半導體硅材料基礎知識

1、半導體硅材料基礎知識講座培訓大綱、 什么是半導體？1、導體( Conductor ) 導體是指很容易傳導電流的物質2、絕緣體( Insolator ) 是指極不容易或根本不導電的一類物質3、半導體( Semiconductor ) 導電性能介于導體和絕緣體之間且具備半導體的基本特性的一類材料。、 半導體硅材料的電性能特點硅材料的電性能有以下三個顯著特點： 一是它對溫度的變化十分靈敏；二是微量雜質的存在對電阻率的影響十分顯著； 三是半導體材料的電阻率在受光照時會改變其數(shù)值的大小。綜上所述， 半導體的電阻率數(shù)值對 溫度、雜質和光照 三個外部條件變化有較高的敏感 性。三、半導體材料的分類1、元素半導

2、體2、化合物半導體3、有機半導體4、無定形半導體迄今為止， 工藝最為成熟、 應用最為廣泛的是前兩類半導體材料， 尤其是半導體硅 材料，占整個半導體材料用量的90%以上。硅材料是世界新材料中工藝最為成熟、使用量最大的半導體材料。 它的實驗室純度可接近本征硅， 即 12 個“九”，即使是大工業(yè) 生產(chǎn)也可以到 7 9 個“九”的純度。四、半導體硅材料的制備1、冶金級硅(工業(yè)硅)的制備 冶金級硅是將比較純凈的 SiO2 礦石和木炭或石油焦一起放入電弧爐里,在電孤加熱的情況下進行還原而制成。其反應式是：SQ2+2C t Si+2C0普通冶金級硅的純度大約是 23個“九”。目前市面上也有號稱 45個“九”

3、純 度的冶金級硅，那是通過多次“冶金法”或稱為“物理法”提純后獲得的。2、多晶硅的制備 目前全世界多晶硅的生產(chǎn)方法大體有三種： 一是改良的西門子法； 二是硅烷法； 三 是粒狀硅法。(1) 改良的西門子法生產(chǎn)半導體級多晶硅：這是目前全球大多數(shù)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)采用的方法，知名的企業(yè)有美國的Harmlock、日本的TOKUYAMA、三菱公司、德國的瓦克公司以及烏克蘭和MEMC意大利的多晶硅廠。全球 80%以上的多晶硅是用此法生產(chǎn)的。其工藝流程是：原料硅破碎 篩分(80 目) 沸騰氯化制成液態(tài)的 SiHCI 粗餾提純精餾提純氫還原棒狀多晶硅 一破碎潔凈分裝。經(jīng)驗上，新建設一座多晶硅廠需要30 36個月時

4、間，而老廠擴建生產(chǎn)線也需要大約1418個月時間，新建一座千噸級的多晶硅廠大約需要1012億元人民幣，也就是說每噸的投資在 100萬元人民幣以上。(2) 硅烷法生產(chǎn)多晶硅用硅烷法生產(chǎn)多晶硅的工廠僅有日本的小松和美國的ASMY兩家公司，其工藝流程是：原料破碎 篩分 硅烷生成 沉積多晶硅 棒狀多晶破碎、包裝(3) 粒狀多晶硅全球用此法生產(chǎn)多晶硅的僅有美國休斯頓的 PASADENA工廠，它的生產(chǎn)流程與硅 烷法生產(chǎn)多晶硅的工藝大體相似， 所不同的是它沉積出來的多晶硅不是棒狀， 而是直徑 僅為$ 1 3mm的硅粒。3、單晶硅的制備根據(jù)單晶硅的使用目的不同，單晶硅的制備工藝也不相同，主要的制備工藝有兩 種：

5、(1) 區(qū)域熔煉法(簡稱區(qū)熔法或 FZ法，F(xiàn)loat Zone )。 這是制備高純度，高阻單晶的方法，區(qū)熔法既可以提純，又可以成晶。它是利用雜質在其固體和液體中分凝系數(shù)的差異，通過在真空下經(jīng)數(shù)次乃至數(shù)十次的區(qū)域熔煉提純，然后成晶而制成。(2) 切克勞斯基法(簡稱直拉法。 CZ法，Czochralski)這是將清洗好的多晶硅塊料(塊徑>5mm以上)裝入石英坩堝再把裝好料的石英坩堝放入直拉單晶爐內(nèi)置的石墨托碗上抽真空一->充氬氣一-> 高頻加熱石墨托碗使石英坩堝內(nèi)的多晶料熔化成液體(需要在1430 C以上)一-> 降下預先置于爐頂部的籽晶一T引晶一T縮頸一T 放肩一T 等徑

6、生長一T收尾等一系列復雜的工藝而制成。五、半導體硅材料的加工這是指由In gotwafer的過程。硅片的加工大體包括：硅棒外徑滾磨、硅切片、倒角、硅磨片、硅拋光等幾個過程1、硅切片 硅切片是將單晶硅錠加工成硅片的過程，通常使用的設備有兩種：內(nèi)圓切片機：一般加工直徑w 6的硅單晶錠。片厚 300 400卩m,刀口厚度在300 350卩m,加工損失在 50%以上。用這種設備加工的硅切片一般有劃道、崩邊、且平整度較差，往往需要研磨后 才可使用。線切割機：一般用于加工直徑6的單晶（如 8、12等），片厚最薄可達 200卩一250卩，刀口厚度W 200卩，加工損失在 40%左右，較內(nèi)圓切割機可多 出 5

7、10%左右的硅片，用這種設備加工的硅切片表面光滑，平整度好，不用經(jīng) 過磨片工序即可投入太陽電池片的生產(chǎn)。但線切割機較為昂貴，單機價格是內(nèi)圓切片的810倍。2、硅磨片一般是雙面磨，用金剛砂作原料，去除厚度在50100卩時大約需要1520分鐘,用磨片的方法可去除硅片表面的劃痕， 污漬和圖形等， 可提高硅片表面平整度。 凡用 內(nèi)圓切片機加工的硅片一般都需要進行研磨。3、硅拋光片這是只有大規(guī)模集成電路工業(yè)才用的硅片，這里不述及。六、半導體硅材料的主要性能參數(shù)1 、 導電類型 這是講半導體內(nèi)部導電是以什麼類型的載流子在載帶電荷。這里我們介紹三種情況： 本征硅 ：習慣上我們把絕對純凈而沒有缺陷的半導體叫作

8、本征半導體。 通常純凈而沒 有缺陷的硅晶體叫作本征硅。N 型硅 ：若在純硅中摻入 V 族元素（如磷、砷等）以后，由于 V 族元素最外層是 5 個 價電子， 當這 5 個價電子中 4 個與硅原子最外層的 4 個價電子形成共價鍵時， 就會有一個 多余的電子脫離出來成為自由電子， 從而就提供了同等數(shù)量的導電電子， 這種能提供自由 電子的雜質統(tǒng)稱為施主雜質（如 P、 AS 等），摻入施主雜質、以電子為多數(shù)載流子的硅叫 N 型硅 。P型硅：如果在純硅中摻入III族元素（如硼）以后，由于硼原子的最外層是3個價電子， 當它進入硅的晶體構成共價鍵時， 就缺少了一個電子， 因而它就有一種從別處奪來 一個電子使自

9、己成為負離子， 并與硅晶體相匹配的趨勢， 因此我們可以認為硼原子是帶有 一個很容易游離于晶體間的空穴。在半導體中，這種具有接受電子的雜質稱為受主雜質。 摻入受主雜質、以空穴為多數(shù)載流子的硅叫作P型硅。2、 晶體結構 自然界中的固體可以分為晶體和非晶體兩大類，晶體是指有固定熔點的固體（如：Si、GaAs、冰及一般的金屬等），而沒有固定熔點，加熱時在某一溫度范圍內(nèi)逐漸軟化的固體 叫作非晶體。 （如：松香、玻璃、橡膠等）（ 1）單晶、多晶和無定形： 晶體又可以分為單晶體、多晶體和無定形體。 現(xiàn)有的晶體都是由原子、 離子或分子在三維空間上有規(guī)則的排列而形成的。 這種對稱 的有規(guī)則排列叫作晶體的點陣或叫

10、晶格。 最小的晶格叫晶胞， 晶胞的各向長度叫晶格常數(shù)。 將晶格周期性的重復排列， 就可以構成整個晶體， 這就是晶體的固有特性， 而非晶體則沒 有這種特征。那種近程有序而遠程無序排列的稱為無定形體。一塊晶體如果從頭至尾都按同一種排列重復下去叫作單晶體，由許多微小單晶顆粒雜亂地排列在一起的稱為多晶體。（ 2）晶格結構：我們對一些主要的晶體進行研究后發(fā)現(xiàn)， 其中的晶胞多不相同， 常見的晶胞有： 簡單 立方結構、 體心立方結構、 面心立方機構、 金剛石結構 （如： Si、 Ge 等），閃鋅礦結構 （如Ill V族化合物半導體多為閃GaAs、Gap、lusb等），一般元素半導體多為金剛石結構， 鋅礦結構

11、。金剛石結構是兩個面心立方結構的晶胞在對角線上滑移1/4距離后形成，而閃鋅礦結構是在金剛石結構中把相鄰兩個Si原子分別換作 Ga和As而形成。簡單立方體心立方面心立方（3）晶面和晶向：晶體中那些位于同一平面內(nèi)的原子形成的平面稱為晶面。晶面的法線方向稱為晶向。 單晶常用的晶向有（100）、（ 111）和（110），晶體在不同的方向上具有不同的性質，這就 是晶體的多向異性。晶向示意圖晶向示意圖（4）晶體中的缺陷：當晶體中的原子周期性重復排列遭到破壞或出現(xiàn)不規(guī)則的地方就形成了缺陷，硅單 晶中常見的缺陷有：點缺陷、線缺陷、面缺陷、孿晶、旋渦、雜質條紋、堆垛層錯、氧 化層錯、滑移線等等。3、電阻率電阻率

12、是半導體材料的一個極其重要的參數(shù)，前面我們已經(jīng)提到電阻率是區(qū)分導體、 絕緣體和半導體的關鍵因素。不同的器件要求不同的電阻率。4、少子壽命微秒是10-6秒)。所謂非平衡載流子是指當半導體中載流子的產(chǎn)生與復合處于平衡狀態(tài)時，由于受某種外界條件的作用，如受到光線照射時而新增加的電子一一空穴對，這部分新增加的載流子叫作非平衡載流子。對于P型硅而言：新增加的電子叫作非平衡少數(shù)載流子；而新增加的空穴叫作非平衡多數(shù)載流子。對于N型硅而言：新增加的空穴叫作非平衡少數(shù)載流子；而新增加的電子叫作非平衡多數(shù)載流子。當光照停止后，這些非平衡載流子并不是立即全部消失，而是逐漸被復合而消失，它們存在的平均時間就叫作非平衡

13、載流子的壽命。非平衡載流子的壽命長短反映了半導體材料的內(nèi)在質量，如晶體結構的完整性、所含 雜質以及缺陷的多少，因為硅晶體的缺陷和雜質往往是非平衡載流子的復合中心。少子壽命是一個重要的參數(shù)，用于高能粒子探測器的FZ硅的電阻率高達上萬Q cm,少子壽命上千微秒；用于 IC工業(yè)的CZ硅的電阻率一般在 5 30Q cm 范圍內(nèi)，少子壽命值多要求在100卩s以上；用于晶體管的 CZ硅的電阻率一般在30 100Q cm，少子壽命也在100卩s以上；而用于太陽能電池 CZ硅片的電 阻率在0.5 6 Q cm,少子壽命應10卩s。5. 氧化量：指硅材料中氧原子的濃度。太陽能電池要求硅中氧含量v 5x 1018

14、原子個數(shù)/cm3。6. 碳含量：指硅材料中碳原子的濃度。太陽能電池要求硅中碳含量v5x 1017原子個數(shù)/cm3。7. 晶體缺陷另外：對于IC用硅片而言還要求檢測：微缺陷種類及其均勻性；電阻率均勻性；氧、碳含量的均勻性；硅片的總厚度變化 TTV ；硅片的局部平整度 LTV等等參數(shù)。七、我公司在采購中常見的幾種硅材料1. Cell:稱為電池片，常常是電池片廠家外銷的產(chǎn)品，它實際是一個單元電池。2. Wafer :這通常指的是硅片，可能是圓片，也可能是方片。圓片包括：硅切片，硅磨片、硅拋光片、圖形片、污漬片、缺損片。3.lngot:常常指的是單晶硅錠，且是圓柱形的硅錠，也有用指多晶硅鑄錠的。4.

15、Polysilicon：通常是指多晶硅料，它又分為棒料、塊料、碎料。5. 碳頭料(goods with carbon):通常指多晶硅棒的下部接近石墨頭的部分6. 橫梁料(beam):通常是指多晶硅棒最上部的橫梁，由于其處在硅棒上部，靠近爐頂部，且過熱(生成溫度超過1100C),也常是金屬雜質較多的部分，常不適合于IC工業(yè)，而作為太陽電池材料。7. 頭尾料(top and tail):這是指拉制單晶錠的頭部和尾部的部分，它由于電阻率范圍不在IC適用范圍內(nèi)，雜質濃度高(如尾料)，或缺陷密度大(如頭部料) 而被切下報廢，但可作太陽電池的原料。8. 堝底料(Pot scrap):這是指CZ單晶拉制結束后殘留于石英堝底部的余料，常用作太陽電池片的原料。9.邊皮料( Side walls)：目前理解方法有兩種， 一種是單晶錠劈成方錠時取下的料， 這應是一種比較好的原料， 可用于回爐再次拉制單晶錠。另一種是澆注硅的大方錠六面劈下的廢料(由于上方有浮渣， 其余五面接觸石英，故需剖下) ，腐濁清洗后才可再用于澆注硅方錠。10. 硅渣：這通常是指在對多晶棒進行破碎加工時，粒徑v2cm的渣料，不可再用作拉單晶使用，但可用于澆注硅，用于太陽能電池工業(yè)。11. 瓜子料(Small pot scrap):這是在清理堝底料時的殘渣，大約有1/3以上是石英碎片