半导体硅材料基础知识.1

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1、半导体硅材料基础知识讲座培训大纲一、什么是半导体？1、导体（Conductor）导体是指很容易传导电流的物质2、绝缘体（Insolator）是指极不容易或根本不导电的一类物质3、半导体（Semiconductor）导电性能介于导体和绝缘体之间且具备半导体的基本特性的一类材料。二、半导体硅材料的电性能特点硅材料的电性能有以下三个显著特点：一是它对温度的变化十分灵敏；二是微量杂质的存在对电阻率的影响十分显著；三是半导体材料的电阻率在受光照时会改变其数值的大小。综上所述，半导体的电阻率数值对温度、杂质和光照三个外部条件变化有较高的敏感性。三

2、、半导体材料的分类1、元素半导体2、化合物半导体3、有机半导体4、无定形半导体迄今为止，工艺最为成熟、应用最为广泛的是前两类半导体材料，尤其是半导体硅材料，占整个半导体材料用量的90%以上。硅材料是世界新材料中工艺最为成熟、使用量最大的半导体材料。它的实验室纯度可接近本征硅，即12个“九”，即使是大工业生产也可以到7—9个“九”的纯度。四、半导体硅材料的制备1、冶金级硅（工业硅）的制备冶金级硅是将比较纯净的SiO2矿石和木炭或石油焦一起放入电弧炉里,在电孤加热的情况下进行还原而制成。其反应式是：SiO2+2C→Si+2CO普通冶金级硅

3、的纯度大约是2～3个“九”。目前市面上也有号称4～5个“九”纯度的冶金级硅，那是通过多次“冶金法”或称为“物理法”提纯后获得的。2、多晶硅的制备目前全世界多晶硅的生产方法大体有三种：一是改良的西门子法；二是硅烷法；三是粒状硅法。6（1）改良的西门子法生产半导体级多晶硅：这是目前全球大多数多晶硅生产企业采用的方法，知名的企业有美国的Harmlock、日本的TOKUYAMA、三菱公司、德国的瓦克公司以及乌克兰和MEMC意大利的多晶硅厂。全球80％以上的多晶硅是用此法生产的。其工艺流程是：原料硅破碎筛分（80目）沸腾氯化制成液态的SiHCl

4、3粗馏提纯精馏提纯氢还原棒状多晶硅破碎洁净分装。经验上，新建设一座多晶硅厂需要30—36个月时间，而老厂扩建生产线也需要大约14—18个月时间，新建一座千吨级的多晶硅厂大约需要10—12亿元人民币，也就是说每吨的投资在100万元人民币以上。（2）硅烷法生产多晶硅用硅烷法生产多晶硅的工厂仅有日本的小松和美国的ASMY两家公司，其工艺流程是：原料破碎筛分硅烷生成沉积多晶硅棒状多晶破碎、包装（3）粒状多晶硅全球用此法生产多晶硅的仅有美国休斯顿的PASADENA工厂，它的生产流程与硅烷法生产多晶硅的工艺大体相似，所不同的是它沉积出来的多晶硅不

5、是棒状，而是直径仅为φ1—3mm的硅粒。1、单晶硅的制备根据单晶硅的使用目的不同，单晶硅的制备工艺也不相同，主要的制备工艺有两种：（1）区域熔炼法（简称区熔法或FZ法，FloatZone）。这是制备高纯度，高阻单晶的方法，区熔法既可以提纯，又可以成晶。它是利用杂质在其固体和液体中分凝系数的差异，通过在真空下经数次乃至数十次的区域熔炼提纯，然后成晶而制成。（2）切克劳斯基法（简称直拉法。CZ法，Czochralski）这是将清洗好的多晶硅块料（块径＞5mm以上）装入石英坩埚再把装好料的石英坩埚放入直拉单晶炉内置的石墨托碗上－→抽真空—→

6、充氩气—→高频加热石墨托碗使石英坩埚内的多晶料熔化成液体（需要在1430℃以上）—→降下预先置于炉顶部的籽晶－→引晶－→缩颈－→放肩－→等径生长－→收尾等一系列复杂的工艺而制成。二、半导体硅材料的加工这是指由Ingot－→wafer的过程。硅片的加工大体包括：硅棒外径滚磨、硅切片、倒角、硅磨片、硅抛光等几个过程1、硅切片硅切片是将单晶硅锭加工成硅片的过程，通常使用的设备有两种：²内圆切片机：一般加工直径≤6″的硅单晶锭。片厚300—400μm，刀口厚度在300—350μm，加工损失在50%以上。用这种设备加工的硅切片一般有划道、崩边、

7、且平整度较差，往往需要研磨后才可使用。6²线切割机：一般用于加工直径≥6″的单晶（如8″、12″等）,片厚最薄可达200μ—250μ，刀口厚度≤200μ，加工损失在40%左右，较内圆切割机可多出5~10%左右的硅片，用这种设备加工的硅切片表面光滑，平整度好，不用经过磨片工序即可投入太阳电池片的生产。但线切割机较为昂贵，单机价格是内圆切片的8—10倍。1、硅磨片一般是双面磨，用金刚砂作原料，去除厚度在50—100μ时大约需要15—20分钟，用磨片的方法可去除硅片表面的划痕，污渍和图形等，可提高硅片表面平整度。凡用内圆切片机加工的硅片一般

8、都需要进行研磨。2、硅抛光片这是只有大规模集成电路工业才用的硅片，这里不述及。二、半导体硅材料的主要性能参数1、导电类型这是讲半导体内部导电是以什麽类型的载流子在载带电荷。这里我们介绍三种情况：本征硅：习惯上我们把绝对纯