硅的制备及其晶体结构
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原子密度＝晶胞中包含原子个数/晶胞体积
❖ 晶体内部空隙
空间利用率＝晶胞包含原子个数*原子体积/ 晶胞总体积
26
天津工CH业E大N学LI
硅晶体中的原子密度和空隙
c
b
d
a
金刚石结构 （Diamond）
8个顶点原子；6个面心原子
4个体心原子
总原子个数＝1＋3＋4＝8
晶格常数为a (Si=5.43Å)
硅晶体中的原子密度为：
性能上两大特点：固定的熔点（melting point）, 各向异性（anisotropy）
6
天津工CH业E大N学LI
§1.1 硅材料的特点
❖ 硅器件室温下有较佳的特 性;
❖ 热稳定性好，更高的熔化 温度允许更宽的工艺容限;
❖ 高品质的氧化硅可由热生 长的方式较容易地制得;
❖ 硅元素含量丰富（25％）， 成本低;
Chap.1 硅的制备及其晶体结构
1
晶体的概念及硅材料的特点
2 单晶硅片的制备
3 单晶硅的晶体结构特点
4 硅晶体中的缺陷
5
硅晶体中的杂质
1
天津工CH业E大N学LI
物质存在形式及晶体的概念
物质 substance
气态（gas state） 液态（liquid state） 固态（solid state） 等离子体（plasma）
28
天津工CH业E大N学LI
晶面及密勒指数
➢ 晶面：点阵中的所有阵点全部位于一系列相互平行、等 距的平面上，这样的平面系称为晶面，一系列等效的晶面 构成晶面族。
29
天津工CH业E大N学LI
晶面指数表示方式
➢ 晶面指数（hkl）：h、k、l 是晶面与三晶轴的截距 r、s、t 的倒数的互质整数，也称为密勒指数，相应的等效晶面族用 {hkl}表示。
❖ 高频、高速场合特性较差 。
硅(Si)
90%
其他（蓝宝石 等绝缘体）
1% 2%
锗（Ge)
7%
砷化镓（GaAs)等 化合物材料
各种半导体材料所占比例图
7
天津工CH业E大N学LI
二氧化硅的作用
8
天津工CH业E大N学LI
芯片和晶圆
Single die, chip
Wafer
9
天津工CH业E大N学LI
§1.2 单晶硅片的制备
天津工CH业E大N学LI
硅片抛光和倒角
21
天津工CH业E大N学LI
硅片的CMP抛光
22
天津工CH业E大N学LI
§1.3 硅晶体结构特点
晶胞：最大限度反映晶体对称性的最小单元； 七大晶系，14种布喇菲点阵，对应14种晶胞；
简单立方 （ SC）
体心立方 （ BCC）
23
面心立方 （ FCC）
天津工CH业E大N学LI
晶体（crystal）
非晶体、无定形体 （amorphous solid）
晶体（crystal）
单晶：水晶、金刚石、单晶硅 多晶：金属、陶瓷
2
天津工CH业E大N学LI
无定形体和晶体
3
天津工CH业E大N学LI
多晶体
4
天津工CH业E大N学LI
天然单晶体
5
天津C工H业EN大L学I
晶体的特点
晶体结构的基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间 呈周期性重复排列（periodic repeated array） ， 即存在长程有序（long-range order）
三氯化硅 （SiHCl3）
天津工CH业E大N学LI
1.2.2 单晶硅锭的制备
❖ 直拉法 （Czochralski法)
❖ 区域熔融法 （Floating Zone法）
直拉法系统示意图
12
天津工CH业E大N学LI
直拉法（CZ）
13
天津工CH业E大N学LI
区域熔融法（FZ）
区域提炼系统的原理图
14
天津工CH业E大N学LI
石英岩，硅砂 （SiO2）
还原
多晶硅 (poly-silicon)
单晶硅片 （wafer)
切片 抛光
10
拉制单晶
单晶硅锭 （ingot）
天津C工H业EN大L学I
1.2.1 多晶硅的制备
石英岩 （高纯度硅砂）
碳、煤等 还原
电子级多晶硅 （99.99％以上）
分馏 氢还原
11
冶金级硅 （98％）
粉 碎 HCl
向研磨 4.定位边研磨 5.硅片切割
6.倒角 7.粘片 8.硅片刻蚀 9.抛光 10.硅片检查
18
天津工CH业E大N学LI
定位边研磨
19
天津工CH业E大N学LI
硅片的定位边
D<200mm:
180º
主标志面
45º
（ 111） n 型
次标志面
（ 111） p 型
90º
பைடு நூலகம்
（ 100） n 型
20 （ 1 0 0 ） p 型
➢ 晶向指数【mnp】： 晶向矢量在三晶轴上投影的互质指数 在立方晶体中，同类晶向记为<mnp> <100>代表了[100]、[Ī00]、[010]、 [0Ī0]、[001]、[00Ī]六个同类晶向； <111>代表了立方晶胞所有空间对角线 的8个晶向； <110>表示立方晶胞所有12个面对角线 的晶向。
( r, s, t 为晶面在三个晶轴上的截
金刚石的晶体结构
24
天津工CH业E大N学LI
金刚石结构（Si、Ge、GaAs）
c d
b a
金刚石结构 （Diamond）
25
11 4 1 02 2 6 2 2
杂化后的电子结构图
硅 四原硅面原子体子的结成电构键子图平结面 构图 图
天津工CH业E大N学LI
原子密度及晶体内部空隙
❖ 原子密度
晶格常数a (Si=5.43Å)
直拉法和区熔法原理图
氩气
固体－熔融液 界面
RF线 圈
CCW 籽晶夹持器 籽晶
单晶锭 石英坩埚
熔融液
石墨基座
颈部 石英管 射频线圈
氩气 籽晶
单晶 熔化区
多晶硅柱
CW
直拉法系统的原理图
区域熔融系统的原理图
15
天津工CH业E大N学LI
直拉法和区熔法的比较
直拉法 区熔法
优点：可以生长更大直径的晶锭； 生长过程同时可以加入掺杂剂方便地掺杂
缺点：生长过程中容器、气氛污染较多
优点：生长过程中污染少，可生长极高 纯单晶（高功率、高压器件）
缺点：涡流感应加热的“趋肤”效应限 制了生长的单晶硅锭的直径
16
天津工CH业E大N学LI
IC制造的基本工艺流程
17
天津工CH业E大N学LI
1.2.3 硅片(晶园、wafer)的制备
1.单晶生长
2.单晶硅锭 3.单晶去头和径
8/a3=5*1022/cm3
硅原子的半径 rS i 3a/81.1A 7
硅晶体中的空间利用率
4rS3i /3
a3 /8
34%
27
天津工CH业E大N学LI
§1.4 晶体中的晶向和晶面
➢ 晶向：表示晶列的方向，从一个阵点O沿某个晶列到另 一阵点P作位移矢量R，则 R=l1a+l2b+l3c；（l1:l2:l3 ＝ m:n:p 化为互质整数）
❖ 晶体内部空隙
空间利用率＝晶胞包含原子个数*原子体积/ 晶胞总体积
26
天津工CH业E大N学LI
硅晶体中的原子密度和空隙
c
b
d
a
金刚石结构 （Diamond）
8个顶点原子；6个面心原子
4个体心原子
总原子个数＝1＋3＋4＝8
晶格常数为a (Si=5.43Å)
硅晶体中的原子密度为：
性能上两大特点：固定的熔点（melting point）, 各向异性（anisotropy）
6
天津工CH业E大N学LI
§1.1 硅材料的特点
❖ 硅器件室温下有较佳的特 性;
❖ 热稳定性好，更高的熔化 温度允许更宽的工艺容限;
❖ 高品质的氧化硅可由热生 长的方式较容易地制得;
❖ 硅元素含量丰富（25％）， 成本低;
Chap.1 硅的制备及其晶体结构
1
晶体的概念及硅材料的特点
2 单晶硅片的制备
3 单晶硅的晶体结构特点
4 硅晶体中的缺陷
5
硅晶体中的杂质
1
天津工CH业E大N学LI
物质存在形式及晶体的概念
物质 substance
气态（gas state） 液态（liquid state） 固态（solid state） 等离子体（plasma）
28
天津工CH业E大N学LI
晶面及密勒指数
➢ 晶面：点阵中的所有阵点全部位于一系列相互平行、等 距的平面上，这样的平面系称为晶面，一系列等效的晶面 构成晶面族。
29
天津工CH业E大N学LI
晶面指数表示方式
➢ 晶面指数（hkl）：h、k、l 是晶面与三晶轴的截距 r、s、t 的倒数的互质整数，也称为密勒指数，相应的等效晶面族用 {hkl}表示。
❖ 高频、高速场合特性较差 。
硅(Si)
90%
其他（蓝宝石 等绝缘体）
1% 2%
锗（Ge)
7%
砷化镓（GaAs)等 化合物材料
各种半导体材料所占比例图
7
天津工CH业E大N学LI
二氧化硅的作用
8
天津工CH业E大N学LI
芯片和晶圆
Single die, chip
Wafer
9
天津工CH业E大N学LI
§1.2 单晶硅片的制备
天津工CH业E大N学LI
硅片抛光和倒角
21
天津工CH业E大N学LI
硅片的CMP抛光
22
天津工CH业E大N学LI
§1.3 硅晶体结构特点
晶胞：最大限度反映晶体对称性的最小单元； 七大晶系，14种布喇菲点阵，对应14种晶胞；
简单立方 （ SC）
体心立方 （ BCC）
23
面心立方 （ FCC）
天津工CH业E大N学LI
晶体（crystal）
非晶体、无定形体 （amorphous solid）
晶体（crystal）
单晶：水晶、金刚石、单晶硅 多晶：金属、陶瓷
2
天津工CH业E大N学LI
无定形体和晶体
3
天津工CH业E大N学LI
多晶体
4
天津工CH业E大N学LI
天然单晶体
5
天津C工H业EN大L学I
晶体的特点
晶体结构的基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间 呈周期性重复排列（periodic repeated array） ， 即存在长程有序（long-range order）
三氯化硅 （SiHCl3）
天津工CH业E大N学LI
1.2.2 单晶硅锭的制备
❖ 直拉法 （Czochralski法)
❖ 区域熔融法 （Floating Zone法）
直拉法系统示意图
12
天津工CH业E大N学LI
直拉法（CZ）
13
天津工CH业E大N学LI
区域熔融法（FZ）
区域提炼系统的原理图
14
天津工CH业E大N学LI
石英岩，硅砂 （SiO2）
还原
多晶硅 (poly-silicon)
单晶硅片 （wafer)
切片 抛光
10
拉制单晶
单晶硅锭 （ingot）
天津C工H业EN大L学I
1.2.1 多晶硅的制备
石英岩 （高纯度硅砂）
碳、煤等 还原
电子级多晶硅 （99.99％以上）
分馏 氢还原
11
冶金级硅 （98％）
粉 碎 HCl
向研磨 4.定位边研磨 5.硅片切割
6.倒角 7.粘片 8.硅片刻蚀 9.抛光 10.硅片检查
18
天津工CH业E大N学LI
定位边研磨
19
天津工CH业E大N学LI
硅片的定位边
D<200mm:
180º
主标志面
45º
（ 111） n 型
次标志面
（ 111） p 型
90º
பைடு நூலகம்
（ 100） n 型
20 （ 1 0 0 ） p 型
➢ 晶向指数【mnp】： 晶向矢量在三晶轴上投影的互质指数 在立方晶体中，同类晶向记为<mnp> <100>代表了[100]、[Ī00]、[010]、 [0Ī0]、[001]、[00Ī]六个同类晶向； <111>代表了立方晶胞所有空间对角线 的8个晶向； <110>表示立方晶胞所有12个面对角线 的晶向。
( r, s, t 为晶面在三个晶轴上的截
金刚石的晶体结构
24
天津工CH业E大N学LI
金刚石结构（Si、Ge、GaAs）
c d
b a
金刚石结构 （Diamond）
25
11 4 1 02 2 6 2 2
杂化后的电子结构图
硅 四原硅面原子体子的结成电构键子图平结面 构图 图
天津工CH业E大N学LI
原子密度及晶体内部空隙
❖ 原子密度
晶格常数a (Si=5.43Å)
直拉法和区熔法原理图
氩气
固体－熔融液 界面
RF线 圈
CCW 籽晶夹持器 籽晶
单晶锭 石英坩埚
熔融液
石墨基座
颈部 石英管 射频线圈
氩气 籽晶
单晶 熔化区
多晶硅柱
CW
直拉法系统的原理图
区域熔融系统的原理图
15
天津工CH业E大N学LI
直拉法和区熔法的比较
直拉法 区熔法
优点：可以生长更大直径的晶锭； 生长过程同时可以加入掺杂剂方便地掺杂
缺点：生长过程中容器、气氛污染较多
优点：生长过程中污染少，可生长极高 纯单晶（高功率、高压器件）
缺点：涡流感应加热的“趋肤”效应限 制了生长的单晶硅锭的直径
16
天津工CH业E大N学LI
IC制造的基本工艺流程
17
天津工CH业E大N学LI
1.2.3 硅片(晶园、wafer)的制备
1.单晶生长
2.单晶硅锭 3.单晶去头和径
8/a3=5*1022/cm3
硅原子的半径 rS i 3a/81.1A 7
硅晶体中的空间利用率
4rS3i /3
a3 /8
34%
27
天津工CH业E大N学LI
§1.4 晶体中的晶向和晶面
➢ 晶向：表示晶列的方向，从一个阵点O沿某个晶列到另 一阵点P作位移矢量R，则 R=l1a+l2b+l3c；（l1:l2:l3 ＝ m:n:p 化为互质整数）