• 半導體硅材料基礎知識講座

    2016-10-24
    一、???? 什么是半導體?

    1、? 導體(Conductor

    導體是指很容易傳導電流的物質

    2、? 絕緣體(Insolator

    ???? 是指極不容易或根本不導電的一類物質

    3、? 半導體(Semiconductor

    ? 導電性能介于導體和絕緣體之間且具備半導體的基本特性的一類材料。

    二、???? 半導體硅材料的電性能特點

    ???? 硅材料的電性能有以下三個顯著特點:

    一是它對溫度的變化十分靈敏;

    二是微量雜質的存在對電阻率的影響十分顯著;

    三是半導體材料的電阻率在受光照時會改變其數值的大小。

    綜上所述,半導體的電阻率數值對溫度、雜質和光照三個外部條件變化有較高的敏感性。

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    三、???? 半導體材料的分類

    1、? 元素半導體

    2、? 化合物半導體

    3、? 有機半導體

    4、? 無定形半導體

    迄今為止,工藝最為成熟、應用最為廣泛的是前兩類半導體材料,尤其是半導體硅材料,占整個半導體材料用量的90%以上。硅材料是世界新材料中工藝最為成熟、使用量最大的半導體材料。它的實驗室純度可接近本征硅,即12個“九”,即使是大工業生產也可以到79個“九”的純度。

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    四、???? 半導體硅材料的制備

    1、? 冶金級硅(工業硅)的制備

    冶金級硅是將比較純凈的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行還原而制成。

    其反應式是:

    ????????? SiO2+2C Si+2CO

    ??? 普通冶金級硅的純度大約是23個“九”。目前市面上也有號稱45個“九”純度的冶金級硅,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半導體級多晶硅:

    這是目前全球大多數多晶硅生產企業采用的方法,知名的企業有美國的Harmlock、日本的TOKUYAMA、三菱公司、德國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的。其工藝流程是:

    ???????????????? 原料硅破碎??????? 篩分(80目)????? 沸騰氯化制成液態的SiHCl3???????????

    ???????????? ????????粗餾提純??????? 精餾提純?????? 氫還原?????? 棒狀多晶硅?????? 破碎?????? 潔凈分裝。

    ???????? 經驗上,新建設一座多晶硅廠需要3036個月時間,而老廠擴建生產線也需要大約1418個月時間,新建一座千噸級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)????? 硅烷法生產多晶硅

    用硅烷法生產多晶硅的工廠僅有日本的小松和美國的ASMY兩家公司,其工藝流程是:

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    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

    全球用此法生產多晶硅的僅有美國休斯頓的PASADENA工廠,它的生產流程與硅烷法生產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φ13mm的硅粒。

    3、? 單晶硅的制備

    ?? 根據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:

    (1)????? 區域熔煉法(簡稱區熔法或FZ法,Float Zone)。

    這是制備高純度,高阻單晶的方法,區熔法既可以提純,又可以成晶。

    它是利用雜質在其固體和液體中分凝系數的差異,通過在真空下經數次乃至數十次的區域熔煉提純,然后成晶而制成。

    (2)????? 切克勞斯基法(簡稱直拉法。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置的石墨托碗上-抽真空— 充氬氣— 高頻加熱石墨托碗使石英坩堝內的多晶料熔化成液體(需要在1430以上)— 降下預先置于爐頂部的籽晶-引晶- 縮頸- 放肩- 等徑生長-收尾? 等一系列復雜的工藝而制成。

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    五、???? 半導體硅材料的加工

    ??? 這是指由Ingot ? wafer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,通常使用的設備有兩種:

    2? 內圓切片機:一般加工直徑≤6″的硅單晶錠。片厚300400μm,刀口厚度在300350μm,加工損失在50%以上。

    用這種設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。

    2? 線切割機:一般用于加工直徑≥6″的單晶(如8″、12″等),片厚最薄可達200μ—250μ,刀口厚度≤200μ,加工損失在40%左右,較內圓切割機可多出5~10%左右的硅片,用這種設備加工的硅切片表面光滑,平整度好,不用經過磨片工序即可投入太陽電池片的生產。

    但線切割機較為昂貴,單機價格是內圓切片的810倍。

    2、? 硅磨片

    ??? 一般是雙面磨,用金剛砂作原料,去除厚度在50100μ時大約需要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。凡用內圓切片機加工的硅片一般都需要進行研磨。

    3、? 硅拋光片

    ? 這是只有大規模集成電路工業才用的硅片,這里不述及。

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    六、???? 半導體硅材料的主要性能參數

    1、? 導電類型

    這是講半導體內部導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:習慣上我們把絕對純凈而沒有缺陷的半導體叫作本征半導體。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個價電子,當這5個價電子中4個與硅原子最外層的4個價電子形成共價鍵時,就會有一個多余的電子脫離出來成為自由電子,從而就提供了同等數量的導電電子,這種能提供自由電子的雜質統稱為施主雜質(如P、AS等),摻入施主雜質、以電子為多數載流子的硅叫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個價電子,當它進入硅的晶體構成共價鍵時,就缺少了一個電子,因而它就有一種從別處奪來一個電子使自己成為負離子,并與硅晶體相匹配的趨勢,因此我們可以認為硼原子是帶有一個很容易游離于晶體間的空穴。在半導體中,這種具有接受電子的雜質稱為受主雜質。摻入受主雜質、以空穴為多數載流子的硅叫作P型硅。

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    2、? 晶體結構

    ???? 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的固體(如:Si、GaAs、冰及一般的金屬等),而沒有固定熔點,加熱時在某一溫度范圍內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。

    ????? 現有的晶體都是由原子、離子或分子在三維空間上有規則的排列而形成的。這種對稱的有規則排列叫作晶體的點陣或叫晶格。最小的晶格叫晶胞,晶胞的各向長度叫晶格常數。將晶格周期性的重復排列,就可以構成整個晶體,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)晶格結構:

    ????? 我們對一些主要的晶體進行研究后發現,其中的晶胞多不相同,常見的晶胞有:簡單立方結構、體心立方結構、面心立方機構、金剛石結構(如:Si、Ge等),閃鋅礦結構(如GaAs、Gap、Iusb等),一般元素半導體多為金剛石結構,IIIV族化合物半導體多為閃鋅礦結構。

    ????? 金剛石結構是兩個面心立方結構的晶胞在對角線上滑移1/4距離后形成,而閃鋅礦結構是在金剛石結構中把相鄰兩個Si原子分別換作GaAs而形成。

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    3)晶面和晶向:

    ????? 晶體中那些位于同一平面內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,這就是晶體的多向異性。

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    晶向示意圖

    4)晶體中的缺陷:

    ?????? 當晶體中的原子周期性重復排列遭到破壞或出現不規則的地方就形成了缺陷,硅單晶中常見的缺陷有:點缺陷、線缺陷、面缺陷、孿晶、旋渦、雜質條紋、堆垛層錯、氧化層錯、滑移線等等。

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    3、? 電阻率

    電阻率是半導體材料的一個極其重要的參數,前面我們已經提到電阻率是區分導體、絕緣體和半導體的關鍵因素。不同的器件要求不同的電阻率。

    4、? 少子壽命

    所謂少子壽命是指半導體中非平衡少數載流子平均存在的時間長短,單位是μs1微秒是10-6秒)。所謂非平衡載流子是指當半導體中載流子的產生與復合處于平衡狀態時,由于受某種外界條件的作用,如受到光線照射時而新增加的電子——空穴對,這部分新增加的載流子叫作非平衡載流子。

    ???? 對于P型硅而言:新增加的電子叫作非平衡少數載流子;而新增加的空穴叫作非平衡多數載流子。

    ???? 對于N型硅而言:新增加的空穴叫作非平衡少數載流子;而新增加的電子叫作非平衡多數載流子。

    ??????? 當光照停止后,這些非平衡載流子并不是立即全部消失,而是逐漸被復合而消失,它們存在的平均時間就叫作非平衡載流子的壽命。

    ??? ?? 非平衡載流子的壽命長短反映了半導體材料的內在質量,如晶體結構的完整性、所含雜質以及缺陷的多少,因為硅晶體的缺陷和雜質往往是非平衡載流子的復合中心。

    2? 少子壽命是一個重要的參數,用于高能粒子探測器的FZ硅的電阻率高達上萬Ωcm,少子壽命上千微秒;用于IC工業的CZ硅的電阻率一般在530Ωcm范圍內,少子壽命值多要求在100μs以上;用于晶體管的CZ硅的電阻率一般在30100Ωcm,少子壽命也在100μs以上;而用于太陽能電池CZ硅片的電阻率在0.56Ωcm,少子壽命應≥10μs。

    5. 氧含量:指硅材料中氧原子的濃度。

    要求硅中氧含量<5×1018原子個數/cm3。

    6. 碳含量:指硅材料中碳原子的濃度。

    ?? ?????????????? 要求硅中碳含量<5×1017原子個數/cm3。

    7、晶體缺陷

    另外:對于IC用硅片而言還要求檢測:

    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。

    七、???? 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品,它實際是一個單元電池。

    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.Ingot: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。

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