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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