微纳制造工艺半导体材料与制备

第四章微纳制造工艺

——半导体材料与制备1结合键原子间的结合力称为结合键，它主要表现为原子间吸引力与排斥力的合力结果。根据不同的原子结合结合方式，结合键可分为以下几类：1：离子键

大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。离子键键合的基本特点是以离子而不是以原子为结合单元。一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-2：共价键

共价键的实质就是两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。

共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。共价形成的材料一般是绝缘体，其导电性能差。CCCCCCCCCCCCCCCCCarbon:4valenceelectrons3：金属键金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成键合称为金属键。金属键的基本特点是电子的共有化。既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良好延展性，并且，由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电和导热性能。Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Positiveioncoreselectrons4：范德华键

属物理键，系一种次价键，没有方向性和饱和性。比化学键的键能少1～2个数量级。主要由静电力、诱导力和色散力组成。

5：氢键它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子（Ｏ，Ｆ，Ｎ等）相结合而产生的具有比一般次价键大的键力，具有饱和性和方向性。氢键在高分子材料中特别重要。OHH++-Oxygen:6valenceelectronsHydrogen:1valenceelectronsHydrogenbond与四种键型相联系的物理性质和结构性质

性质

离子键

共价键

金属键范德华力

结构

无方向性、得到高配位数的结构有空间分布方向性和配位数的限制，得到低配位、低密度的结构无方向性、得到很高的配位数和高密度的结构形式上类似于金属键

力学强、得到硬晶体强、得到硬晶体可变强度、常发生滑移弱、得到软晶体

热学熔点相当高，膨胀系数小，熔融态是离子熔点高，膨胀系数小，熔融态是分子熔点可以变化，液态区间长熔点低，膨胀系数大

电学中等的绝缘体，在熔融态由离子导电固态和熔融态都是绝缘体导电，由电子流动导电绝缘体

光学和磁学吸收，其他性质主要是个别离子的性质，与溶液中性质相似高折射指数，光的吸收与在溶液中或气态时的吸收很不相同不透明，和液态的性质相似各种性质来源于独立的分子，与液态或气态的性质相似结合键类型实例结合能ev/mol主要特征离子键LiClNaClKClRbCl8.637.947.206.90无方向性，高配位数，低温不导电，高温离子导电共价键金刚石SiGeSn1.371.683.873.11方向性，低配位数，纯金属低温导电率很小金属键LiNaKRb1.631.110.9310.852无方向性，高配位数，密度高，导电性高，塑性好分子键(范德华键)NeAr0.0200.078低熔点、沸点压缩系数大，保留分子性质氢键H2OHF0.520.30结合力高于无氢键分子•锗（Ge）：1947-1958，但耐高温和抗辐射性能较差。•硅（Si）：1962-•砷化镓（GaAs）：1970-•宽带材料：

ZnSe(1990),SiC(1992),GaN(1994),ZnO(1996)•高分子材料？稀土材料？无定形材料？2.半导体材料根据各自所具有的原子有序的大小，可分为三类：•单晶：几乎所有的原子都占据着安排良好的规则的位置，即晶格位置；——有源器件的衬底•非晶：如SiO2,原子不具有长程有序，其中的化学键，键长和方向在一定的范围内变化；

•多晶：是彼此间随机取向的小单晶的聚集体，在工艺过程中，小单晶的晶胞大小和取向会时常发生变化，有时在电路工作期间也发生变化。单晶非晶多晶半导体—导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导体：金属（Ag,Au,Al,etc),10-6–1-cm;绝缘体：陶瓷（石英，氧化铝等），>107-cm;

半导体：Si,Ge等，10-2–106-cm.欧姆定律：R＝L/A,=1/半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：

当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。

往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。*元素半导体*化合物半导体：IV-IV,III-V,II-VI3.晶体和晶格晶格

Ifasolidhasatomsinperiodicpositionsthenitcanbe describedbyasetofvectorsThesevectorscanthenbeusedtobuildanarraydescribingthe positionofeveryatominaperfectcrystalIn2-dimensionsthelatticecanbedescribedbytwovectorsOriginab基矢GivesthenumberandpositionsoftheatomsINSIDEtherepeatingunitcell.2Dexamplesshownbelow.e.g.Basisof1Eachatomhasbasisvectorof[00]e.g.Basisof2Greenatomat[00]Redatomat[0.50.5]3D基矢Ifwetakeafacecentredcubiclattice,withabasisof1wecandescribeamaterialsuchascopper.+2atombasisat[000]and[¼¼¼]元胞=描述四面体结构如硅简立方结构Inthiscase,thepositionsaresimplyrepresentedbyatomsateachcornerofacube.Thisisthemostbasicstructureandisgenerallyusedforunderstandingthebasicsofcrystallography.Onlyoneelement,Polonium(Po)adoptsthisstructure.aaisknownasthelatticeconstantandrepresentsthelengthofeachsideofthecube.ThelatticeconstantforPois3.35Å.Unitsofangstroms(1Å=110-10m)areusedextensivelyincrystallography.HexagonalClosePackedEachlayerconsistsofatomsarrangedinahexagonalarrangement.Thenextlayersitsinthethree-foldhollowsitesofthelayerbelow.Thethirdlayerthensitsinsitesdirectlyabovethefirstlayer.Ifeachlayerislabelledbyaletter,thentheHCPstructureissaidtoshowanABABABABstackingsequence.Thisstructureisfoundinmaterialssuchascobalt(Co),magnesium(Mg)andzinc(Zn).FaceCentredCubicThefccarrangementcanberepresentedbyacubewithanatomateachcornerandanatomatthecentreofeachfaceofthecube.Elementsadoptingthisstructureincludecopper(Cu),nickel(Ni),silver(Ag)andaluminium(Al).FaceCentredCubic2Canconsiderthefccstructureasastackingofhexagonalplanes.Ithasadifferentstackingsequencetothehcpstructure,leadingtoadifferentlayering.ThefccsequenceisABCABCABCasthethirdlayerdoesnotnowliedirectlyabovethefirstlayer,butinsteadsitsinthealternativethreefoldhollowsofthesecondlayer.Clear–Layer1Grey–Layer2Red–Layer3BodyCentredCubicAgainthisstructureisbasedonacube.Inthiscase,thestructureismadebyplacinganatomateachcornerandthenoneatthecentreofthecube.Elementsadoptingthisstructureincludeiron(Fe),sodium(Na),tungsten(W)andchromium(Cr).元胞Theunitcellisanyrepresentationofthestructurethatwhensystematicallystackedtogetherwillyieldthepositionofeveryatom.Forstructuressuchasthefcclattice,thetraditionalviewisbasedonacubewithatomsatthecornersandfacecentres.Itisequallyvalidtorepresentthestructurebythegreyedsection,theprimitiveunitcell.金刚石晶格硅VectorNotationa1a3a2RighthandaxesVectorsgivecomponentsforeachdirectionandbyconventionarewritteninsquarebrackets[100]direction[010]direction[001]direction[110]direction[111]direction晶向指数密勒指数a1a3a2ua1wa3va2Usingarighthandsetofaxes,aplaneischaracterisedbyitsintersectionswiththeprincipalaxes.Inthefiguretothelefttheintersectionsoccursatua1,va2andwa3.Thereciprocalvaluesoftheseintersectionsarethentaken;1/u,1/vand1/wandreducedtotheirsimplestintegerset,labelledh,kandl.TheplaneisthendenotedbytheseMillerindicesinroundbrackets(hkl).密勒指数2

Inacubicsystem,avector[hkl]is alwaysperpendiculartotheplanewith asetofMillerindices(hkl).Usinggeometryitcanbeshownthatthe spacingbetweentheplanesofMiller indices{hkl}isgivenby:whereaisthelatticeconstantoftheunitcell.a1a3a2e.g.[001]direction–redarrowand(001)plane-green晶体平面a1a3a2(100)plane(010)plane(001)planeByconventionroundbracketsareusedtorepresentplanes(hkl)晶体平面2a1a3a2(110)plane(011)plane(101)planeFamiliesofplanes±h,±k,±lrepresentedbycurlybrackets{hkl}晶体平面3a1a3a2(111)plane晶体平面4[000](1-1-1)planesconventionallywrittenas(111)a1a3a2晶体平面5a1a3a2Theplaneshownhererunsparalleltothea1anda3directionandinterceptsa2at0.5Itisthereforethe(020)planeThisisrelatedtothe(010)planeinthatitrunsparalleltoit,buttheseparationoftheplanesishalfthatofthe(010)plane.周期表Hexagonalclosedpacked(hcp)face-centeredcubic(fcc)body-centeredcubic(bcc)CrystalLattices硅的晶体结构晶体缺陷•点缺陷：影响掺杂和扩散；•线缺陷：影响热处理；•面缺陷和体缺陷：影响成品率点缺陷(0-dimensional)Anavenueforatomicmotionwithinthelattice,inresponsetoanexternalmechanicalorelectricalloadInstainlesssteel,carbon,whichmakesitasteel,isaninterstitialimpurityintheironlattice(andchromium,whichmakesitstainless,isasubstitutionalimpurity)Insemiconductors,substitutionalimpuritiesarecalleddopants,andcontroltheamountofchargecarriers

Intrinsic(vacancies)Extrinsic(interstitialandsubstitutionalimpurityatoms)Alterthemechanicalproperties(byaffectingslipanddislocationmotion),electronicproperties(dopinginsemiconductors),etc.GrainBoundaries,Microstructure&Macrostructure:planardefects(2-dimensional)Duringsolidification…Boundarybetweentwodifferentphasesormaterials,orbetweentwocrystallitesofthesamematerialbutorientedwrteachotherAffectsmechanicalpropertiesbyaffectingpointandlinedefectmotionOtherdefects:voids,porosity,precipitates,secondaryinclusions位错:线缺陷(1-dimensional)Extra“half-plane”ofatomsinacrystalDislocationsmakeslip1000timeseasier,whichiswhymetalsdeformeasilySlipofatomplanesovereachotherduetodeformationoccursoneatomrowatatime,analogoustocaterpillarmotionormovingapileofbricksoneatatimemediates4.本征半导体和掺杂半导体半导体—导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体—纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子

—自由运动的带电粒子。硅(锗)的原子结构简化模型惯性核硅(锗)的共价键结构价电子自由电子(束缚电子)空穴空穴空穴可在共价键内移动电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位本征激发：复合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。两种载流子电子(自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动

结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；

2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；

3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关。

硅在300°K,ni

1.6X1010

电子/cm3温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：

1.自由电子移动产生的电流。

2.空穴移动产生的电流。在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。掺杂半导体P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。N型半导体硅或锗+少量磷N型半导体N型半导体多余电子磷原子硅原子+N型硅表示SiPSiSi掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。P型半导体空穴P型半导体硼原子P型硅表示SiSiSiB硅原子空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动杂质半导体的导电作用IIPINI=IP+INN型半导体I

INP型半导体

I