单晶硅的制备学习教案

会计学1单晶硅的制备单晶硅的制备(zhbi)第一页，共54页。单晶硅的主要用途单晶硅的主要用途单晶硅的性质单晶硅的性质(xngzh)单晶硅的生长单晶硅的生长(shngzhng)原理原理单晶硅的制法单晶硅的制法 直拉法（直拉法技术直拉法（直拉法技术(jsh)改进）改进）单晶硅的制备单晶硅的制备主要内容主要内容单晶硅的主要用途单晶硅的主要用途单晶硅的制备单晶硅的制备单晶硅的性质单晶硅的性质单晶硅的主要用途单晶硅的主要用途单晶硅的制备单晶硅的制备单晶硅的生长原理单晶硅的生长原理单晶硅的性质单晶硅的性质单晶硅的主要用途单晶硅的主要用途单晶硅的制备单晶硅的制备单晶硅的制法单晶硅的制法 单晶硅的生长原理单晶硅的生长原理单晶硅的性质单晶硅的性质单晶硅的主要用途单晶硅的主要用途单晶硅的制备单晶硅的制备区溶法区溶法 单晶硅的制法单晶硅的制法 单晶硅的生长原理单晶硅的生长原理单晶硅的性质单晶硅的性质单晶硅的主要用途单晶硅的主要用途单晶硅的制备单晶硅的制备直拉法（直拉法技术改进）直拉法（直拉法技术改进）单晶硅的制法单晶硅的制法 单晶硅的生长原理单晶硅的生长原理单晶硅的性质单晶硅的性质单晶硅的主要用途单晶硅的主要用途单晶硅的制备单晶硅的制备直拉法（直拉法技术改进）直拉法（直拉法技术改进）单晶硅的制法单晶硅的制法 单晶硅的生长原理单晶硅的生长原理单晶硅的性质单晶硅的性质单晶硅的主要用途单晶硅的主要用途单晶硅的制备单晶硅的制备直拉法（直拉法技术改进）直拉法（直拉法技术改进）单晶硅的制法单晶硅的制法 单晶硅的生长原理单晶硅的生长原理单晶硅的性质单晶硅的性质单晶硅的主要用途单晶硅的主要用途单晶硅的制备单晶硅的制备水平区熔法水平区熔法悬浮区熔法悬浮区熔法 外延法外延法第1页/共54页第二页，共54页。单晶硅太阳能电池板单晶硅太阳能电池板太空太空(tikng)中单中单晶硅的应用晶硅的应用处理器处理器AMD第2页/共54页第三页，共54页。 其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。由于太阳其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。由于太阳能具有清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来，太阳能利用技术在研究开能具有清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面发、商业化生产、市场开拓方面(fngmin)都获得了长足发展，成为世界快速都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。、稳定发展的新兴产业之一。 太阳能电池的制作太阳能电池的制作(zhzu)流程流程第3页/共54页第四页，共54页。 熔融的单质硅在凝固时硅原子熔融的单质硅在凝固时硅原子(yunz)以金刚石晶格排列成许多晶核以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。结晶成单晶硅。 单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性。超纯的单晶硅是本征半导体。在超纯升高而增加，有显著的半导电性。超纯的单晶硅是本征半导体。在超纯单晶硅中掺入微量的单晶硅中掺入微量的A族元素，如硼可提高其导电的程度，而形成族元素，如硼可提高其导电的程度，而形成p型型硅半导体；如掺入微量的硅半导体；如掺入微量的A族元素，如磷或砷也可提高导电程度，形成族元素，如磷或砷也可提高导电程度，形成n型硅半导体。型硅半导体。 单晶硅的性质单晶硅的性质(xngzh)晶体晶体(jngt)硅的金刚石结硅的金刚石结构构第4页/共54页第五页，共54页。 单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法（单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法（Czochralski法）或悬浮区熔法从熔体中生长法）或悬浮区熔法从熔体中生长(shngzhng)出棒状单晶硅。单晶硅主要用于制作半导体元件。出棒状单晶硅。单晶硅主要用于制作半导体元件。第5页/共54页第六页，共54页。硅的纯化硅的纯化(chn hu)人工人工(rngng)加热石英砂和碳加热石英砂和碳SiO2 + C Si + CO2冶金冶金(yjn)级硅（反应后级硅（反应后蒸馏纯化三氯硅烷）蒸馏纯化三氯硅烷）Si + 3Hcl SiHcl3 +H2 MGS 98三氯硅烷还原成硅三氯硅烷还原成硅2SiHcl3 +2H2 2 Si + 6Hcl 电子级硅（电子级硅（EGS） 第6页/共54页第七页，共54页。直拉法（cz法）制备(zhbi)单晶硅 直拉法即切克劳斯基法（直拉法即切克劳斯基法（Czochralski简称简称Cz法法) 它是通过电阻加热，将装它是通过电阻加热，将装在石英坩埚中的多晶硅熔在石英坩埚中的多晶硅熔化，并保持略高于硅熔点化，并保持略高于硅熔点的温度，将籽晶浸入熔体的温度，将籽晶浸入熔体，然后以一定速度向上提，然后以一定速度向上提拉籽晶并同时旋转引出拉籽晶并同时旋转引出(yn ch)晶体。晶体。第7页/共54页第八页，共54页。第8页/共54页第九页，共54页。直拉单晶生成(shn chn)示意图第9页/共54页第十页，共54页。直拉单晶生成(shn chn)示意图第10页/共54页第十一页，共54页。第11页/共54页第十二页，共54页。 （）加料(ji lio)：将多晶硅原料及杂质放入石英坩埚内，杂质的种类依电阻的或型而定。杂质种类有硼、磷、锑、砷，目前国内太阳能行业仅掺硼形成P型半导体。 第12页/共54页第十三页，共54页。 （）熔化：加完多晶硅原料于石英(shyng)埚内后，长晶炉必须关闭并抽成真空后充入高纯氩气使之维持一定压力范围内，然后打开加热电源，加热至熔化温度（）以上，将多晶硅原料熔化。 第13页/共54页第十四页，共54页。 （）引晶生长：当硅熔体的温度(wnd)稳定之后，将籽晶慢慢浸入硅熔体中引晶生长是将籽晶快速向上提升，使长出的籽晶的直径缩小到一定大小（）由于位错线与生长轴成一个交角，只要缩颈够长，位错便能排出晶体表面，产生低位错的晶体。 第14页/共54页第十五页，共54页。（）放肩生长：长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径(zhjng)渐渐增大到所需的大小。 第15页/共54页第十六页，共54页。（）等径生长：长完细颈和肩部之后，借着拉速与温度的不断(bdun)调整，可使晶棒直径维持在正负之间，这段直径固定的部分即称为等径部分。单晶硅片取自于等径部分。 第16页/共54页第十七页，共54页。（）尾部生长：在生长完等径部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么热应力将使得(sh de)晶棒出现位错与滑移线。于是为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一尖点而与液面分开。这一过程称之为尾部生长。 第17页/共54页第十八页，共54页。(1)熔料。将坩埚内多晶料全部熔化；熔料。将坩埚内多晶料全部熔化；(2)引晶。将籽晶放下经烘烤后，使之接触熔体，籽晶向上提拉，控制温度使引晶。将籽晶放下经烘烤后，使之接触熔体，籽晶向上提拉，控制温度使熔体在籽晶上结晶；熔体在籽晶上结晶；(3)缩颈。目的在于减少或消除位错，获得缩颈。目的在于减少或消除位错，获得(hud)无位错单晶。无位错单晶。(4)放肩。使单晶长大到所需要的直径尺寸。放肩。使单晶长大到所需要的直径尺寸。(5)等径。单晶保持圆柱形生长。等径。单晶保持圆柱形生长。(6)收尾。将单晶直径逐渐缩小，最后呈锥形，以避免位错反延伸。收尾。将单晶直径逐渐缩小，最后呈锥形，以避免位错反延伸。直拉法生长单晶硅的制备直拉法生长单晶硅的制备(zhbi)步骤步骤第18页/共54页第十九页，共54页。第19页/共54页第二十页，共54页。1电极；电极；2硅熔体；硅熔体；3等径生长；等径生长；4观察观察(gunch)孔孔；5放肩；放肩；6缩颈；缩颈；7图像传感器；图像传感器；8卷轴旋转系统；卷轴旋转系统；9提拉绳；提拉绳；10真空泵；真空泵；11光学系统；光学系统；12石英坩埚石英坩埚(gngu)；13石墨支撑基座石墨支撑基座与旋转器；与旋转器；14石墨发热体；石墨发热体；15隔热层隔热层 长晶炉剖视图长晶炉剖视图第20页/共54页第二十一页，共54页。石墨石墨(shm)热场热场石墨石墨(shm)加加热热器器第21页/共54页第二十二页，共54页。第22页/共54页第二十三页，共54页。第23页/共54页第二十四页，共54页。直拉法的基本直拉法的基本(jbn)特点特点第24页/共54页第二十五页，共54页。直拉法几个(j )基本问题 最大生长速度熔体中的对流 生长界面形状（固液界面）生长过程(guchng)中各阶段生长条件的差异第25页/共54页第二十六页，共54页。 最大生长速度 晶体生长最大速度与晶体中的纵向温度梯度、晶体的热导率、晶体密度等有关。提高晶体中的温度梯度，可以提高晶体生长速度；但温度梯度太大，将在晶体中产生较大的热应力，会导致位错等晶体缺陷的形成，甚至(shnzh)会使晶体产生裂纹。为了降低位错密度，晶体实际生长速度往往低于最大生长速度。 第26页/共54页第二十七页，共54页。熔体中的对流 相互相反旋转的晶体（顺时针）和坩埚所产生的强制对流是由离心力和向心力、最终由熔体表面张力梯度所驱动的。所生长的晶体的直径越大（坩锅越大），对流就越强烈，会造成(zo chn)熔体中温度波动和晶体局部回熔，从而导致晶体中的杂质分布不均匀等。 实际生产中，晶体的转动速度一般比坩锅快1-3倍，晶体和坩锅彼此的相互反向运动导致熔体中心区与外围区发生相对运动，有利于在固液界面下方形成一个相对稳定的区域，有利于晶体稳定生长。 第27页/共54页第二十八页，共54页。 生长界面形状（固液界面） 固液界面形状对单晶均匀性、完整性有重要影响，正常情况下，固液界面的宏观形状应该与热场所确定的熔体等温面相吻合。在引晶、放肩阶段，固液界面凸向熔体，单晶等径生长后，界面先变平后再凹向熔体。通过调整拉晶速度，晶体转动和坩埚(gngu)转动速度就可以调整固液界面形状。 第28页/共54页第二十九页，共54页。生长过程中各阶段生长条件的差异 直拉法的引晶阶段的熔体高度最高，裸露坩埚壁的高度最小，在晶体生长过程直到收尾阶段，裸露坩埚壁的高度不断增大，这样造成生长条件不断变化（熔体的对流、热传输、固液界面形状(xngzhun)等），即整个晶锭从头到尾经历不同的热历史：头部受热时间最长，尾部最短，这样会造成晶体轴向、径向杂质分布不均匀。 第29页/共54页第三十页，共54页。第30页/共54页第三十一页，共54页。 半导体晶体生长方法之一，简称半导体晶体生长方法之一，简称MCZ法，是在直法，是在直拉法拉法(CZ法法)单晶生长的基础单晶生长的基础(jch)上对坩埚内的熔体上对坩埚内的熔体施加施加-强磁场，使熔体的热对流受到抑制。因而除磁体强磁场，使熔体的热对流受到抑制。因而除磁体外，主体设备如单晶炉等并无大的差别。外，主体设备如单晶炉等并无大的差别。磁控直拉技术(jsh) 第31页/共54页第三十二页，共54页。NdFeB永磁体结构(jigu)示意图 第32页/共54页第三十三页，共54页。 磁控直拉技术主要用于制造电荷耦合（磁控直拉技术主要用于制造电荷耦合（CCD）器件和一些器件和一些(yxi)功率器件的硅单晶。也可用于功率器件的硅单晶。也可用于GaAs、GaSb等化合物半导体单晶的生长。等化合物半导体单晶的生长。第33页/共54页第三十四页，共54页。第34页/共54页第三十五页，共54页。 2. 连续加料直拉生长技术：连续加料直拉生长技术：除了具有除了具有(jyu)重新装料的重新装料的优点外，还可保持整个生长优点外，还可保持整个生长过程中熔体的体积恒定，提过程中熔体的体积恒定，提高基本稳定的生长条件，因高基本稳定的生长条件，因而可得到电阻率纵向分布均而可得到电阻率纵向分布均匀的单晶。匀的单晶。连续加料直拉生长技术连续加料直拉生长技术有两种加料法：连续固体送有两种加料法：连续固体送料和连续液体送料法。料和连续液体送料法。第35页/共54页第三十六页，共54页。 液体覆盖直拉技术 对直拉法的一个重大改进(gijn)，用此法可以制备多种含有挥发性组元的化合物半导体单晶。 主要原理：用一种惰性液体（覆盖剂）覆盖被拉制材料的熔体，在晶体生长室内充入惰性气体，使其压力大于熔体的分解压力，以抑制熔体中挥发性组元的蒸发损失主要原理：用一种惰性液体（覆盖剂）覆盖被拉制材料的熔体，在晶体生长室内充入惰性气体，使其压力大于熔体的分解压力，以抑制熔体中挥发性组元的蒸发损失(snsh)，这样就可按通常的直拉技术进行单晶生长。，这样就可按通常的直拉技术进行单晶生长。 第36页/共54页第三十七页，共54页。区熔法（区熔法（FZ）生长）生长(shngzhng)单晶硅单晶硅区域熔炼是一个简单的物理过程，指根据液体(yt)混合物在冷凝结晶过程中组分重新分布（称为偏析）的原理，通过多次熔融和凝固，制备高纯度的（可达99.999 ）金属、半导体材料和有机化合物的一种提纯方法，属于热质传递过程。第37页/共54页第三十八页，共54页。第38页/共54页第三十九页，共54页。第39页/共54页第四十页，共54页。水平(shupng)区熔法 水平区熔法主要用于材料的物理水平区熔法主要用于材料的物理(wl)提纯，也用来生长单晶体，其装置图提纯，也用来生长单晶体，其装置图如下图所示。水平区熔法是将材料置于水平舟内，通过加热器加热。先在舟如下图所示。水平区熔法是将材料置于水平舟内，通过加热器加热。先在舟端放置籽晶，并使其与多晶材料间产生熔区，然后以一定的速度移动熔区，端放置籽晶，并使其与多晶材料间产生熔区，然后以一定的速度移动熔区，使熔区从一端移至另一端，使多晶材料变为单晶体。使熔区从一端移至另一端，使多晶材料变为单晶体。随着熔融区向前移动随着熔融区向前移动(ydng)，杂质也随着移动，杂质也随着移动(ydng)，最后富集于棒的，最后富集于棒的一端，予以切除。一端，予以切除。第40页/共54页第四十一页，共54页。第41页/共54页第四十二页，共54页。第42页/共54页第四十三页，共54页。 在悬浮在悬浮(xunf)区熔法区熔法中，使圆柱形硅棒固定于中，使圆柱形硅棒固定于垂直方向，用高频感应线垂直方向，用高频感应线圈在氩气气氛中加热，形圈在氩气气氛中加热，形成一成一个尖端状的熔区，然后该个尖端状的熔区，然后该熔区与特定晶向的籽晶接熔区与特定晶向的籽晶接触，这个过程就是引晶。触，这个过程就是引晶。这两个棒朝相反方向旋转这两个棒朝相反方向旋转。然后将在多晶棒与籽晶。然后将在多晶棒与籽晶间只靠表面张力形成的熔间只靠表面张力形成的熔区沿棒长逐步向上移动，区沿棒长逐步向上移动，将其转换成单晶。将其转换成单晶。第43页/共54页第四十四页，共54页。第44页/共54页第四十五页，共54页。缩颈(su jn)工艺示意图在引晶的过程中，由于热冲击，会在新形成的单晶中产生位错。显然位错不加以排除，将会在继续生长的单晶中产生更多的错位，最后无法形成无位错单晶。为了消除位错，提出了一种(y zhn)缩颈工艺，即在形成一段籽晶之后，缩小晶体的直径23mm，继续生长20mm 左右，即可把位错完全排除到籽晶的外表面接着再生长一段无位错的细晶后，放肩至目标尺寸进入等径生长第45页/共54页第四十六页，共54页。1.不使用坩埚，单晶生长过程不会被坩埚材料污染不使用坩埚，单晶生长过程不会被坩埚材料污染2.由于由于(yuy)杂质分凝和蒸发效应，可以生长出高电阻杂质分凝和蒸发效应，可以生长出高电阻率率 硅单晶。硅单晶。第46页/共54页第四十七页，共54页。第47页/共54页第四十八页，共54页。第48页/共54页第四十九页，共54页。外延外延(wiyn)法生长单晶硅薄膜法生长单晶硅薄膜 外延是指在一定外延是指在一定(ydng)条件下，通过一定条件下，通过一定(ydng)方法获得所需原子，并使这些原方法获得所需原子，并使这些原子有规则地排列在衬底上，通过排列时控制有关工艺条件，形成具有一定子有规则地排列在衬底上，通过排列时控制有关工艺条件，形成具有一定(ydng)的的导电类型、电阻率及厚度的新单晶层的过程。导电类型、电阻率及厚度的新单晶层的过程。 外延生长法能生长出和单晶衬底原子排列同样的单晶薄膜。在双极型集成电路中，外延生长法能生长出和单晶衬底原子排列同样的单晶薄膜。在双极型集成电路中，为了将衬底和器件区域隔离，即进行电绝缘，在为了将衬底和器件区域隔离，即进行电绝缘，在P型衬底上外延生长型衬底上外延生长N型单晶硅层。型单晶硅层。 外延(wiyn)反应器第49页/共54页第五十页，共54页。第50页/共54页第五十一页，共54页。第51页/共54页第五十二页，共54页。参考文献参考文献1 2 3王秀峰，伍媛婷王秀峰，伍媛婷. 微电子材料与器件微电子材料与器件(qjin)制备技术制备技术.北京：化北京：化 学工业学工业出版社，出版社，2008.蒋娜蒋娜,袁小武袁小武,张才勇张才勇.单晶硅生长技术单晶硅生长技术(jsh)研究新进展研究新进展J太阳能，太阳能，2010,(02).张文毓张文毓.单晶硅产业技术经济综合分析单晶硅产业技术经济综合分析(fnx) J新材料新材料产业，产业，2010,(06).第52页/共54页第五十三页，共54页。Bye第53页/共54页第五十四页，共54页。