多晶硅生产工艺和反应原理讲解课件

多晶硅⽣产⼯艺和反应原理讲解课件
多晶硅⽣产⼯艺和反应原理
第⼀节
重要的半导体材料，化学元素符号Si，电⼦⼯业上使⽤的硅应具有⾼纯度和优良的电学和机械等性能。

硅是产量最⼤、应⽤最⼴的半导体材料，它的产量和⽤量标志着⼀个国家的电⼦⼯业⽔平。

在研究和⽣产中，硅材料与硅器件相互促进。

在第⼆次世界⼤战中，开始⽤硅制作雷达的⾼频晶体检波器。

所⽤的硅纯度很低⼜⾮单晶体。

1950年制出第⼀只硅晶体管，提⾼了⼈们制备优质硅单晶的兴趣。

1952年⽤直拉法(CZ)培育硅单晶成功。

1953年⼜研究出⽆坩埚区域熔化法(FZ)，既可进⾏物理提纯⼜能拉制单晶。

1955年开始采⽤锌还原四氯化硅法⽣产纯硅，但不能满⾜制造晶体管的要求。

1956年研究成功氢还原三氯氢硅法。

对硅中微量杂质⼜经过⼀段时间的探索后，氢还原三氯氢硅法成为⼀种主要的⽅法。

到1960年，⽤这种⽅法进⾏⼯业⽣产已具规模。

硅整流器
与硅闸流管的问世促使硅材料的⽣产⼀跃⽽居半导体材料的⾸位。

60年代硅外延⽣长单晶技术和硅平⾯⼯艺的出现，不但使硅晶体管制造技术趋于成熟，⽽且促使集成电路迅速发展。

80年代初全世界多晶硅产量已达2500吨。

硅还是有前途的太阳电池材料之⼀。

⽤多晶硅制造太阳电池的技术已经成熟；⽆定形⾮晶硅膜的研究进展迅速；⾮晶硅太阳电池开始进⼊市场。

化学成分硅是元素半导体。

电活性杂质磷和硼在合格半导体和多晶硅中应分别低于0.4ppb和0.1ppb。

拉制单晶时要掺⼊⼀定量的电活性杂质，以获得所要求的导电类型和电阻率。

重⾦属铜、⾦、铁等和⾮⾦属碳都是极有害的杂质，它们的存在会使PN结性能变坏。

硅中碳含量较⾼，低于1ppm者可认为是低碳单晶。

碳含量超过3ppm时其有害作⽤已较显著。

硅中氧含量甚⾼。

氧的存在有益也有害。

直拉硅单晶氧含量在5～40ppm范围内；区熔硅单晶氧含量可低于1ppm。

硅的性质硅具有优良的半导体电学性质。

禁带宽度适中，为1.21电⼦伏。

载流⼦迁移率较⾼，电⼦迁移率为1350厘⽶2/伏?秒，空⽳迁移率为480厘⽶2/伏?秒。

本征电阻率在室温(300K)下⾼达2.3×105欧?厘⽶,掺杂后电阻率可控制在104～10-4欧?厘⽶的宽⼴范围内，能满⾜制造各种器件的需要。

硅单晶的⾮平衡少数载流⼦寿命较长,在⼏⼗微秒⾄1毫秒之间。

热导率较⼤。

化学性质稳定，⼜易于形成稳定的热氧化膜。

在平⾯型硅器件制造中可以⽤氧化膜实现PN结表⾯钝化和保护，还可以形成⾦属-氧化物-半导体结构,制造MOS场效应晶体管和集成电路。

上述性质使PN 结具有良好特性，使硅器件具有耐⾼压、反向漏电流⼩、效率⾼、使⽤寿命长、可靠性好、热传导好，并能在200⾼温下运⾏等优点。

硅单晶的主要技术参数硅单晶主要技术参数有导电类型、电阻率与均匀度、⾮平衡载流⼦寿命、晶向与晶向偏离度、晶体缺陷等。

导电类型导电类型由掺⼊的施主或受主杂质决定。

P型单晶多掺硼，N型单晶多掺磷,外延⽚衬底⽤N型单晶掺锑或砷。

电阻率与均匀度拉制单晶时掺⼊⼀定杂质以控制单晶的电阻率。

由于杂质分布不匀，电阻率也不均匀。

电阻率均匀性包括纵向电阻率均匀度、断⾯电阻率均匀度和微区电阻率均匀度。

它直接影响器件参数的⼀致性和成品率。

⾮平衡载流⼦寿命光照或电注⼊产⽣的附加电⼦和空⽳瞬即复合⽽消失，它们平均存在的时间称为⾮平衡载流⼦的寿命。

⾮平衡载流⼦寿命同器件放⼤倍数、反向电流和开关特性等均有关系。

寿命值⼜间接地反映硅单晶的纯度，存在重⾦属杂质会使寿命值⼤⼤降低。

晶向与晶向偏离度常⽤的单晶晶向多为(111)和(100)（见图）。

晶体的轴与晶体⽅向不吻合时，其偏离的⾓度称为晶向偏离度。

晶体缺陷⽣产电⼦器件⽤的硅单晶除对位错密度有⼀定限制外，不允许有⼩⾓度晶界、位错排、星形结构等缺陷存在。

位错密度低于200/厘⽶2者称为⽆位错单晶，⽆位错硅单晶占产量的⼤多数。

在⽆位错硅单晶中还存在杂质原⼦、空位团、⾃间隙原⼦团、氧碳或其他杂质的沉淀物等微缺陷。

微缺陷集合成圈状或螺旋状者称为旋涡缺陷。

热加⼯过程中，硅单晶微缺陷间的相互作⽤及变化直接影响集成电路的成败。

类型和应⽤硅单晶按拉制⽅法不同分为⽆坩埚区熔(FZ)单晶与有坩埚直拉(CZ)单晶。

区熔单晶不受坩埚污染，纯度较⾼，适于⽣产电阻率⾼于20欧?厘⽶的N 型硅单晶（包括中⼦嬗变掺杂单晶）和⾼阻P型硅单晶。

由于含氧量低，区熔单晶机械强度较差。

⼤量区熔单晶⽤于制造⾼压整流器、晶体闸流管、⾼压晶体管等器件。

直接法易于获得⼤直径单晶，但纯度低于区熔单晶，适于⽣产20欧?厘⽶以下的硅单
晶。

由于含氧量⾼,直拉单晶机械强度较好。

⼤量直拉单晶⽤于制造MOS集成电路、⼤功率晶体管等器件。

外延⽚衬底单晶也⽤直拉法⽣产。

硅单晶商品多制成抛光⽚，但对FZ单晶⽚与CZ单晶⽚须加以区别。

外延⽚是在硅单晶⽚衬底（或尖晶⽯、蓝宝⽯等绝缘衬底）上外延⽣长硅单晶薄层⽽制成，⼤量⽤于制造双极型集成电路、⾼频晶体管、⼩功率晶体管等器件。

第⼆节多晶硅应⽤
多晶硅;polycrystalline silicon
性质：灰⾊⾦属光泽。

密度2.32～2.34。

熔点1410℃。

沸点2355℃。

溶于氢氟酸和硝酸的混酸中，不溶于⽔、硝酸和盐酸。

硬度介于锗和⽯英之间，室温下质脆，切割时易碎裂。

加热⾄800℃以上即有延性，1300℃时显出明显变形。

常温下不活泼，⾼温下与氧、氮、硫等反应。

⾼温熔融状态下，具有较⼤的化学活泼性，能与⼏乎任何材料作⽤。

具有半导体性质，是极为重要的优良半导体材料，但微量的杂质即可⼤⼤影响其导电性。

电⼦⼯业中⼴泛⽤于制造半导体收⾳机、录⾳机、电冰箱、彩电、录像机、电⼦计算机等的基础材料。

由⼲燥硅粉与⼲燥氯化氢⽓体在⼀定条件下氯化，再经冷凝、精馏、还原⽽得。

多晶硅是单质硅的⼀种形态。

熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原⼦以⾦刚⽯晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶⾯取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。

多晶硅可作拉制单晶硅的原料，多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质⽅⾯。

例如，在⼒学性质、光学性质和热学性质的各向异性⽅⾯，远不如单晶硅明显；在电学性质⽅⾯，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚⾄于⼏乎没有导电性。

在化学活性⽅⾯，两者的差异极⼩。

多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别，但真正的鉴别须通过分析测定晶体的晶⾯⽅向、导电类型和电阻率等。

多晶硅的⽤途主要包括以下⼏个⽅⾯。

1、制作电⼒电⼦器件
电⼒电⼦技术是实现电⼒管理，提⾼电功效率的关键技术。

飞速发展的电⼒电⼦被称为“硅⽚引起的第⼆次⾰命”，⼤多数电⼒电⼦器件是⽤区熔单晶硅制作的。

电⼒电⼦器件包括普通晶闸管(SCR)、电⼒晶体管GTR、GTO以及第三代新型电⼒电⼦器件——功率场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率集成电路(PIC)等，⼴泛应⽤于⾼压直流输电、静⽌⽆功补偿、电⼒机车牵引、交直流电⼒传动、电解、励磁、电加热、⾼性能交直流电源等电⼒系统和电⽓⼯程中。

制作电⼒电⼦器件，是区熔单晶硅的传统市场，也是本项⽬产品的市场基础。

2、制作⾼效率太阳能光伏电池
太阳能⽬前已经成为最受关注的绿⾊能源产业。

美国、欧洲、⽇本都制定了⼤⼒促进本国太阳能产业发展的政策，我国也于2005年3⽉份通过了《可再⽣能源法》。

这些措施极⼤地促进了太阳能电池产业的发展。

据统计，从1998—2004年，国际太阳能光伏电池的市场⼀直保持⾼速增长的态势，年平均增长速度达到30%，预计到2010年，仍将保持⾄少25%的增长速度。

晶体硅是⽬前应⽤最成熟，最⼴泛的太阳能电池材料，占光伏产业的85%以上。

美国SunPower公司最近开发出利⽤区熔硅制作太阳能电池技术，其产业化规模光电转换效率达到20%，为⽬前产业化最⾼⽔平，其综合性价⽐超过直拉单晶硅太阳能电池（光电转换效率为15%）和多晶硅太阳能电池（光电转换效率为12%）。

这项新技术将会极⼤地扩展区熔硅单晶的市场空间。

据估计，到2010年，其总的市场规模到将达到电⼒电⼦需求规模，这是本项⽬新的市场机会。

3、制作射频器件和微电⼦机械系统（MEMS）
区熔单晶还可以⽤来制作部分分⽴器件。

另外采⽤⾼阻区熔硅制造微波单⽚集成电路（MMIC）以及微电⼦机械系统（MEMS）等⾼端微电⼦器件，被⼴泛应⽤于微波通讯、雷达、导航、测控、医学等领域，显⽰出巨⼤的应⽤前景。

这也是区熔单晶的⼜⼀个新兴的市场机会。

4、制作各种探测器、传感器，远红外窗⼝
探测器、传感器是⼯业⾃动化的关键元器件，被⼴泛应⽤于光探测、光纤通讯、⼯业⾃动化控制系统中以及医疗、军事、电讯、⼯业⾃动化等领域。

⾼纯的区熔硅单晶是制作各种探测器、传感器的关键原材料，其市场增长趋势也很明显。

第三节硅及其化合物的性质
1.1. 硅的简介。