晶体材料|晶体生长及晶圆制备的那些事晶圆|晶体|籽晶|晶胞|多晶|晶体

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半导体器件或者电路实在半导体材料晶圆表层形成的，用量最广的还是半导体硅，这些晶圆的杂质含量必须很低，必须是指定的晶体结构，必须是光学表面，并达到指定的电气性能和对应的相应规格要求。

我们都知道Si在自然界中大量的存在，半导体制造的第一阶段便是从沙石中选取和提纯半导体材料的原料。将沙石转化为硅化物，如四氯化硅或者三氯硅烷，再与氢反应形成半导体级的硅原料，这一便达到纯度高达99.9999999%的硅，它是一种我们称为多晶或者多晶硅(polysilicon)的晶体结构。

氢气还原三氯硅烷反应方程式

晶体和非晶体

材料中原子的组织结构是导致材料不同的一种方式，有些材料，例如硅和锗，原子在整个材料里重复排列或者非常固定的结构，我们将此类材料称为晶体(crystal)。原子没有固定周期性排列的材料称之为非晶体或者无定形(amorphous)，塑料局势无定型材料。

对于晶体材料实际上可能有两个级别的原子组织结构，第一个是单个原子的组织结构，晶体里的原子排列为晶胞(unit cell)结构，晶胞结构在晶体里到处重复。另一个涉及晶胞结构的术语是晶格(lattice)，晶体材料具有特定的晶格结构，并且原子位于晶格结构的特定点。在晶胞里原子数量、相对位置和原子间的结合能可以带来材料的许多特性，每个晶体材料具有独一无二的晶胞。

硅晶胞具有16个原子排列成金刚石结构：

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砷化镓晶体具有18个原子的闪锌矿结构：

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多晶和单晶

在本征半导体中，晶胞间不是规则排列的，好似方块杂乱无章地堆起来一样，每个方块代表一个晶胞，我们称之为多晶结构；当晶胞整洁而有规则地排列时，我们称其具有单晶结构。

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单晶结构的材料相对于多晶结构来说具有更一致和更可预测的性质，单晶结构允许在半导体里一致和可预测性的电子流动，所以单晶结构是半导体器件所需的。

晶体定向

对于一个晶圆，除了要单晶结构，还需要有特定的晶向(crystal orientation)。在垂直平面或者角对角切割可以得到不同的平面，不同的原子数以及不同的原子间结合能，每个平面具有不同的化学、电学和物理特性。晶面一般通过一系列称为密勒指数的三个数字组合来表示，在硅晶圆中常使用的晶向<100>和<111>：

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一般<100>晶向的晶圆被用来制造MOS器件，而<111>晶向的晶圆被用来制造双极型器件。

晶体生长

半导体晶圆是从晶棒上切割得来，而晶棒是从大块具有多晶结构和未掺杂的本征半导体生长得来。设定正确的定向和适量的N型或者P型掺杂，将多晶块转变成一个大单晶的过程我们称之为晶体生长。晶体生长的方法大致有：直拉法和区熔法。

直拉法(CZ)

设备主体为一个石英坩埚，由带射频波的线圈环绕来加热，或者由电流加热器加热。首先将多晶和掺杂物加热到液态，接着将籽晶安置到刚接触到液面，籽晶是具有和所需晶体相同晶向的小晶体，可由化学气相的技术制造，实际应用中可拿之前生长的单晶重复使用。

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当籽晶从熔融物中慢慢上升时，晶体生长开始了，籽晶和熔融物间的表面张力致使一层熔融物的薄膜附着到籽晶上然后冷却。在冷却过程中，在熔化的半导体材料的原子定向到籽晶一样的晶体结构，籽晶的定向在生长的晶体中传播。在熔融物中的掺杂原子进入生长的晶体中，生成N型或者P型晶体。

为了实现均匀掺杂、完美晶体和直径控制，籽晶和坩埚在整个晶体生长过程中以相反的方向旋转，工艺控制需要一套复杂的反馈系统，综合转速、拉速及熔融物温度参数。

拉晶分为三个阶段，开始形成一薄层头部、接着等径生长、最后收尾，直拉法能够生长出几英尺长和直径达到12英寸或者更大的晶棒。