03-第三章 晶体硅材料

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1、§3.1硅的基本性质第三章晶体硅材料硅材料是半导体行业中最重要且应用最广的元素半导§3.1硅的基本性质体，是微电子工业和太阳能光伏工业的基础材料。它既具有元素含量含量丰富、化学稳定性好、无环境§3.2太阳电池用硅材料污染等优点，又具有良好的半导体特性。§3.3单晶硅的制备硅材料有多种晶体形式，包括单晶硅、多晶硅和非晶硅，应用于太阳电池工业领域的硅材料包括直拉单晶硅、§3.4高纯多晶硅的制备薄膜非晶硅、铸造多晶硅、带状多晶硅和薄膜多晶硅，他们有各自的优缺点，其中直拉单晶硅和铸造多晶硅应用最§3.5硅晶片加工为广泛，占太阳能

2、光电材料的90%左右。1-11-2硅是地壳中最丰富的元素之一，仅次于氧，在地壳中的丰度到达26%左右，硅在常温下其化学性质是稳定的，是具有灰色金属光泽的固体，不溶于单一的酸，易溶于某些混合酸和混合碱，在高温下很容易与氧等化学物质反应。所以自然界中没有游离的单质硅存在，一般以氧化物存在，是常用硅酸盐的主要元素。硅在元素周期表中属于IV元素，晶体硅在常压下为天然石英（SiO2）金刚石结构，熔点为1414℃。硅材料还具有一些特殊的物理化学性能，如硅材料熔化时体积缩小，固化时体积增大。硅材料的硬度大，但脆性大，易破碎；作为脆性材

3、料，硅材料的抗拉应力远远大于抗剪切应力，在室温下没有延展性；在热处理温度大于750℃时，硅材料由脆性材料转变为塑性材料，在外加应力的作用下，产生滑晶体硅移位错，形成塑性变形。单晶硅1-31-4§3.1.1半导体特性硅具有良好的半导体性质，其本征载流子浓度为1.5×1010个/cm3，本征电阻率为1.5×1010Ω·cm，电子迁移率为1350cm2/(V·s)，空穴迁移率为480cm2/(V·s)。①在纯净的硅中适当地掺入一定种类的极微量的杂质，半导体的导电性能就会成百万倍的增加—这是半导体最显著、最突出的特性。②当环境温

4、度升高一些时，硅的导电能力就显著地增加；当环境温度下降一些时，硅的导电能力就显著的下降—这种特性称为“热敏”。③当有光线照射在硅上时，这些硅就像导体一样，导电能力很强；当没有光照射时，这些硅就像绝缘体一样不导1-5电，这种特性特性称为“光敏”。1-61§3.1.2电学特性3.1.3化学性质作为半导体，硅材料具有典型的半导体材料的电学性质：在室温下，硅的化学性质比较稳定，与空气、水和酸均①电阻率特性无反应，但与强酸、强碱作用。硅极易被HNO3–HF的混合酸硅材料的电阻率在10-5-1010Ω·cm之间，介于导体和半导体所溶

5、解，因此，在硅片加工及集成电路器件工艺中，HNO–3之间，高纯未掺杂的无缺陷的晶体硅材料称为本征硅，电阻率HF混合酸常常用作硅的腐蚀液。在高温下，硅与锗的化学活在106Ω·cm以上。硅材料的导电性还受到光、电、磁、热、温性大，可与氧、卤素、卤化氢、碳等反应。度等环境温度因素的明显影响。硅与卤素或卤化氢作用可生成相应的卤化物。生成的②p-n结特性n型半导体和p型半导体材料相连，组成p-n结，这就是所SiCl4可作为硅外延生产的原料，生成的SiHCl3是高纯硅化学有硅半导体器件的基本构造，也是太阳电池的基本结构，具有提纯的中

6、间产物。单向导电性等性质。③光电特性与其它半导体材料一样，硅材料组成的p-n结在光的照射下能产生电流，如太阳电池。1-71-8硅在高温下可与H2O、O2发生如下反应，硅平面工艺3.1.4热学性质和机械性质中，常用此反应制备SiO2掩蔽膜。硅是具有明显的热膨胀及热传导性质的材料，当硅在熔化时其体积会缩小，反之，当硅从液态凝固时其体积会膨胀，正因如此，在采用直拉法（CZ法）技术生长晶体过程中，在收尾结束后，剩余的硅熔体冷却凝固时会导致石英坩埚破裂现象。由于硅具有较大的表面张力和较小的密度（液态时为硅烷的活性很高，在空气中自燃

7、，固态硅烷与液氧混2.533g/cm3），据此特性可采用悬浮区熔技术生长晶体，此法合，在-190℃低温下也易发生爆炸，因其危险性，使用受到既可避免石英坩埚对硅的玷污，又可进行多次区熔提纯及制备限制。低氧高纯的区熔硅单晶。在室温时，硅是一种无延展性的脆性材料。但在温度高于700-800℃时，硅却具有明显的热塑性，在应力的作用下会呈现硅烷由于4个键都是Si-H键，很不稳定，易热分解。用这塑性变形。硅的抗拉应力远远大于抗剪应力，故在硅片的加工一特性可制取高纯硅。过程中会产生弯曲和翘曲，也极容易产生裂纹或破碎。1-91-103.

8、1.5晶体结构硅原子的电子结构为1s22s22p63s23p2，经过杂化，硅原子形成4个等同的杂化轨道，每个轨道有一个未配对的电子，如硅晶体的金刚石结构图所示，所以杂化轨道的对称轴恰好指向正四面体的顶角。硅原子序数分别为14，核外电子分布为：Si—1S22S22P63S23P2每个硅原子外层的4个未配对的电子，分别与