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第一章 硅的基本性质1

1.1 硅的基本物理和化学性质2

1.1.1 硅的电学性质2

1.1.2 硅的化学性质3

1.1.3 硅的光学和力学性质4

1.1.4 硅的相图4

1.2 硅的晶体结构与表面结构5

1.2.1 化学键6

1.2.2 硅的晶体结构8

1.2.3 硅晶体的对称性13

1.2.4 硅的表面结构14

1.3 硅的半导体性质16

1.3.1 硅晶体的能带结构16

1.3.2 导电类型22

1.3.3 载流子浓度23

1.3.4 输运性质25

1.3.5 非平衡载流子29

1.3.6 PN结31

1.4 硅的表面与界面32

1.5 硅的主要用途33

参考文献35

第二章 硅的提纯36

2.1 硅的化学提纯与多晶硅的制备36

2.1.1 三氯氢硅氢还原法36

2.1.2 硅烷热分解法38

2.1.3 其他方法39

2.2 超提纯技术及其原理39

2.2.1 精馏提纯39

2.2.2 吸附提纯41

2.3 物理提纯44

2.3.1 分凝现象45

2.3.2 正常凝固46

2.3.3 区域提纯46

2.3.4 杂质蒸发48

参考文献49

第三章 晶体生长原理和基本技术50

3.1 相平衡条件、相平衡方程和相图50

3.1.1 相平衡条件50

3.1.2 相平衡方程51

3.1.3 相图51

3.1.4 稀溶液和稀固熔体的相平衡53

3.1.5 稀溶液和稀固熔体的相平衡方程55

3.1.6 平衡分凝现象的理论分析56

3.1.7 凝固点随组分的变化58

3.2 平衡界面59

3.2.1 界面能与界面张力60

3.2.2 弯曲界面的相平衡61

3.2.3 界面曲率对于平衡参量的影响63

3.2.4 晶体的平衡宏观形貌、界面能极图与界面的分类65

3.2.5 界面交接66

3.2.6 平衡界面的微观结构69

3.2.7 外延界面上的界面失配78

3.3 相变驱动力、相变势垒与成核82

3.3.1 亚稳态与相变驱动力82

3.3.2 相变势垒85

3.3.3 成核86

3.3.4 晶体生长系统中成核率的控制95

3.4 界面反应和生长动力学96

3.4.1 晶体生长的微观过程与台阶动力学96

3.4.2 光滑界面的微观生长机制与生长动力学规律104

3.4.3 粗糙界面的生长动力学规律108

3.4.5 晶体的生长形态110

3.4.4 相变驱动力对于界面结构的影响110

3.5 生长系统中的输运现象116

3.5.1 生长系统中的温度场及热量输运116

3.5.2 生长系统中的溶质浓度场和溶质分凝119

3.5.3 生长系统中的对流127

3.5.4 生长系统中的混合传输133

3.6 界面稳定性和组分过冷144

3.6.1 界面稳定性的基本概念144

3.6.2 影响界面稳定性的因素145

3.6.3 产生组分过冷的临界条件148

3.7 温度测量技术150

3.7.1 温度的热电偶法测量151

3.7.2 温度的辐射法测量163

3.8 真空技术172

3.8.1 真空系统的基本规律172

3.8.2 真空泵177

3.8.3 真空度测量仪183

3.8.4 检漏技术187

参考文献190

第四章 硅的体单晶生长和硅片加工193

4.1 概述193

4.2 硅单晶的CZ法生长193

4.2.1 CZ法的基本原理193

4.2.2 生长系统中的热流194

4.2.3 熔体中的对流195

4.2.4 生长界面的形状197

4.2.5 生长成的单晶中不同位置上晶体的生长条件历史的差异197

4.2.6 杂质的引入、分布和掺杂技术198

4.2.7 CZ法生长设备207

4.2.8 CZ法生长的工艺过程211

4.2.9 MCZ生长214

4.2.10 连续CZ生长218

4.3.1 悬浮区熔法生长硅单晶的原理220

4.3 硅单晶的FZ法生长220

4.3.2 区熔单晶炉223

4.3.3 区熔生长工艺226

4.3.4 区熔硅单晶中的杂质分布229

4.3.5 区熔硅单晶的掺杂技术229

4.3.6 探测器级硅单晶的生长231

4.3.7 掺氮区熔硅单晶的生长232

4.3.8 磷检与硼检232

4.4 硅片加工技术233

4.4.1 集成电路制造对于硅抛光片加工的要求234

4.4.2 晶向的测定237

4.4.3 单晶锭的外形加工237

4.4.4 切片238

4.4.5 倒角240

4.4.7 硅片腐蚀241

4.4.6 磨片241

4.4.8 抛光242

4.4.9 清洗244

4.4.10 抛光片的包装和储存245

4.4.11 化学腐蚀和化学清洗工艺中的安全操作245

4.5 硅片腐蚀和抛光工艺的化学原理246

4.5.1 硅的化学腐蚀的原理246

4.5.2 影响硅的化学腐蚀的因素248

4.5.3 硅片表面的化学-机械抛光的原理253

4.6 硅片表面的清洗及其原理254

4.6.1 硅片表面清洗的重要性254

4.6.2 硅片表面可能沾污的杂质255

4.6.3 化学清洗的原理256

4.6.4 去离子水在清洗中的作用266

4.6.5 超声波在清洗中的作用266

4.6.7 硅片清洗所用的化学清洗剂和清洗工艺的原理267

4.6.6 真空高温处理的清洗作用267

4.7 去离子水的制备270

4.7.1 离子交换树脂271

4.7.2 离子交换原理273

4.7.3 去离子水的制备工艺275

4.7.4 反渗透法制备纯水276

参考文献276

第五章 硅和硅基薄膜的外延生长280

5.1 概述280

5.1.1 硅外延技术发展历史280

5.1.2 外延技术在器件工艺中的应用281

5.2 硅的气相外延生长282

5.2.1 气相外延的生长机理283

5.2.2 常规CVD外延技术288

5.2.3 CVD外延新工艺292

5.3 硅的分子束外延298

5.3.1 发展历史298

5.3.2 分子束外延设备299

5.3.3 硅的分子束外延生长机理300

5.3.4 外延温度302

5.4 硅的液相外延304

5.4.1 硅液相外延的基本原理304

5.4.2 硅液相外延中溶剂的选择305

5.4.3 硅液相外延生长系统309

5.4.4 硅液相外延的优缺点312

5.4.5 硅液相外延层的一些性质312

5.4.6 硅液相外延的应用和展望315

5.5 硅的固相外延317

5.5.1 无介质输运情况318

5.5.3 SPE法的应用319

5.6 与硅相关的异质外延技术319

5.5.2 介质输运生长319

5.6.1 硅异质外延中的普遍性问题320

5.6.2 SOI结构322

5.7 硅片的直接键合343

5.7.1 硅片的直接键合工艺344

5.7.2 硅片的直接键合机理345

5.7.3 影响硅片的直接键合工艺的因素346

5.7.4 硅片的直接键合界面的特性351

5.7.5 硅片直接键合工艺的检测技术352

5.8 Smart-cut工艺353

5.9 金刚石上生长硅（SOD）354

参考文献354

第六章 硅材料的测试与分析362

6.1 硅材料的电学性能测量362

6.1.1 导电型号362

6.1.2 电阻率363

6.1.3 少子寿命366

6.1.4 霍尔效应372

6.1.5 迁移率375

6.1.6 深能级瞬态谱377

6.2 硅材料物理化学性能的分析方法377

6.2.1 X射线分析377

6.2.2 电子束分析380

6.2.3 光谱分析384

6.2.4 质谱与能谱分析388

6.2.5 其他分析方法390

6.3 硅单晶结构特性的检测392

6.3.1 晶向的测定392

6.3.2 表面机械损伤和硅单晶中应变的测量393

6.3.3 硅单晶中晶格缺陷的观测393

6.3.4 膜厚的测量398

参考文献400

第七章 硅中的缺陷401

7.1.1 硅中的点缺陷402

7.1 硅中缺陷的特点402

7.1.2 硅中的位错418

7.1.3 硅中的堆垛层错和不全位错420

7.1.4 孪晶424

7.2 原生长缺陷425

7.2.1 位错425

7.2.2 微缺陷433

7.3 工艺诱生缺陷446

7.3.1 热应力诱生的滑移位移447

7.3.2 扩散诱生位错450

7.3.3 氧化诱生堆垛层错453

7.3.4 表面微缺陷458

7.3.5 氧沉淀及其他体缺陷459

7.3.6 外延层中的缺陷460

7.4.1 概述465

7.4 缺陷工程465

7.4.2 非本征吸杂466

7.4.3 本征吸杂468

7.4.4 非本征吸杂对本征吸杂的影响470

7.5 透射电子显微镜技术在硅中缺陷研究方面的应用471

7.5.1 电子显微镜的基本知识471

7.5.2 关于硅片热处理后产生的层错的透射电镜研究472

7.5.3 关于硅晶体中漩涡缺陷的本质的透射电镜研究477

7.5.4 原生CZ晶体中的“红外散射缺陷”研究481

7.5.5 微氮硅单晶中的氧沉淀形态482

7.5.6 超高真空CVD极低温低压硅外延与高分辨TEM分析研究483

参考文献485

第八章 硅中的杂质489

8.1 硅中的氧489

8.1.1 硅中氧的基本性质489

8.1.2 硅中氧的测量492

8.1.3 氧施主494

8.1.4 氧沉淀495

8.1.5 内吸杂504

8.2 硅中的碳506

8.2.1 硅中碳的基本性质506

8.2.2 硅中碳的测量508

8.2.3 硅中碳和氧的相互作用508

8.2.4 硅中碳和微缺陷及其他杂质的相互作用510

8.3 硅中的氮510

8.3.1 硅中氮的基本性质511

8.3.2 硅中氮的测量511

8.3.3 硅中氮的掺杂512

8.3.4 氮对硅材料性能的影响513

8.3.5 氮的热处理性质514

8.3.6 氮和氧的相互作用515

8.3.7 氮和碳的相互作用521

8.4 硅中的氢522

8.4.1 硅中氢的基本性质522

8.4.2 硅中氢的测量523

8.4.3 区熔硅单晶中的氢523

8.4.4 氢和氧的相互作用523

8.4.5 氢和微缺陷及其他杂质的相互作用524

8.5 硅中的过渡金属526

8.5.1 金属杂质对材料和器件性能的影响526

8.5.2 硅中金属的沾污途径和控制527

8.5.3 金属杂质的测量528

8.5.4 金属杂质的基本性质534

8.5.5 硅中金属复合体与沉淀537

8.5.6 金属吸杂538

参考文献539

附录 非平衡态热力学的基础知识548

参考文献556