硅單晶的制備課件

1、硅單晶體的制備桂林電子科技大學職業(yè)技術(shù)學院一、多晶硅的制備 多晶硅是硅的多晶體，與硅單晶體的顯著區(qū)別在于部分晶格原子的無序排列；但多晶硅是制備單晶硅的原始材料。 高純硅的制備通常首先由硅石（二氧化硅）制得工業(yè)硅（粗硅純度低、雜質(zhì)多），再制成高純多晶硅，經(jīng)拉制得到半導體材料單晶硅，或稱硅單晶。 多晶硅制備方法原理還原與分解常見的多晶硅制備方法主要有三種： 四氯化硅氫還原法 三氯氫硅氫還原法 硅烷熱分解法多晶硅制備原理與方法四氯化硅氫還原法第一步：四氯化硅制備第二步：四氯化硅提純1、精餾法分餾 四氯化硅溶液中各化合組分沸點不同，選取適當?shù)臏囟瓤梢詫⑵浞蛛x。四氯化硅氫還原法2、吸附法固體吸附法 利用

2、分子極性進行分離，判斷化學鍵的極性與分子的極性。判斷：CCl4 、H2 、H2O2 四氯化硅為非極性分子，三氯化磷為極性分子，選擇一種吸附劑，能對極性分子有吸附力，對非極性分子沒有吸附力。四氯化硅氫還原法活性氧化鋁：極性吸附劑同性相吸，異性相斥嚴格控制加熱速率，于773K加熱制成多孔結(jié)構(gòu)的活性物質(zhì) 吸附純化后，四氯化硅純度可達6至9個“9”，既99.9999%，可用來制備多晶硅。第三步：四氯化硅還原制得多晶硅三氯氫硅氫還原法第一步：三氯氫硅制備三氯化硅由干燥的氯化氫與硅粉反應(yīng)得到：第二步：三氯氫硅的提純與四氯化硅相類似 思考：能否吸附法提純？第三步：三氯氫硅還原制備多晶硅硅烷熱分解法硅烷由硅化

3、鎂和氯化銨反應(yīng)制得：一、硅烷制備二、硅烷提純方法：減壓精餾、吸附等三、硅烷高溫分解多晶硅制備工藝流程多晶硅的提純 上述方法制備的多晶硅濃度總體不高，在進入單晶硅制備設(shè)備之前還需進行多晶硅的純化處理。方法：區(qū)域提純法區(qū)熔法：分凝現(xiàn)象 分凝現(xiàn)象：含有雜質(zhì)的材料，經(jīng)熔化后再緩慢凝固時，固體中各部分雜質(zhì)濃度不相同，原來雜質(zhì)分布均勻的材料，經(jīng)熔化和凝固后，雜質(zhì)分布不再均勻，有些地方雜質(zhì)多，有些地方雜質(zhì)少，則實現(xiàn)了雜質(zhì)分離。雜質(zhì)分凝程度可用分凝系數(shù)K來表達：當K大于1時，固相雜質(zhì)濃度大于液相雜質(zhì)濃度， 沿錠長方向逐段凝固時雜質(zhì)將留在頭部-固相端；當K小于1時，固相雜質(zhì)濃度小于液相雜質(zhì)濃度， 沿錠長方向逐段

4、凝固時雜質(zhì)將留在尾部-液相端；多晶硅的提純多晶硅的提純質(zhì)量檢驗：符合標準規(guī)定的單晶拉制材料質(zhì)量檢驗內(nèi)容：【表面有無氧化：有氧化時色澤變暗】【測定多晶硅純度：6至9個“9”以上可用來制備單晶硅】二、單晶硅的制備硅石粗硅高純多晶硅單晶硅（成核+生長） 制備原理：類似于“結(jié)冰”現(xiàn)象，當熔融體溫度降低到某一溫度時，許多細小晶粒在熔體中出現(xiàn)，然后逐漸長大，構(gòu)成晶體材料結(jié)晶條件：1、溫度降低到結(jié)晶溫度以下“過冷” 2、必須有結(jié)晶中心（籽晶） 晶體性質(zhì)：熔點溫度以上時，液態(tài)自由能低于固態(tài)；熔點溫度以下時，固態(tài)自由能低于液態(tài)。 過冷狀態(tài)熔融態(tài)多晶硅，固態(tài)自由能低，一旦存在籽晶，就會沿著結(jié)晶中心結(jié)晶固化。若存在

5、多種結(jié)晶中心，則會產(chǎn)生多晶體。單晶硅制備控制重點：良好籽晶的選擇二、單晶硅的制備單晶硅的制備方法當前制備單晶硅兩種主要方法： 直拉（拉晶）法（Czochralski Method） 懸浮區(qū)熔法（Float Zone Method） 兩方法制備的單晶硅具有不同特性和器件應(yīng)用領(lǐng)域，區(qū)熔法制備單晶硅主要應(yīng)用于大功率電器領(lǐng)域； 直拉法主要應(yīng)用于微電子集成電路和太陽能電池方面，是單晶硅制備的主體技術(shù)。單晶拉制生長設(shè)備設(shè)備構(gòu)成主體設(shè)備：單晶爐爐體機械傳動系統(tǒng)加熱溫控系統(tǒng)真空或惰性氣體輸送系統(tǒng)單晶爐基本原理： 多晶硅原料被裝在一個坩堝內(nèi)，坩堝上方有一可旋轉(zhuǎn)和升降的籽晶桿，桿下端有一個夾頭，用于夾住籽晶。原料

6、被加熱器熔化后，將籽晶放入熔體內(nèi)，控制合適的溫度，使之達到飽和溫度，邊旋轉(zhuǎn)邊提拉，即可獲得所需硅單晶。直拉法直拉法具體操作方法具體操作步驟如下：1、清潔處理 對爐腔、坩堝、籽晶、多晶硅料和摻雜合金材料進行嚴格清潔； 清潔處理完畢后用高純?nèi)ルx子水沖洗至中性后烘干備用；2、裝爐 將粉碎后硅料裝入石英坩堝內(nèi)，把帶摻雜合金分別裝入坩堝和摻雜勺內(nèi)，隨后把清潔好的籽晶安裝到籽晶軸夾頭上，蓋好籽晶罩；3、加熱熔化 加熱前打開爐腔內(nèi)冷卻水，當真空度或惰性氣體含量達到要求時開始加熱； 合理控制加熱速度，防止出現(xiàn)“搭橋”和“跳硅”現(xiàn)象； 待硅料全部熔化后，選擇合適籽晶溫度，準備下種拉晶。4、拉晶 1）下種：下降籽晶使之與熔融硅液面接觸進行引晶； 2）縮頸：略微升溫，起拉進行縮頸（或收頸）； 3）放肩：略微降溫、降速，讓晶體逐漸長大