半导体硅材料基础知识

半导体硅材料基础知识讲座 培训大纲 一、 什么是半导体？ 1、 导体（Conductor） 导体是指很容易传导电流的物质导体是指很容易传导电流的物质 2、 绝缘体（Insolator） 是指极不容易或根本不导电的一类物质是指极不容易或根本不导电的一类物质 3、 半导体（Semiconductor） 导电性能介于导体和绝缘体之间且具备半导体的基本特性的一类材料。导电性能介于导体和绝缘体之间且具备半导体的基本特性的一类材料。 二、 半导体硅材料的电性能特点 硅材料的电性能有以下三个显著特点： 一是它对温度的变化十分灵敏； 二是微量杂质的存在对电阻率的影响十分显著； 三是半导体材料的电阻率在受光照时会改变其数值的大小。 综上所述， 半导体的电阻率数值对温度、 杂质和光照三个外部条件变化有较高的敏感 性。 三、 半导体材料的分类 1、 元素半导体 2、 化合物半导体 3、 有机半导体 4、 无定形半导体 迄今为止，工艺最为成熟、应用最为广泛的是前两类半导体材料， 尤其是半导体硅 材料，占整个半导体材料用量的 90%以上。硅材料是世界新材料中工艺最为成熟、使 用量最大的半导体材料。它的实验室纯度可接近本征硅，即 12 个“九” ，即使是大工业 生产也可以到 7—9 个“九”的纯度。 四、 半导体硅材料的制备 1、 冶金级硅（工业硅）的制备 冶金级硅是将比较纯净的 SiO2矿石和木炭或石油焦一起放入电弧炉里,在电孤加热 的情况下进行还原而制成。 其反应式是： SiO2+2C →Si+2CO 普通冶金级硅的纯度大约是2～3 个“九” 。目前市面上也有号称 4～5 个“九”纯 度的冶金级硅，那是通过多次“冶金法”或称为“物理法”提纯后获得的。 2、 多晶硅的制备 目前全世界多晶硅的生产方法大体有三种： 一是改良的西门子法； 二是硅烷法；三 是粒状硅法。 1 （（1 1））改良的西门子法生产半导体级多晶硅：改良的西门子法生产半导体级多晶硅： 这是目前全球大多数多晶硅生产企业采用的方法，知名的企业有美国的 Harmlock、 日本的 TOKUYAMA、 三菱公司、 德国的瓦克公司以及乌克兰和MEMC 意大利的多晶硅厂。全球80％以上的多晶硅是用此法生产的。其工艺流程是： 原料硅破碎筛分（80 目）沸腾氯化制成液态的 SiHCl3 粗馏提纯精馏提纯氢还原棒状多晶硅 破碎洁净分装。 经验上， 新建设一座多晶硅厂需要30—36 个月时间， 而老厂扩建生产线也需要大 约 14—18 个月时间， 新建一座千吨级的多晶硅厂大约需要10—12 亿元人民币， 也就 是说每吨的投资在 100 万元人民币以上。 （（2 2））硅烷法生产多晶硅硅烷法生产多晶硅 用硅烷法生产多晶硅的工厂仅有日本的小松和美国的 ASMY 两家公司，其工艺流 程是： 原料破碎筛分硅烷生成沉积多晶硅棒状多晶 破碎、包装 （（3 3）粒状多晶硅）粒状多晶硅 全球用此法生产多晶硅的仅有美国休斯顿的PASADENA工厂， 它的生产流程与硅 烷法生产多晶硅的工艺大体相似， 所不同的是它沉积出来的多晶硅不是棒状， 而是直径 仅为φ 1—3mm 的硅粒。 3、 单晶硅的制备 根据单晶硅的使用目的不同，单晶硅的制备工艺也不相同，主要的制备工艺有两 种： （（1 1））区域熔炼法（简称区熔法或区域熔炼法（简称区熔法或 FZFZ 法，法，Float ZoneFloat Zone）） 。。 这是制备高纯度，高阻单晶的方法，区熔法既可以提纯，又可以成晶。 它是利用杂质在其固体和液体中分凝系数的差异， 通过在真空下经数次乃至数十次的 区域熔炼提纯，然后成晶而制成。 （（2 2））切克劳斯基法（简称直拉法。切克劳斯基法（简称直拉法。CZCZ 法，法，CzochralskiCzochralski）） 这是将清洗好的多晶硅块料（块径＞5mm 以上）装入石英坩埚 再把装好料的石 英坩埚放入直拉单晶炉内置的石墨托碗上－→抽真空—→ 充氩气—→ 高频加热石墨 托碗使石英坩埚内的多晶料熔化成液体（需要在1430℃以上）—→ 降下预先置于炉顶 部的籽晶－→引晶－→ 缩颈－→ 放肩－→ 等径生长－→收尾等一系列复杂的工艺 而制成。 五、 半导体硅材料的加工 这是指由 Ingot －→wafer 的过程。硅片的加工大体包括：硅棒外径滚磨、硅切片、 倒角、硅磨片、硅抛光等几个过程 1、 硅切片 硅切片是将单晶硅锭加工成硅片的过程，通常使用的设备有两种： 内圆切片机：内圆切片机：一般加工直径≤6″的硅单晶锭。片厚300—400μ m，刀口厚度在 300—350μ m，加工损失在 50%以上。 用这种设备加工的硅切片一般有划道、崩边、且平整度较差，往往需要研磨后 才可使用。 2 线切割机：线切割机：一般用于加工直径≥6″的单晶（如 8″、12″等）,片厚最薄可达 200μ —250μ ，刀口厚度≤200μ ，加工损失在 40%左右，较内圆切割机可多 出 5~10%左右的硅片，用这种设备加工的硅切片表面光滑，平整度好，不用经 过磨片工序即可投入太阳电池片的生产。 但线切割机较为昂贵，单机价格是内圆切片的8—10 倍。 2、 硅磨片 一般是双面磨，用金刚砂作原料，去除厚度在50—100μ 时大约需要 15—20 分钟， 用磨片的方法可去除硅片表面的划痕， 污渍和图形等，可提高硅片表面平整度。 凡用 内圆切片机加工的硅片一般都需要进行研磨。 3、 硅抛光片 这是只有大规模集成电路工业才用的硅片，这里不述及。 六、 半导体硅材料的主要性能参数 1、 导电类型 这是讲半导体内部导电是以什麽类型的载流子在载带电荷。这里我们介绍三种情况： 本征硅： 习惯上我们把绝对纯净而没有缺陷的半导体叫作本征半导体。 通常纯净而没 有缺陷的硅晶体叫作本征硅。 N 型硅：若在纯硅中掺入V 族元素（如磷、砷等）以后，由于V 族元素最外层是 5 个 价电子， 当这 5 个价电子中 4 个与硅原子最外层的4 个价电子形成共价键时， 就会有一个 多余的电子脱离出来成为自由电子， 从而就提供了同等数量的导电电子， 这种能提供自由 电子的杂质统称为施主杂质（如P、AS 等） ，掺入施主杂质、以电子为多数载流子的硅叫 N 型硅。 P 型硅：如果在纯硅中掺入 III 族元素（如硼）以后，由于硼原子的最外层是 3 个价 电子，当它进入硅的晶体构成共价键时， 就缺少了一个电子，因而它就有一种从别处夺来 一个电子使自己成为负离子， 并与硅晶体相匹配的趋势， 因此我们可以认为硼原子是带有 一个很容易游离于晶体间的空穴。在半导体中，这种具有接受电子的杂质称为受主杂质。 掺入受主杂质、以空穴为多数载流子的硅叫作P 型硅。 2、 晶体结构 自然界中的固体可以分为晶体和非晶体两大类，晶体是指有固定熔点的固体（如： Si、 GaAs、冰及一般的金属等） ，而没有固定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐软化的固体 叫作非晶体。 （如：松香、玻璃、橡胶等） （（1 1）单晶、多晶和无定形：）单晶、多晶和无定形： 晶体又可以分为单晶体、多晶体和无定形体。 现有的晶体都是由原子、 离子或分子在三维空间上有规则的排列而形成的。 这种对称 的有规则排列叫作晶体的点阵或叫晶格。 最