第六章外延片制备
第六章外延生长
3、超饱和度（supersaturation）模型 超饱和度（supersaturation）
(1) 超饱和度的定义： 超饱和度的定义：
当超饱和度为正 当超饱和度为正时，系统为超饱和，—— 外延生长； 外延生长； 系统为超饱和， 当超饱和度为负 当超饱和度为负时，系统不饱和， 系统不饱和， —— 刻蚀过程。 刻蚀过程。
d. 其他：RTCVD外延、UHVCVD外延、离子束外延等等 其他：RTCVD外延 UHVCVD外延 外延、 外延、
3、 外延层的作用：独立控制薄膜晶体结构（组分）、厚度、 外延层的作用：独立控制薄膜晶体结构 组分）、厚度、 晶体结构（ ）、厚度
杂质种类及掺杂分布
(1) 双极工艺：器件隔离、解决集电极高击穿电压与串连电阻的矛盾 双极工艺：器件隔离、 (2) CMOS工艺：减小闩锁（Latch-up）效应 CMOS工艺 减小闩锁（Latch-up） 工艺： (3) GaAs工艺：形成特定的器件结构层 GaAs工艺 形成特定的器件结构层 工艺： (4) 其他：制作发光二极管、量子效应器件等 其他：制作发光二极管 量子效应器件等 发光二极管、
超饱和度模型未能预测，因为低浓度下外延生长速率是受气 超饱和度模型未能预测， 相质量输运限制的。 质量输运限制的
c. 超饱和度的值过大，会影响单晶薄膜的质量（与薄膜生长模式 超饱和度的值过大，会影响单晶薄膜的质量（
有关）。 有关）。
4、薄膜生长的三种模式： 薄膜生长的三种模式：
(1) 逐层生长（ 逐层生长（Layer Growth） 理想的外延生长模式 Growth）
该临界尺寸可写为： 该临界尺寸可写为：
其中，U 是表面的界面自由能，V 是原子体 其中， 是表面的界面自由能， 积， σ0 是反应剂的分气压与平衡气压的比 值（称为饱和度）。 称为饱和度 饱和度）。
外延片的制备
流体流动时，在单位面积上产生的内应力
与速度在垂直方向上的变化率成正比，即
U
y
（4-2）
称为粘滞系数。在滞流层内距原点x处取
一垂直于基座表面的微流体元ABCD，它在
垂直于纸面方向上有一个单位长度。忽略
压力沿x方向的损失，则该微流体元沿x方
向只受到粘性内摩擦力的作用。BC面的内
摩擦力为零，而AD面的内摩擦力为
4.2.2生长动力学
假设：反应器空间和基座的几何尺度比较起来可 视为无限大，且温度均匀。既可以忽略反应器壁 的边界效应，又可以认为反应室内气体的性质 （如密度、扩散系数等）处处是一样的。
速度附面层：在接近基座表面的一薄层流体中， 速度有较大的变化，把这个速度分布受到扰动的 区域称为速度附面层
自由流体：速度附面层区域以外的流体
NG
NG0 NGS
N
y,0
y N
（4-7）
根据扩散理论，输运到外延层表面的反应剂
粒子流密度为 j1
DG
N G y
y 0
（4-8）
式中 DG 为反应剂在氢气中的扩散系数，结合
（4-7）式，得
j1
DG
N
(NGO
NGS )
hG (NGO
NGS )
（4-9）
式中 hG DG / N 称为气相质量转移系数，它 具有速度的量纲
• 另一方面，在生长层界面上进行化学反应 所消耗的粒子流密度为
j2 kS NGS
（4-10）
kS 是表面化学反应速率常数。在稳定状态下
j1 j2 j
（4-11）
根据 v j / Nsi
Nsi 为硅晶体的原子密度
在气体 —生长层界面上的反应剂浓度和外延生长速
第六章 外延技术
以上反应均在气相完成，硅的析出源于如下反应：
SiCl ( g ) + 2 H 2 → Si (s ) + 4 HCl ( g )
实际的反应 SiCl 4 + H 2 ↔ SiHCl 3 + HCl
2 SiCl 2 ↔ Si + SiCl 4
SiCl 2 + H 2 ↔ Si + 2 HCl
所有的反应都是可逆的，上述反应的综合结果依反 应剂浓度可以是外延的生长或衬底的腐蚀
——（1） ——（2）
SiCl 4 + Si ↔ 2 SiCl 2
受两个过程限制：氢还原吸出硅的过程；释放出硅 原子形成单晶的过程；最慢的一个决定生长速率 当SiCl4浓度较低时，反应1起主导作用，外延层不 断增厚；随着Y增加，反应2作用逐渐加强； 当SiCl4的浓度增加到一定程度时，化学反应释放硅 的速度大于硅原子在表面排列的速度 当SiCl4的浓度增加到0.27时逆向反应发生，硅被腐 蚀，增加到0.28时，只有腐蚀 硅烷和氯硅烷的根本不同在于反应不可逆
合肥工业大学 理学院 张彦
二号液：HCl:H2O2:H2O=1:1:6 SC-2的主要作用是去除金属离子，利用HCl与金 属离子的化合作用来有效去除金属离子的沾污 三号液：H2SO4:H2O2=4:1 SC-3的主要作用是去除有机物（主要是残留的 光刻胶），利用的强氧化性来破坏有机物中碳氢 键 稀释的HF(DHF)：HF:H2O=1:50或1:100 DHF的主要作用是去除自然氧化层
生长速率还与反应腔横截面形状和衬底晶 向有关
不同晶面的键密度不同，键合能力存在差别； ——（111）晶面的双层原子面之间的共价键密度 最小，键合能力差，故外延速率最慢； ——（110）晶面之间的原子键密度大，键合强， 外延生长速率就快。
led外延片生产流程
近十几年来，为了开发蓝色高亮度发光二极管，世界各地相关研究的人员无不全力投入。
而商业化的产品如蓝光及绿光发光二级管LED 及激光二级管LD 的应用无不说明了III－V 族元素所蕴藏的潜能。
在目前商品化LED 之材料及其外延技术中，红色及绿色发光二极管之外延技术大多为液相外延成长法为主，而黄色、橙色发光二极管目前仍以气相外延成长法成长磷砷化镓GaAsP 材料为主。
一般来说，GaN 的成长须要很高的温度来打断NH3 之N-H 的键解，另外一方面由动力学仿真也得知NH3 和MO Gas 会进行反应产生没有挥发性的副产物。
LED 外延片工艺流程如下：衬底 - 结构设计- 缓冲层生长- N型GaN 层生长- 多量子阱发光层生- P 型GaN 层生长- 退火- 检测（光荧光、X 射线） - 外延片；外延片- 设计、加工掩模版- 光刻- 离子刻蚀- N 型电极（镀膜、退火、刻蚀） - P型电极（镀膜、退火、刻蚀） - 划片- 芯片分检、分级具体介绍如下：固定：将单晶硅棒固定在加工台上。
切片：将单晶硅棒切成具有精确几何尺寸的薄硅片。
此过程中产生的硅粉采用水淋，产生废水和硅渣。
退火：双工位热氧化炉经氮气吹扫后，用红外加热至300~500℃，硅片表面和氧气发生反应，使硅片表面形成二氧化硅保护层。
倒角：将退火的硅片进行修整成圆弧形，防止硅片边缘破裂及晶格缺陷产生，增加磊晶层及光阻层的平坦度。
此过程中产生的硅粉采用水淋，产生废水和硅渣。
分档检测：为保证硅片的规格和质量，对其进行检测。
此处会产生废品。
研磨：用磨片剂除去切片和轮磨所造的锯痕及表面损伤层，有效改善单晶硅片的曲度、平坦度与平行度，达到一个抛光过程可以处理的规格。
此过程产生废磨片剂。
清洗：通过有机溶剂的溶解作用，结合超声波清洗技术去除硅片表面的有机杂质。
此工序产生有机废气和废有机溶剂。
RCA清洗：通过多道清洗去除硅片表面的颗粒物质和金属离子。
具体工艺流程如下：SPM 清洗：用H2SO4 溶液和H2O2 溶液按比例配成SPM 溶液，SPM 溶液具有很强的氧化能力，可将金属氧化后溶于清洗液，并将有机污染物氧化成CO2 和H2O。
第六章外延片的制备1教材
0 y （4-1）
流体流动时，在单位面积上产生的内应力
与速度在垂直方向上的变化率成正比，即 U
y
（4-2）
称为粘滞系数。在滞流层内距原点x处取
一垂直于基座表面的微流体元ABCD，它在
垂直于纸面方向上有一个单位长度。忽略
压力沿x方向的损失，则该微流体元沿x方
向只受到粘性内摩擦力的作用。BC面的内
第四章 外延片的制备
4.1硅外延工艺概述
定义:外延(epitaxy)是在一定条件下，在一片表面 经过细致加工的单晶衬底上，沿其原来的结晶轴 方向，生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格 结构完整性都符合要求的新单晶层的过程。 新生单晶层按衬底晶相延伸生长，并称此为外延 层。长了外延层的衬底称为外延片。
N (x,t) N1 N2
同一导电类型的杂质取正号，相反类型的杂 质取负号
4.6 自掺杂效应 由于热蒸发或者化学发应的副产物对衬底的腐蚀，使衬底中
的硅和杂质进入气相，改变了气相中的掺杂成分和浓度， 从而导致了外延层中的杂质实际分布偏离理想情况，这种 现象称为自掺杂效应。
4.6.1自掺杂效应及其来源 在外延生长期间，衬底杂质将不断扩散并从其表面蒸发 出来，这种蒸发效应主要发生在生长初期，而后由于外延 层的有效阻挡杂质将难以逸出，生长速率越慢，杂质能逸 出表面的有效时间就越长。
6.在HCl刻蚀之后采用一个低温吹气的工艺， 保证刻蚀时所涉及的掺杂剂被带出系统。
• 注意 外延层的晶体质量不应该超过衬底的质量。
因而在硅片预处理时必须非常小心。外延前硅 片的清洁要求从硅片的正面和背面去除颗粒、 有机的和无机的沾污。一般地这样的清洁过程 是不够的，还要求有一个额外的温度超过1100 度的即时的无水HCl的刻蚀来从表面去除剩余 的沾污。
《外延片的制备》课件
表面粗糙度控制
表面质量
外延片的表面粗糙度直接影响其光学 性能和表面态，需要对外延片的表面 粗糙度进行控制，以确保其性能的稳 定性和可靠性。
控制手段
采用化学气相沉积、物理气相沉积等 手段控制外延片的表面粗糙度，同时 采用原子力显微镜等手段对外延片的 表面粗糙度进行检测和监控。
外延片制备中的问
05
题与对策
气相输运沉积
源材料选择
选择合适的源材料，确保其纯度高、稳定性好，能够满足外延片的 质量要求。
气相输运
利用气体将源材料输运至沉积区域，控制输运速度和浓度，确保外 延层的厚度和质量。
外延生长
在衬底上诱导外延生长，控制生长温度、压强、时间等参数，确保外 延片晶体结构完整、晶体质量高。
退火处理
退火温度控制
表面修饰
根据需要对外延片表面进行修饰，如氧化、氢化、氮化等，以提高 其表面性能和稳定性。
表面检查
对外延片表面进行质量检查，确保其表面质量符合要求，无缺陷、 无损伤。
外延片质量控制
04
缺陷控制
表面缺陷
外延片表面应光滑、无 划痕、无气泡等缺陷， 确保外延片的质量和可 靠性。
内部缺陷
外延片内部应无位错、 层错等缺陷，这些缺陷 会影响外延片的电学性 能和可靠性。
02
外延片生长过程中，需要控制温 度、压力、气体流量等参数，以 确保晶体生长的质量和稳定性。
外延片应用领域
01
02
03
电子器件制造
外延片广泛应用于制造电 子器件，如集成电路、晶 体管、太阳能电池等。
光学器件制造
外延片在制造光学器件方 面也具有广泛应用，如激 光器、光放大器、光电器 件等。
传感器制造
碳化硅外延片制备技术
碳化硅外延片制备技术碳化硅外延片制备技术1、前言碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上，必须在导通型单晶衬底上额外生长高质量的外延材料，并在外延层上制造各类器件。
碳化硅一般采用PVT方法，温度高达2000多度，且加工周期比较长，产出比较低，因而碳化硅衬底的成本是非常高的。
碳化硅外延过程和硅基本上差不多，在温度设计以及设备的结构设计不太一样。
在器件制备方面，由于材料的特殊性，器件过程的加工和硅不同的是，采用了高温的工艺，包括高温离子注入、高温氧化以及高温退火工艺。
外延工艺是整个产业中的一种非常关键的工艺，由于现在所有的器件基本上都是在外延上实现，所以外延的质量对器件的性能是影响是非常大的，但是外延的质量它又受到晶体和衬底加工的影响，处在一个产业的中间环节，对产业的发展起到非常关键的作用。
2、碳化硅外延片参数碳化硅外延材料的最基本的参数，也是最关键的参数，就右下角黄色的这一块，它的厚度和掺杂浓度均匀性。
我们所讲外延的参数其实主要取决于器件的设计，比如说根据器件的电压档级的不同，外延的参数也不同。
一般低压在600伏，我们需要的外延的厚度可能就是6个μm左右，中压1200~1700，我们需要的厚度就是10~15个μm。
高压的话1万伏以上，可能就需要100个μm以上。
所以随着电压能力的增加，外延厚度随之增加，高质量外延片的制备也就非常难，尤其在高压领域，尤其重要的就是缺陷的控制，其实也是非常大的一个挑战。
3、碳化硅外延片制备技术（1）碳化硅外延两大主要技术发展1）1980年提出的台阶流生长模型，此对外延的发展、对外延的质量都起到了非常重要的作用。
它的出现首先是生长温度，可以在相对低的温度下实现生长，同时对于我们功率器件感兴趣的4H晶型来说，可以实现非常稳定的控制。
2）引入TCS，实现生长速率的提升，引入TCS可以实现生长速率达到传统的生长速率10倍以上，它的引入不光是生产速率得到提升，同时也是质量得到大大的控制，尤其是对于硅滴的控制，所以说对于厚膜外延生长来说是非常有利的。
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4.2.2生长动力学
假设：反应器空间和基座的几何尺度比较起来可 视为无限大，且温度均匀。既可以忽略反应器壁 的边界效应，又可以认为反应室内气体的性质 （如密度、扩散系数等）处处是一样的。
速度附面层：在接近基座表面的一薄层流体中， 速度有较大的变化，把这个速度分布受到扰动的 区域称为速度附面层
自由流体：速度附面层区域以外的流体
流体流动时，在单位面积上产生的内应力
与速度在垂直方向上的变化率成正比，即 U
y
（4-2）
称为粘滞系数。在滞流层内距原点x处取
一垂直于基座表面的微流体元ABCD，它在
垂直于纸面方向上有一个单位长度。忽略
压力沿x方向的损失，则该微流体元沿x方
向只受到粘性内摩擦力的作用。BC面的内
摩擦力为零，而AD面的内摩擦力为
当 hG ks 时，化学反应进行得慢，反应剂可
以充分供给，因此在附面层中反应剂浓度几乎是 分布均匀的；外延生长速率主要取决于表面化学 反应进行得快慢，所以
NGSNG0
v
ks
NGO N Si
• 质量转移控制
当行得hG相当快ks，凡时是，转在移外到延表层面表上面的上反的应化剂学分反子应瞬进
间就可以变成硅，因此表面上的反应剂几乎为零， 外延生长速率主要取决于反应剂由气相转移到生 长表面的快慢，所以
NGS 0
v
hG
NGO N Si
4.3 影响外延生长速率的因数
• 反应剂浓度:为兼顾结晶的完美性和其他要求，反 应剂浓度不宜太大。
在较小的反应剂浓度 范围内，生长速率和 反应剂浓度成正比， 但由于反应生成氯化物 如HCL的腐蚀作用逐渐 显著起来，使得生长速 率并不能按比例增加， 而是趋于 饱和，然后下降 ，一旦浓度超过某一值， 腐蚀占了主导地位， 会出现与生长相反的过程， 衬底表面被剥离。
fx U y y0dxU 0 dx（4-3）
式中负号表示内摩擦力沿着x轴负方向。根 据牛顿第二定律，该作用力引起微流体元 内动量的变化。由于流体的流动是连续的， 从ABC面流进来的流体必然全部要从CD面 流出。作为近似，动量的变化可以看作是 流体由BC面流入的结果。而单位时间内从 BC面流入的流体带入的动量为
硅外延反应器
4.2.1 一般过程 H2还原SiCl4法的化学反应式为：
Si4 C 2 H 2 l 1 0 C 0 0S i4 H Cl
在生长表面得到游离态的Si原子，析出的Si原子 在高温下携带大量的热能，便沿着表面滑动（扩 散） 到适当位置，按照一定的晶向加接到晶格点 阵上，并释放能量，固定成为晶格点阵的新成员。
根据扩散理论，输运到外延层表面的反应剂
粒子流密度为 j1
DG
NG y
y0
（4-8）
式中 DG 为反应剂在氢气中的扩散系数，结合
（4-7）式，得
j1D G(N G ON G)S h G (N G ON G)S N
（4-9）
式中 hGDG/N 称为气相质量转移系数，它 具有速度的量纲
• 另一方面，在生长层界面上进行化学反应 所消耗的粒子流密度为
在开管外延中，系统维持在较高的常压 （0.1MPa）状态，俗称常压外延。吸附和解吸的 速度相当快，因此，混合气氛中各组分在样品表 面的吸附状况可看作一定。这时，外延层的生长 速率将主要取决于质量传输和表面化学反应。
在低于一个大气压系统中进行的外延生长，称 为低压外延。在这种情况下生长速率主要受混合 气氛中各组分在样品表面的吸附及其表面化学反 应控制。
j2 kSNGS
（4-10）
k S 是表面化学反应速率常数。在稳定状态下
j1 j2 j
（4-11）
根据 v j/Nsi
N si 为硅晶体的原子密度
在气体 —生长层界面上的反应剂浓度和外延生长速
率为：
NGS
NG0 1 ks hG
v
kshG ks hG
NGO NSi
4.2.3生长速率讨论
• 表面反应控制
同质外延：生长的外延层与衬底材料相同 异质外延：外延层在结构、性质上与衬底材料不
同 外延分类:气相外延(VPE)－－常用
液相外延(LPE)－－ⅢⅤ 固相外延(SPE)－－熔融再结晶 分子束外延(MBE)－－超薄
4.2外延生长动力学原理
外延时，通入含有一定硅源的氢气流，并流经被 高频感应加热的硅片表面，当条件适当时便会在其 上外延成膜.
滞流层：因附面层里流体的速度滞慢于其外面的 自由流体，故常将速度附面层称为滞流层
从附面层到其外流动区域速度的分布是连续变化
的，如图，通常把附面层的厚度 规定为：在该 处的流速已到达自由流体流速U0 的99%，其中U
表示流体的流速。
微流体元及速度分布
滞留层里气体流速分布可表示为：
U U0 y
0y （4-1）
称为平板雷诺数，是一个无量纲数，用它可以 判断流体的运动状态
仿照速度附面层，引入质量附面层的概念。 在质量附面层内浓度有较大的变化，其厚 度可以表示为δN 设气体内部和生长表面的反应剂浓度分别为
NG0, NGS 假定在质量附面层里反应剂浓度也
呈线性分布即
NGNG 0 NNGS y,0yN （4-7）
• 外延生长包括下列连续步骤：
1.反应剂质量从气相转移到生长层表面 2.反应剂分子被吸附在生长层表面 3.在生长层表面进行化学反应，得到Si原子和其他
副产物
4.副产物分子脱离生长层表面的吸附 5.解吸的副产物从生长表面转移到气相，随主流气
体逸出反应室
6. Si原子加接到晶格点阵上 其中1和5为物理扩散过程，2和4为吸附和解吸过 程，3为表面化学反应过程
MU02d质量×速度 （4-4）
• 该动量全部用在克服内摩擦力上，故有
fx M
将式（4-3）和（4-4）带入上式，得到 dxd 等式两边积分，并取
U0
x0;0
x 2x
U0
（4-5）
这就是滞流层厚度的近似表达式，由此可求出平
均滞流层厚为
式 中L 1R 0 L eLxdU x 02 L3 /2 U L 0 U L 0R L eL（4-6）
第四章 外延片的制备
4.1硅外延工艺概述
定义:外延(epitaxy)是在一定条件下，在一片表面 经过细致加工的单晶衬底上，沿其原来的结晶轴 方向，生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格 结构完整性都符合要求的新单晶层的过程。 新生单晶层按衬底晶相延伸生长，并称此为外延 层。长了外延层的衬底称为外延片。