范德华外延生长的定义
半导体分子束外延生长技术
半导体分子束外延生长技术第一章绪论半导体分子束外延生长技术是一种高效、精确的半导体材料制备方法。
它通过对单个原子或分子进行控制，使其按照预先设计的方法在晶体表面上沉积，成功地扩展了半导体材料的制备能力。
本文将分别介绍半导体分子束外延生长技术的定义、基本原理、应用以及未来发展趋势。
第二章基本原理半导体分子束外延生长技术的基本原理是利用分子束外延，将分子束喷射在单晶表面上，通过外延生长形成薄膜。
其主要过程包括制备表面、准备分子束、表面邻域反应和压缩成膜等步骤。
首先，需要制作出单晶表面，通常采用化学气相沉积和物理气相沉积等技术方法。
随后，需要准备出所需的分子束，可以采用光子法、离子束法等技术，将分子束聚焦到单晶表面上，使其形成定向生长的应力场。
然后，分子束与单晶表面相互作用，在表面上发生表面邻域反应，形成键合。
这些反应随着时间的推移而逐渐扩展，直到最终形成均匀的薄膜。
最后，将这些定向生长的应力场压缩成膜，即得到所需的薄膜材料。
第三章应用半导体分子束外延生长技术在光电子、微电子、太阳能电池等领域有着广泛的应用前景。
其中，最常见的应用是生长出高质量、厚度均匀、表面平整的半导体材料。
这种材料具有能带宽度、折射率和光学增益系数等物理性能的优异特点，在半导体激光器、光电子器件、传感器等方面有广泛的应用前景。
此外，半导体分子束外延生长技术还可以用于制备二维材料和纳米结构材料，满足快速高精度器件的需求。
第四章发展趋势半导体分子束外延生长技术的发展趋势主要表现在以下几个方面：1.多元化的控制技术。
目前，半导体分子束外延生长技术还存在一些问题，如杂质、应变和晶格缺陷等。
为了解决这些问题，需要不断改进分子束技术，并结合机器学习、人工智能等技术手段实现高精度的控制。
2.质量稳定性的提高。
半导体材料质量的稳定性是做高精度器件的前提，因此未来将致力于提高技术的稳定性，优化生长过程中的各种参数，并采用先进的表征、测试、反馈技术。
4 外延生长
微电子工艺——4 外延生长 微电子工艺
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半导体工艺中，几乎都采用N 作为清洗气体， 半导体工艺中，几乎都采用N2作为清洗气体，硅气相外 延中为什么用H 清洗反应室？ 延中为什么用H2清洗反应室？ 温度高于1000℃时，N2会与硅发生反应，生成SiN，影 会与硅发生反应，生成SiN SiN， 温度高于1000℃时 1000℃ 响外延层的质量。 响外延层的质量。
Definition:Epitaxy Greek origin epi: upon taxy: orderly, arranged
2011-11-25
微电子工艺——4 外延生长 微电子工艺
3
新生单晶层按衬底晶相延伸生长，称为外延层。 新生单晶层按衬底晶相延伸生长，称为外延层。 长了外延层的衬底称为外延片。 长了外延层的衬底称为外延片。 正向外延/ 正向外延/反向外延 同质外延/ 同质外延/异质外延
MOCVD
SiH4 气路结构
微电子工艺——4 外延生长 微电子工艺
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MOCVD
MANYFOLD (多路控制器 多路控制器) 多路控制器
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微电子工艺——4 外延生长 微电子工艺
பைடு நூலகம்
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MOCVD
生长室门及导轨
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微电子工艺——4 外延生长 微电子工艺
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微电子工艺——4 外延生长 微电子工艺
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SiCl4 + H 2 ↔ SiHCl3 + HCl SiCl4 + H 2 ↔ SiCl2 + 2 HCl SiHCl3 + H 2 ↔ SiH 2Cl2 + HCl SiHCl4 ↔ SiCl2 + HCl SiH 2Cl2 ↔ SiCl2 + H 2
半导体材料 ---硅外延生长
N型掺杂剂的有PCl3,PH3和AsCl3，
P型掺杂剂的有BCl3、BBr3和B2H6等。
5－2－2 硅外延生长设备
组成：
氢气净化系统、气体输运及净化系统、加热设备和反应室. 根据反应室的结构，由水平式和立式，后者又分为平板式 和桶式立式外延炉，外延生长时基座不断转动，故均匀性好、 生产量大。 由于SiCl4等硅源的氢还原及SiH4的热分解反应的△H为正值 ，即提高温度有利于硅的淀积，因此反应器需要加热，加热方 式主要有高频感应加热和红外辐射加热。通常在石英或不锈钢 反应室内放有高纯石墨制的安放硅衬底的基座，为了保证硅外 延层质量，石墨基座表面包覆着SiC或沉积多晶硅膜。
5－3－3 外延层生长中的自掺杂
自掺杂效应：衬底中的杂质进入气相中再掺入外延层
抑制自掺杂的途径：
一：减少杂质由衬底逸出 1.使用蒸发速度较小的杂质做衬底和埋层中的杂质 2.外延生长前高温加热衬底，使硅衬底表面附近形成一杂质耗尽 层，再外延时杂质逸出速度减少可降低自掺杂 3.采用背面封闭技术，即将背面预先生长高纯SiO2或多晶硅封闭 后再外延，可抑制背面杂质的蒸发而降低自掺杂。 4.采用低温外延技术和不含有卤原子的硅源。 5.采用二段外延生长技术 即先生长一段很短时间的外延层，然后停止供源，只通氢气驱除 贮存在停滞层中的杂质，再开始生长第二段外延层，直到达到预 定厚度 二：采用减压生长技术 使已蒸发到气相中的杂质尽量不再进入外延层 一般在1.3103～2104Pa的压力下进行。
Epsilon Series Single-Wafer Epitaxial Reactors
硅外延生长基本工艺
硅单晶
定向
切割
400-500μm
磨平
Si02胶体溶液
薄膜淀积与外延技术
产业应用与发展
产业应用：集成电路、微电子 器件、光电子器件等
发展方向：高精度、高稳定性、 低成本
技术挑战：材料选择、工艺控 制、设备优化等
未来展望：与新材料、新工艺、 新应用相结合，推动产业升级 与创新
面临的挑战与问题
技术瓶颈：薄 膜淀积与外延 技术仍面临许 多技术瓶颈， 如淀积速率、 淀积厚度、淀 积均匀性等。
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挑战与机遇：薄膜淀积与外延技术发展面 临的挑战包括提高生产效率、降低成本、 提高产品性能等，但同时也面临着巨大的 市场机遇和发展空间。
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技术创新：随着新材料、新工艺和新技术 的不断涌现，薄膜淀积与外延技术将不断 突破现有技术的限制，实现更高效、更精 确、更可靠的生产。
未来展望：随着科技的不断进步和应用需 求的不断增长，薄膜淀积与外延技术将迎 来更加广阔的发展前景，为人类的生产和 生活带来更多的便利和价值。
薄膜淀积与外延技术的比较
技术特点比较
淀积技术：淀积技术是指将材料一层一层地叠加在一起，形成薄膜的技术。淀积技术可以用于制造各种薄膜，如金属、绝缘体 和半导体等。
外延技术：外延技术是指通过在单晶衬底上生长一层单晶材料，从而制造出单晶薄膜的技术。外延技术可以用于制造高纯度、 高性能的单晶薄膜，如硅基集成电路等。
外延生长材料
单晶材料：外延生长的基础，具有高纯度、高完整性、低缺陷密度的特点
多晶材料：通过特殊的晶体取向控制，实现外延生长，广泛应用于太阳能 电池等领域
化合物材料：通过元素组合形成具有特定性能的化合物材料，如GaAs、 InP等
金属材料：通过外延技术实现金属薄膜的连续生长，广泛应用于电子器件 等领域
土壤修复：通过薄膜淀积与外延技术，可制备出适用于不同土壤修复需求的材料，有效 治理土壤污染。
第十三章_晶体生长和外延
Cs k0 = Cl
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现代半导体器件物理与工艺
晶体生长和外延 11
定义一有效分凝系数
Cs ke = Cl
考虑一小段宽度为δ几乎粘滞的融体层，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。在稳态式，右边第二项、第三项是有意义的(C代替np， v代替µnE)
悬浮区熔法
悬浮区熔法（float-zone）可以生长比一般Cz法生长单晶所含有的更低 杂质浓度的硅。生长的晶体主要用于高电阻率材料的器件，如高功率、 高压等器件。
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晶体生长和外延 15
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，然而从再结晶出所移除的掺杂剂数量为 ke(Sdx/L)，因此有：
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晶体生长和外延 3
Cz直拉法 直拉法
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晶体生长和外延 4
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晶体生长和外延 5
掺杂物质的分布
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 和在界面出的融体（液体）中的是不同的，此两种状态下的掺杂浓度的 比例定义为平衡分凝系数
桂林电子科技大学 现代半导体器件物理与工艺 晶体生长和外延 17
si外延生长工艺 -回复
si外延生长工艺-回复什么是外延生长工艺？外延生长工艺是一种用于制造具有特定特性的材料的方法。
它是一种将原始材料在现有晶体体内生长出新的晶体层的工艺。
这种工艺通常用于制造具有高质量晶体结构、高度纯净性和特定特性的材料，例如控制半导体芯片的生长和制造。
外延生长的基本过程是在晶体基片上引入预先选择的原子或分子，并在原有晶体结构中加入相同的原子或分子。
这一过程被称为外延生长。
通过外延生长工艺，可以产生具有与基片相同的晶体结构、尺寸和晶胞间距的新晶体层。
这样可以实现对特定晶体材料特性的精确控制。
外延生长工艺通常在高温下进行，以确保晶体能够充分生长并具备所需的晶体结构。
这一过程通常需要用到特殊的设备和技术，例如化学气相沉积（CVD）和分子束外延（MBE）。
这些工艺通过控制气体组分、温度和压力等参数，使原子或分子以特定的速度沉积在基片表面，从而实现外延生长。
外延生长工艺的应用非常广泛。
其中最常见的应用是半导体芯片制造。
半导体芯片是现代电子设备的重要组成部分，如计算机芯片、移动电话和平板电脑等。
通过外延生长工艺，可以在一块基片上生长多层的半导体材料。
这些材料可以具备不同的导电性和能带结构，实现对芯片性能的精密控制。
此外，外延生长工艺还被广泛应用于光电子和纳米技术领域。
通过外延生长工艺，可以生长出高品质的纳米晶体结构材料，用于制造纳米器件和光电子器件。
这些器件可以在光电转换、传感和信息存储等方面提供高性能和高效率。
总结起来，外延生长工艺是一种将原始材料在现有晶体体内生长出新的晶体层的方法。
它通过控制生长条件和参数，实现对材料晶体结构和特性的精密控制。
外延生长工艺在半导体芯片制造、光电子和纳米器件制造等领域都有重要应用，为现代科技的发展提供了重要的支持。
第五章 ---硅外延生长
外延生长的特点
(1)可以在低(高)阻衬底上外延生长高(低)阻外延层。 (2)可以在P(N)型衬底上外延生长N(P)型外延层，直接形成PN结 ，不存在用扩散法在单晶基片上制作PN结时的补偿的问题。 (3)与掩膜技术结合，在指定的区域进行选择外延生长，为集成 电路和结构特殊的器件的制作创造了条件。 (4)可以在外延生长过程中根据需要改变掺杂的种类及浓度，浓 度的变化可以是陡变的，也可以是缓变的。 (5)可以生长异质，多层，多组分化合物且组分可变的超薄层。 (6)可在低于材料熔点温度下进行外延生长，生长速率可控，可 以实现原子级尺寸厚度的外延生长。 (7)可以生长不能拉制单晶材料，如GaN，三、四元系化合物的 单晶层等。
气相外延法生长Si半导体膜所用原料气体、反应式、生 长温度及所属反应类型
各种硅源优缺点：
SiHCL3,SiCL4 常温液体，外延生长温度高，但是生长速度快，易纯制，使用安 全。是较通用的硅源。 SiH2CL2,SiH4 常温气体， SiH2CL2使用方便，反应温度低,应用越来越广。SiH4 反应温度低，无腐蚀性气体，但是会因漏气产生外延缺陷。
衬底要求
在硅外延中使用的硅衬底是经过切、磨、抛等工艺仔细加工而 成的，外延生长前又经过严格的清洗、烘干，但表面上仍残存 有损伤、污染物及氧化物等。 为了提高外延层的完整性，在外延生长前应在反应室中进行 原位化学腐蚀抛光，以获得洁净的硅表面。常用的化学腐蚀剂 为干燥的HCl或HBr，在使SiH4外延生长时，由于SF6具有无毒和 非选择、低温腐蚀特点，所以可用它做腐蚀抛光剂。 为了控制外延层的电特性，通常使用液相或气相掺杂法。
5—2 硅的气相外延 5－2－1硅外延生长用的原料
气相硅外延生长是在高温下使挥发性强的硅源与氢气发生反应 或热解，生成的硅原子淀积在硅衬底上长成外延层。 对外延片的质量要求：电阻率及其均匀性、厚度及其均匀性、 位错和层错密度等。
集成电路制造工艺之——外延
覆盖式化学气相沉积钨与回刻
上节课内容小结
CVD 钨的化学反应
2WF 6 ( 气 ) 3 Si (固） 2W (固） 3 SiF 4 ( 气 ) （反应自停止） 2WF 6 ( 气 ) 3 SiH 4 ( 气） 2W (固） 12 HF ( 气 )
以上两个反应提供钨核层
WF 6 ( 气 ) 3 H 2 ( 气） W (固） 6 HF ( 气 )
随温度升高，硅原子表面迁移率增强， 在与其他吸附原子形成硅串之前就已经到 达了扭转点，易形成单晶。 在固定淀积温度下，存在一个最大淀积 率。超过最大淀积率，会生成多晶薄膜； 低于最大淀积率，生成单晶外延层。 高温低生长速率时，易生长单晶；而低 温高生长率易生成多晶。
维持单晶生长的最大淀积率随温度升
MOCVD Al：沉积温度低200度
Al的有机化合物有毒、易燃、接触水会爆炸，必须密封保存，合理操作。 化学性质活泼，必须低温保存，进入反应室前，采取措施以保持稳定性
CVD铝抗电迁移能力差：CVD铝铜合金
制备复合层（CVD铝+PVD铝铜）
上节课内容小结
外延：是指在单晶衬底(如硅片)上，按衬底晶向生长单晶薄膜的工艺过程。 同质外延：生长的外延层和衬底是同一种材料。
高呈指数上升，如图，可求出激活能为
5eV。 5eV的激活能相当于硅的自扩散激活
能。由此，我们可以说单晶外延生长与
硅自扩散的机制是相同的。
上节课内容小结 CVD二氧化硅的特性和沉积方法
1. 低温CVD SiO2
硅烷与氧气反应制备二氧化硅，LPCVD
硅烷和N2O反应，PECVD TEOS为源，PECVD SiO2可以对深宽比为0.8的沟槽实现无空隙填充。
外延层需要很高的温度，不适应现今集成电路工艺的要求，目前主要应 用在传统的外延工艺中。
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范德华外延生长的定义
范德华外延生长，是指范德华力学中一种特殊的生长方式，它在机械应力的作用下，在晶体的表面或界面上发生生长。
范德华外延生长在材料科学和纳米技术领域具有广泛的应用和重要的意义。
范德华外延生长可以通过控制晶体表面的结构和晶格匹配来实现。
晶体表面的结构和晶格匹配与晶体的生长方向有关，通过调整晶体表面的结构和晶格匹配，可以实现范德华外延生长的控制和优化。
范德华外延生长的基本原理是利用晶格的相互作用力来促使晶体在特定方向上生长。
这种生长方式可以在原子级别上实现晶格的延伸和扩展，从而形成具有特定结构和性质的纳米材料。
范德华外延生长的应用非常广泛。
在纳米技术领域，范德华外延生长可以用于制备纳米线、纳米棒、纳米管等纳米结构材料。
这些纳米结构材料具有独特的电子、光学和力学性质，被广泛应用于纳米电子器件、光电器件、传感器等领域。
此外，范德华外延生长还可以用于制备超薄膜、多层膜和异质结构材料，这些材料在光电子学、半导体器件和能源存储等领域具有重要的应用价值。
范德华外延生长的实现需要精确的控制和优化。
首先，需要选择合适的基底材料，以实现晶格匹配和生长方向的控制。
其次，需要控制生长温度、气氛和生长速率等参数，以获得理想的生长结果。
最后，需要使用表征技术对生长的纳米材料进行结构和性质的表征，以验证生长的质量和一致性。
为了进一步提高范德华外延生长的控
制性和可扩展性，需要深入研究范德华力学和生长动力学等基础理论，并结合计算模拟和实验方法进行研究。
范德华外延生长作为一种重要的纳米制备技术，在材料科学和纳米技术领域具有广阔的发展前景。
通过精确控制和优化范德华外延生长过程，可以实现纳米结构材料的制备和性能调控，为纳米器件和纳米技术的发展提供有力支持。
此外，范德华外延生长还可以与其他纳米制备技术相结合，实现多种纳米结构的组合和集成，进一步拓展纳米材料的应用领域。
范德华外延生长是一种重要的纳米制备技术，具有广泛的应用和重要的意义。
通过精确控制和优化范德华外延生长过程，可以实现纳米结构材料的制备和性能调控，为纳米技术的发展提供有力支持。
范德华外延生长的研究和应用还需要进一步深入，以推动纳米材料和纳米技术的发展。