硅材料的分类与制备

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• SiHCl3性质 又称硅氯仿，结构与SiCl4相似，为四面体 型。SiHCl3稳定性稍差，易水解
• SiHCl3十2H2O==SiO2十3HCl十H2 • 注意要点
• (1)合成温度宜低，温度过高易生成副产物。常加少量铜粉或 银粉作为催化剂
• (2)反应放热，常通入Ar或N2带走热量以提高转化率
•概况 由硅石粗硅高纯多晶硅（纯度在99.9999999 ％以上）单晶硅
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1． 粗硅的制备
粗硅 又称工业硅或结晶硅（冶金级硅）， 纯度在95％99％。这种硅是石英砂在电炉中 用碳还原方法冶炼而成的。
反应要点：高温1600℃1800℃ 原因：SiO2(s)十2C(s)＝Si(s)十2CO(g) 粗硅中杂质多，主要有Fe、Al、C、B、P、
硅材料的分类与制备
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2020年4月9日星期四
•？什么是半导体
•固体材料：超导体: 大于106(cm)-1
•和从机导•制电来特分性： 导 体: 106~104(cm)-1
•不同• 电阻特 半导体: 104~10-10(cm)-1
性•
绝缘体: 小于10-10(cm)-1
•半•制不导体同输运机
•掺入某些元素的微量原子能灵敏改变其导电性。
•温度 、光照、压力等外界因素会使其导电能力大增
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•2.1 重要的半导体材料——硅
•硅的原子最外层有四个电子，每个原子和邻近的四 个原子以共价键结合，组成一个正四面体。每个硅原 子可以看成是四面体的中心（金刚石结构）。
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2.2 硅材料的分类
1、按形态分： 薄膜型：淀积在玻璃、钢片、铝片等廉价衬底上，所
用的硅材料很少。 体材料（块状硅）：通常以硅片形式出现
•单晶硅片（晶圓）
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2、按纯度分：
名称
英文缩写
杂质总含量
主要用途
合金级硅
AG-Si
1N
炼合金
冶金级硅
MG-Si
2N
炼合金及化工等
• SiHCl3的制备 多用粗硅与干燥氯化氢在200℃以上反应 Si十3HCl==SiHCl3+H2 • 除生成SiHCl3外，还可能生成SiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、 SiCl4等各种氯化硅烷，其中主要的副反应是
• 2Si十7HCl＝SiHCl3十SiCl4十3H2
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• 上述反应是生成SiHCl3的逆反应。反应得到的多晶硅还不 能直接用于生产电子元器件，必须将它制成单晶体并在单晶生 长过程中“掺杂”，以获得特定性能的半导体。
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3、单晶硅的制备
多晶硅主要产品有棒状和粒状两种。制备单晶硅，一方 面是晶化（让硅原子排成金刚石结构），另一方面也有提纯 作用（分凝效应）。 区熔(FZ) 法 直拉法(CZ) ：将多晶硅融解 后，再利用硅晶种慢慢拉出单 晶硅晶棒。一支85公分长，重76.6公斤的 8寸 硅晶棒，约需 2天半时间长成。
•各种硅材料的电子迁移率
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•单晶硅锭及硅片
•非晶硅及多晶硅
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上述3种分类一般要综合，例如： 非晶硅薄膜 多晶硅薄膜 单晶硅锭（片） 多晶硅锭（片）
半导体级的硅才能制成单晶硅，太阳级硅 则只能制成多晶硅锭，非晶硅一般以薄膜形式 出现。
Cu 等，其中Fe 含量最多。可用酸洗法初步提 纯，高纯硅还需进一步提纯。
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• 2． 多晶硅的制备
• 由粗硅合成SiHCl3 （改良西门子法）或SiCl4或SiH4中间 体，精馏提纯后，用氢气还原或热分解而制得多晶硅
• 三种方法各有特点，改良西门子法是当前制取多晶硅的 主要方法
太阳级硅
SOG-Si
～6N
太阳能电池等
半导体级硅 （电子级）
SEG-Si （EG-Si）
＞9N
半导体芯片等
•随着纯度上升，成本呈指数上升
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3、按结构分：
单晶硅：所有的硅原子按一定规律整齐排列，结构完全 是金刚石型的。长程有序
多晶硅：有众多小晶粒，排列方向不同。 非晶硅：短程有序，长程无序
•金刚石结构
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硅材料是当代电子工业中应用最多的半导体材料，它还 是目前可获得的• 纯度最高的材料之一，其实验室纯度可达12 个“9”的本征级，工业化大生产也能达到7～11个“9”的高
纯度。
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用扫描隧道显微镜观察到的硅晶体表面的原子排列
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区熔单晶硅(FZ-Si) 主要用于制作电力电子器件(SR、 SCR、GTO等)、射线探测器、高压大功率晶体管等；直拉 单晶硅(CZ- Si) 主要用于制作LSI、晶体管、传感器及硅光电 池等。
浇注多晶硅、淀积和溅射非晶硅主要用作各种硅光电池 等。
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•拉单晶
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2.4 多晶硅材料相关产业链产品
•多晶硅 铸锭
•太阳能电 池用硅片
•太阳能电池
•金属 硅
•改良西 •门子法
•三氯氢硅
•副产品
•多晶硅
•单晶硅 棒
•硅片
• 有机硅 • 高纯氯硅 烷
• 四氯化硅
•硅酸乙 酯
•高纯石英
•气相白碳黑
• (3)须严格控制无水无氧。因SiHCl3水解产生的SiO2会堵塞管 道造引起事故。而氧气则会与SiHCl3或H2反应，引起燃烧或爆 炸
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• SiHCl3的提纯 • 精馏 利用杂质和SiHCl3沸点不同用精馏的方法分离提纯 • 多晶硅的制备
• 精馏提纯后的SiHCl3用高纯氢气还原得到多晶硅 • SiHCl3十H2==Si十3HCl
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• 2.3 硅材料的制备
• 由于硅的纯度对芯片或太阳电池有很重大的影响 ，所以工业生产要求使用高纯硅，以满足器件质量的需 求。在硅材料的提纯工艺流程中，一般说来，化学提纯 在先， 物理提纯在后。原因是：一方面化学提纯可以 从低纯度的原料开始，而物理提纯必须使用具有较高纯 度的原料；另一方面是化学提纯难免引入化学试剂的污 染，而物理提纯则没有这些污染。