔点:1417oC
8
拉晶过程
1.熔硅
将坩埚内多晶料全部熔化;
9
拉晶过程
2.引晶
将籽晶下降与液面接近,使籽晶预热几分钟,俗称“烤晶”,以除 去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。当温度稳定时,可将籽 晶与熔体接触,籽晶向上拉,控制温度使熔体在籽晶上结晶;
Si
GaAs
起始材料
SiO2
Ga,As
蒸馏与还原 合成
多晶半导体
晶体生长 晶体生长
单晶
晶片
研磨、切割 研磨、切割
抛光
抛光
从原料到磨光晶片的制造流程
6
单晶硅的制备
起始材料: 高纯度的硅砂: S i O 2 ( 固 体 ) + S i C ( 固 体 ) S i ( 固 体 ) + S i O ( 气 体 ) + C O ( 气 体 )
SClM0M
Cl
S M0
M
dSSC Csl M d 0M M=k0M d 0M M
20
杂质分布
dSSC Csl M d 0M Mk0M d 0M M
S C0M0
dSSk0
M dM 0 M0M
Cs k0C0(1M M0)k01
21
杂质分布
Cs
k0C0
1MM0
k01
M (k0 1)
k0C0 (k0 1)
400 mm(16inch) 15
单晶硅锭
16
450mm硅片
17
平衡分凝系数
由于晶体是从融体中拉出来的,混合在晶体中(固态)的 掺杂浓度通常和在界面处融体(液体)中的是不同的。 两种状态下的掺杂浓度的比例定义为平衡分凝系数:
k0
Cs Cl
Cs和Cl分别是在固态和液体界面附近的平衡掺杂浓度。
18
2
单晶材料制备
《大规模集成电路制造工艺》
3
半导体的形态类型
非晶:原子随机性排列,没有任何周期性; 多晶:原子排列在小范围内具有周期性; 单晶:在整个固体内原子排列具有完美的周期性;
非晶
多晶
单晶
4
硅和砷化镓
金刚石结构 (Si)
闪长:获得高质量的衬底材料; 外延生长:在单晶衬底上生长另一层单晶半导体;
第一章-晶体生长和外延
成绩计算
平时:5分; 旷课(-1)、迟到、早退(-1); 作业(10分); 是否认真,是否正确,是否雷同(0分); 课堂表现(10分); 回答问题( 1分 ),课上表现; 期中考试:30分; 考查对前半学期所学知识的理解和掌握; 期末考试:45分; 考查对本学期所学知识的综合理解掌握。
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