(hkl)代表了所有与h、k 、l晶面指数平行的晶 面；
{hkl}表示满足晶体对称 性要求的所有等效晶面 。
“等效晶面具有相同的物理 性质。”
Z
Z
Y X (100)
[110] [100]
Y X (110)
Z [111]
Y
X
(111)
硅晶体的主要晶向和晶面
22
硅材料的性质及结构
（3）晶面的间距与晶面夹角：
n是整数，0,±1,±2, ����� d 是晶面间距；
29
布喇格定律的几何关系
P Q Q΄
θ
晶面法线 A θ
P΄
θ
1
S
2
T
d
A′
d
3
硅材料的性质及结构
（5）晶片表面晶向： 正晶向及偏晶向
双极性电路用<111>取 向的单晶；
MOS电路用<100>取向 的晶体；
涉及有外延工序的 <111>取向的单晶需 要偏晶向的晶面；
• 金属硅在工业上，通常是在电炉中由碳还原二氧化硅 而制得；硅纯度97~98%，不能做半导体；但是制作半 导体硅的原料。
• 金属硅用于制造高硅铸铁、硅钢等合金，有机硅化合 物 。合金的形式使用(如硅铁合金)，用于汽车和机 械配件。
41
硅材料的制备： • 工业级硅制备:
• SiO2 + 2C → Si + 2CO
4
晶体的基本性质
(1)均一性：同一晶体任何部位的物理性质和化学组成均 相同。 (2)对称性：所有的晶体都是对称的。晶体的对称不但表 现在外形上，其内部构造和物理性质也是对称的。 (3)稳定性：在相同的热力学条件下，晶体与同种成分的 非晶质体、液体、气体相比，以晶体最为稳定。 (4)定熔性：指晶体具有固定熔点的性质。 (5)各向异性晶体的几何度量和物理性质常随方向不同而 表现 出量的差异。 (6)自限性（自范性）晶体在合适的条件下，能自发地长 成规则几何多面体外形。
38
硅材料的性质及结构
利用PN结的光生伏特效 应可制成太阳电池;当 晶片受光后，PN结中， N型半导体的空穴往P型 区移动，而P型区中的 电子往N型区移动，从 而形成从N型区到P型区 的电流。然后在PN结中 形成电势差，这就形成 了电源。
39
三、硅材料的制备
40
硅材料的制备：
1 、工业级硅制备:
• 电阻率特性: 通过掺入微量的杂质， 对半导体材料的电阻率在
10-4Ω.cm ~ 109 Ω.cm范围内进行调控。
33
硅材料的性质及结构
• 导电特性:
半导体材料有两种导电的载流子，一种是带 负电荷的载流子 —— 电子； 另一种是带正电荷 的的载流子 —— 空穴。 金属导体中全部由电子导电。
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硅材料的性质及结构 • 导电特性:
23
硅材料的性质及结构
常见的硅晶体晶向： <100>、 <111>、 <110>；
及{111},{110},{100}晶面的 相互关系模型
001
1ī1 101
011 ī11
111
100 110
10ī
11ī
010
01ī
硅晶体{111},{110},{100} 晶面的相互关系模型
24
硅材料的性质及结构
19
硅材料的性质及结构
金刚石结构的硅晶体属于立方晶系（根据晶胞的六 个参数可把晶体分为七个晶系），立方晶系有： a=b=c ， α=β=γ=900，晶胞的体积V=a3。
硅的晶格常数： a = 5.43Å
20
硅材料的性质及结构
5、晶格点阵：
（2）晶面与晶向： 晶体中通过若干结点（硅的原子所处的位置）可构成
• 利用30Si进行“中子嬗变掺杂”制作N型半导体 • 这是采用中子辐照的办法来对材料进行掺杂的一种技术，其最大优点
就是掺入的杂质浓度分布非常均匀。 • 对于半导体硅，通过热中子的辐照，可使部分的 Si同位素原子转
变为磷（P）原子[14Si31的半衰期为2.62小时]： 14Si30+ 中子 → 14Si31+γ射线 →→ 15P31+β射线；从而在Si中出现了施主磷而使Si成 为了n型。
• （4) 晶体的定向：
晶体取向的判定方法很多,像光图法、解理法、腐蚀坑法、从 晶体外形判断法，X射线衍射法等等。但要较准确又方便的测定晶 向，生产实践上常用的方法： 光图法和X射线衍射法。
光图象法定向根据晶体解理面的光反射性和晶体结构的对称 性实现晶体定向。当束较细的平行光照射到经过一定方法处理的 晶体断面时，晶体断面上按一定对称性方向排列的解理面产生反 射。不同结构的晶体和不同结构的晶面，反射光在光屏上形成不 同的光图象。转动晶体调整光图象的形状和位置，就可以测出晶 体取向。
5
二、硅材料的性质及结构
6
硅的性质及结构
• 为什么硅材料成为应用最广泛、最重要的半导体材料 ？
• 原因之一：硅元素是地球上存量丰富的元素之一（氧 是第一、硅次之）、无毒性；同时能与氧形成稳定的 钝化层SiO2，在集成电路设计中SiO2绝缘层非常重要 ；
• 原因之二：在制作成本上，集成电路用的硅片都是由 直拉法（Czochralski Method）生产的，CZ工艺中适 度的氧含量使硅片的机械强度增加，硅片直径成倍增 长，成本迅速下降，集成电路得到广泛的应用。
25
硅材料的性质及结构
晶体的定向：光图法
(111)面
(100)面
{111}面
(110面) 不同晶面的光反射图形
(111)
(100)
(110) 硅晶体低指数晶面解理坑
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硅材料的性质及结构
晶体的定向： X射线衍射法定向
右图是单色X射线方法定向 的原理。S是X射线源，X射线 经一β滤光片，得到单色X射线。 一般X射线管的阳极靶材料选 P点。
晶体种类金刚石 硅晶体 锗晶体 键长 1.544 2.3515 2.4497 禁带宽度 7 1.11 0.72
Si,Ge 都是共价键型原子晶体
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硅材料的性质及结构 5、晶格点阵：
前面阵列中除去立方体中原子，余下的框架，称作 晶格点阵，结点称作晶格结点。 （1）晶格常数：
选取晶胞上相交于一点的三条棱作为 晶轴，分 别用X，Y，Z，表示，三条晶轴的焦点为晶轴的原点 O。 沿X，Y，Z轴上的单位矢量用a，b，c 表示。三个晶轴 间的夹角为α,β,γ。单位矢量a， b，c 的长度用a，b，c 表示，它通常被称为点阵常数或晶格常数。
• 半导体材料有两种导电的载流子，一种是带负电荷的载流子 —— 电子 （N型半导体）
• 正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子； 黄色的表示掺入的磷原子，磷原子周围有5个电子就会产生如图所示的 红色的带负电的电子
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硅材料的性质及结构 • 导电特性: • 半导体材料有两种导电的载流子一种是带正电荷的载流子
主、副参考面的位置
4c5w0
n<111>
1800CW 参面
p<111> 主
900CW
n<100>
p<100>
1350CW
31
N{100}晶向,
150 mm
硅材料的性质及结构 （5）晶片参考面位置：
主参考面位置
{110}±10
副参考面位置
以下适用直径≤125mm规格硅片
P型,{111}
无副参考面
P型,{100}
• 硅的3个同位素： • 28Si 92.23% 稳定 • 29Si 4.67% 稳定 • 30Si 3.10% 稳定
11
三、硅材料的性质及结构 3、硅原子结构：
12
硅材料的性质及结构 4、硅晶体结构之一：立方体的八个顶点各有一个原子
13
硅材料的性质及结构 4、硅晶体结构之二：立方体的八个原子(绿色) + 六个面 心原子（紫色）
7
硅的性质及结构 1、硅在元素周期表中的位置：
8
硅材料的性质及结构
9
硅材料的性质及结构
2、元素硅有关性质：
• 晶体硅为灰色，无定形硅为黑色，密度2.33克／立方厘米，熔 点1414℃，沸点2355℃，
• 晶体硅属于原子晶体，硬而有光泽，有半导体性质。 • 硅的化学性质比较活泼，在高温下能与氧气等多种元素化合，
不溶于水、硝酸和盐酸，溶于氢氟酸和碱液， • 用于造制合金如硅铁、硅钢等，单晶硅是一种重要的半导体材
料，用于制造大功率晶体管、整流器、太阳能电池等。 • 硅在自然界分布极广，地壳中约含27.6％。
10
硅材料的性质及结构 2 、硅元素有关性质：
• 同位素是具有相同原子序数的同一化学元素的两种或多种原子之一， 在元素周期表上占有同一位置，化学性质几乎相同，但原子质量或质 量数不同。
<100>取向的晶体一般 正晶向的晶面；
硅片正交晶向偏离
硅片表面
最近的<110>
法向矢量
方向矢量
晶向偏离 量 的硅片 影
离
硅片表面法向矢
在{111}面上投
θ 正交晶 向偏
投影
<110>在{111}平面上
{111}平3面0
主参考面
`
硅材料的性质及结构
（5）晶片参考面位置：
硅片参考面： 主参考面的位置、长度,副参考面 的位置、长度
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硅材料的制备：
• 2、 高纯硅的制备：
• 硅的化学提纯：工业硅（MG-Si）做成高纯硅 ，还要将其转化成易于提纯的液体或气体形式 ，再经蒸馏、分解过程得到多晶硅。
—— 空穴（P型半导体）
正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子； 黄色的表示掺入的硼原子，硼原子周围只有3个电子就会产生入图所示 的蓝色的空穴