半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識(shí)

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

2、體2、化合物半導(dǎo)體3、有機(jī)半導(dǎo)體4、無定形半導(dǎo)體迄今為止， 工藝最為成熟、 應(yīng)用最為廣泛的是前兩類半導(dǎo)體材料， 尤其是半導(dǎo)體硅 材料，占整個(gè)半導(dǎo)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(dǎo)體材料。 它的實(shí)驗(yàn)室純度可接近本征硅， 即 12 個(gè)“九”，即使是大工業(yè) 生產(chǎn)也可以到 7 9 個(gè)“九”的純度。四、半導(dǎo)體硅材料的制備1、冶金級(jí)硅(工業(yè)硅)的制備 冶金級(jí)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(jìn)行還原而制成。其反應(yīng)式是：SQ2+2C t Si+2C0普通冶金級(jí)硅的純度大約是 23個(gè)“九”。目前市面上也有號(hào)稱 45個(gè)“九”

3、純 度的冶金級(jí)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(dǎo)體級(jí)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(guó)的Harmlock、日本的TOKUYAMA、三菱公司、德國(guó)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(yàn)上，新建設(shè)一座多晶硅廠需要30 36個(gè)月時(shí)

4、間，而老廠擴(kuò)建生產(chǎn)線也需要大約1418個(gè)月時(shí)間，新建一座千噸級(jí)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(guó)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(guó)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(jiǎn)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(zhì)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(jiǎn)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(yù)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(zhǎng)一T收尾等一系列復(fù)雜的工藝而制成。五、半導(dǎo)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(gè)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(shè)備有兩種：內(nèi)圓切片機(jī)：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(shè)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(jī)：一般用于加工直徑6的單晶（如 8、12等），片厚最薄可達(dá) 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(jī)可多 出 5

7、10%左右的硅片，用這種設(shè)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(yáng)電池片的生產(chǎn)。但線切割機(jī)較為昂貴，單機(jī)價(jià)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(shí)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(jī)加工的硅片一般都需要進(jìn)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(dǎo)體硅材料的主要性能參數(shù)1 、 導(dǎo)電類型 這是講半導(dǎo)體內(nèi)部導(dǎo)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(xí)慣上我們把絕對(duì)純凈而沒有缺陷的半導(dǎo)體叫作

8、本征半導(dǎo)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(gè) 價(jià)電子， 當(dāng)這 5 個(gè)價(jià)電子中 4 個(gè)與硅原子最外層的 4 個(gè)價(jià)電子形成共價(jià)鍵時(shí)， 就會(huì)有一個(gè) 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(dǎo)電電子， 這種能提供自由 電子的雜質(zhì)統(tǒng)稱為施主雜質(zhì)（如 P、 AS 等），摻入施主雜質(zhì)、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(gè)價(jià)電子， 當(dāng)它進(jìn)入硅的晶體構(gòu)成共價(jià)鍵時(shí)， 就缺少了一個(gè)電子， 因而它就有一種從別處奪來 一個(gè)電子使自

9、己成為負(fù)離子， 并與硅晶體相匹配的趨勢(shì)， 因此我們可以認(rèn)為硼原子是帶有 一個(gè)很容易游離于晶體間的空穴。在半導(dǎo)體中，這種具有接受電子的雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。 摻入受主雜質(zhì)、以空穴為多數(shù)載流子的硅叫作P型硅。2、 晶體結(jié)構(gòu) 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(diǎn)的固體（如：Si、GaAs、冰及一般的金屬等），而沒有固定熔點(diǎn)，加熱時(shí)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(duì)稱 的有規(guī)則排列叫作晶體的點(diǎn)陣或叫

10、晶格。 最小的晶格叫晶胞， 晶胞的各向長(zhǎng)度叫晶格常數(shù)。 將晶格周期性的重復(fù)排列， 就可以構(gòu)成整個(gè)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(yuǎn)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(fù)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(jié)構(gòu)：我們對(duì)一些主要的晶體進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)， 其中的晶胞多不相同， 常見的晶胞有： 簡(jiǎn)單 立方結(jié)構(gòu)、 體心立方結(jié)構(gòu)、 面心立方機(jī)構(gòu)、 金剛石結(jié)構(gòu) （如： Si、 Ge 等），閃鋅礦結(jié)構(gòu) （如Ill V族化合物半導(dǎo)體多為閃GaAs、Gap、lusb等），一般元素半導(dǎo)體多為金剛石結(jié)構(gòu)， 鋅礦結(jié)構(gòu)

11、。金剛石結(jié)構(gòu)是兩個(gè)面心立方結(jié)構(gòu)的晶胞在對(duì)角線上滑移1/4距離后形成，而閃鋅礦結(jié)構(gòu)是在金剛石結(jié)構(gòu)中把相鄰兩個(gè)Si原子分別換作 Ga和As而形成。簡(jiǎn)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(zhì)，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(dāng)晶體中的原子周期性重復(fù)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(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷、孿晶、旋渦、雜質(zhì)條紋、堆垛層錯(cuò)、氧 化層錯(cuò)、滑移線等等。3、電阻率電阻率

12、是半導(dǎo)體材料的一個(gè)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(dǎo)體、 絕緣體和半導(dǎo)體的關(guān)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(dāng)半導(dǎo)體中載流子的產(chǎn)生與復(fù)合處于平衡狀態(tài)時(shí)，由于受某種外界條件的作用，如受到光線照射時(shí)而新增加的電子一一空穴對(duì)，這部分新增加的載流子叫作非平衡載流子。對(duì)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(duì)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(dāng)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(fù)合而消失，它們存在的平均時(shí)間就叫作非平衡

13、載流子的壽命。非平衡載流子的壽命長(zhǎng)短反映了半導(dǎo)體材料的內(nèi)在質(zhì)量，如晶體結(jié)構(gòu)的完整性、所含 雜質(zhì)以及缺陷的多少，因?yàn)楣杈w的缺陷和雜質(zhì)往往是非平衡載流子的復(fù)合中心。少子壽命是一個(gè)重要的參數(shù)，用于高能粒子探測(cè)器的FZ硅的電阻率高達(dá)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(yáng)能電池 CZ硅片的電 阻率在0.5 6 Q cm,少子壽命應(yīng)10卩s。5. 氧化量：指硅材料中氧原子的濃度。太陽(yáng)能電池要求硅中氧含量v 5x 1018

14、原子個(gè)數(shù)/cm3。6. 碳含量：指硅材料中碳原子的濃度。太陽(yáng)能電池要求硅中碳含量v5x 1017原子個(gè)數(shù)/cm3。7. 晶體缺陷另外：對(duì)于IC用硅片而言還要求檢測(cè)：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(gòu)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(shí)際是一個(gè)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(zhì)較多的部分，常不適合于IC工業(yè)，而作為太陽(yáng)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(zhì)濃度高(如尾料)，或缺陷密度大(如頭部料) 而被切下報(bào)廢，但可作太陽(yáng)電池的原料。8. 堝底料(Pot scrap):這是指CZ單晶拉制結(jié)束后殘留于石英堝底部的余料，常用作太陽(yáng)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(shí)取下的料， 這應(yīng)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(duì)多晶棒進(jìn)行破碎加工時(shí)，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(yáng)能電池工業(yè)。11. 瓜子料(Small pot scrap):這是在清理堝底料時(shí)的殘?jiān)?，大約有1/3以上是石英碎片