单晶技能操作培训手册

目录
一半导体概况 (2)
1、半导体物理基础知识 (2)
1.1导体，绝缘体和半导体 (2)
1.2半导体材料的类别 (3)
1.3晶体与非晶体 (3)
1.4多晶体和单晶体 (4)
1.5 N型半导体和P型半导体 (4)
1.6多数载流子与少数载流子 (4)
1.7杂质补偿 (5)
1.8电阻率 (5)
1.9结晶 (6)
2、硅材料 (7)
2.1硅石 (7)
2.2硅单晶 (8)
3、半导体技术 (12)
二车间概况 (18)
1、生产流程 (18)
2、组织结构 (19)
3、岗位职责 (19)
三硅料简介 (20)
四设备概况 (21)
1、TDR-70A/B型单晶炉 (21)
2、JRDL-800型单晶炉 (22)
五生产工艺 (34)
1、作业准备 (34)
2、设备装载与清洁 (35)
2.1真空过滤器清洗 (35)
2.2真空泵油检查更换 (35)
2.3石墨件清洗 (35)
2.4单晶炉室清洗 (36)
2.5石墨件安装 (37)
2.6石英坩埚安装 (38)
3、拉晶工艺 (38)
3.1硅料安装 (38)
3.2籽晶安装 (39)
3.3抽空检漏 (39)
3.4充氩气 (40)
3.5升功率 (40)
3.6熔料 (40)
3.7拉晶步骤 (42)
3.8降功率 (47)
3.9停炉冷却 (47)
3.10热态检漏 (47)
3.11取单晶和籽晶 (48)
4、设备拆卸与检修 (48)
4.1石墨件取出冷却 (48)
5、母合金 (49)
六设备维护 (50)
七其他 (51)
1、5S管理 (51)
一半导体概况
1、半导体物理基础知识
1.1导体，绝缘体和半导体
自然界的各种物质就其导电性能来说、可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。

导体具有良好的导电特性，常温下，其内部存在着大量的自由电子，它们在外电场的作用下做定向运动形成较大的电流。

因而导体的电阻率很小，只有金属一般为导体，如铜、铝、银等，它们的电阻率一般在10–4欧姆·厘米以下。

绝缘体几乎不导电，如橡胶、陶瓷、塑料等。

在这类材料中，几乎没有自由电子，即使受外电场作用也不会形成电流，所以，绝缘体的电阻率很大，它们的电阻率在109欧姆·厘米以上。

半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、锗、硒等，它们的电阻率通常在之间。

半导体之所以得到广泛应用，是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显著。

如纯净的半导体单晶硅在室温下电阻率约为，若按百万分之一的比例掺入少量杂质（如磷）后，其电阻率急剧下降为，几乎降低了一百万倍。

半导体具有这种性能的根本原因在于半导体原子结构的特殊性。

它具有如下的主要特征。

（l）杂质影响半导体导电性能在室温下，半导体的电阻率在10–4～109欧姆·厘米之间。

而且，加入微量杂质能显著改变半导体的导电能力。

掺入的杂质量不同时，可使半导体的电阻率在很大的范围内发生变化。

另外，在同一种材料中掺入不同类型的杂质，可以得到不同导电类型的材料。

（2）温度影响半导体材料导电性能温度能显著改变半导体的导电性能。

在一般的情况下，半导体的导电能力随温度升高而迅速增加，也就是说，半导体的电阻率具有负温度系数。

而金属的电阻率具有正温度系数，且随温度的变化很慢。

（3）有两种载流子参加导电在半导体中，参与导电的载流子有两种。

一种是为大家所熟悉的电子，另一种则是带正电的载流子，称为空穴。

而且同一种半导体材料，既可以形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。

在金属中则仅靠电子导电，而在电解质中，靠正离子和负离子同时导电。

（4）其它外界条件对导电性能的影响半导体的导电能力还会随光照而发生变化。

例如一层淀积在绝缘基板上的硫化镉薄膜，其暗电阻约为数十兆欧，当受光照后，其电阻可下降到数十千欧。

这种现象称为光电导效应。

此外，半导体的导电能力还会随电场、磁场、压力和环境的作用而变化，具有其它特性和效应。

物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量。

电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。

表1-1给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的大致范围。

物体
导体半导体绝缘体
电阻率
Ω· CM <10e-410e-3～10e9>10e9
1.2半导体材料的类别
元素半导体
元素周期表中, 已经知道有十来个元素具有半导体性质，其中，形态稳定、工艺成熟的只有硅、锗、硒三种。

硅具有优良的半导体性质，是现代最主要的半导体材料，已在晶体管、集成电路及其它器件中大量使用。

锗也具有良好的半导体的性质，是重要的半导体材料之一。

硒的半导体性质发现得很早，用于制作整流器、光电导器件等。

其它元素半导体都还未获得实际应用。

化合物半导体
化合物半导体可分为无机化合物半导体和有机化合物半导体两种。

有机化合物半导体仍处研究探索阶段，一般所说的化合物半导体指无机化合物半导体。

无机化合物半导体由两种（二元系）或多种（多元系）元素组成。

由III族和V族元素组成的III-V族化合物半导体GaAs是应用最广的化合物半导体，用于制作微波器件、激光器和集成电路。

其它如InP、AlP、GaP、InAs、InSb等III-V族化合物半导体，ZnS、CdS、ZnSe、HgSe等II-VI族化合物半导体、IV-IV族化合物半导体材料SiC等都有一定的应用。

多元系化合物半导体用途较少。

固溶半导体
由两个或两个以上具有足够含量的的元素构成的固体溶液，如果具有半导体性质，就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。

半导体材料中提纯残留的杂质和有意掺入的杂质与本体材料也形成固溶体，但因这些杂质的含量很低，在半导体材料的分类中不属于固溶半导体。

另一方面，固溶半导体又与化合物半导体有区别，后者是靠其价键按一定化学配比构成，而固溶体组成元素的含量在其固溶度范围内可连续变化，其半导体及有关性质也随之变化。

利用固溶半导体的这一特点可得到性质多样的半导体材料以满足不同的应用要求。

主要的固溶体半导体有：元素固溶体Ge-Si，III-V族固溶体Ga1-xAlxAs，II-VI族固溶体HgxCd1-xTe等。

1.3晶体与非晶体
自然界的物质最常见的形态有气态、液态和固态。

固态或称固体，又可分为晶体和非晶体。

晶体和非晶体的内部结构和物理、化学性质有本质的区别。

玻璃、松香和橡胶等是非晶体；锗、硅等半导体芯片材料，铜、铁、铝等金属，以及石英、食盐、金刚石等是晶体。

晶体区别于非晶体的主要特征有以下方面：
1 晶体通常具有规则的几何形状如食盐晶体为立方体，石英晶体为六方柱体等；而玻璃、橡胶等非晶体就没有规则的外形。

2 晶体具有固定的熔点晶体在熔化或凝固过程中，保持确定不变的温度，这一温度称为晶体的熔点。

只有当晶体全部熔化或全部凝固后，它的温度才发生变化。

而非晶体则没有确定的熔点。

3 晶体具有各向异性性晶体的机械、电学、热学、光学等物理和化学性质随其方向不同而不同，非晶体的物理、化学性质则是各向同性的。

以上特征是从外部宏观地来进行分析的，晶体与非晶体的差异由其内部结构不同所决定。

晶体内部原子排列高度规则，具有一定的刚性和对称性．非晶体则是一种无定形结构。

一般说，由原子或离子有规则的周期性排列构成的固体材料称为晶体。

1.4多晶体和单晶体
晶体有多晶体和单晶体之分。

单晶体内的原子（或离子）都按同一规律周期性地排列。

常用的半导体材料锗、硅、砷化镓都制成单晶体。

多晶体则由许多取向不同的小单晶体（又称晶粒）组成，多晶体内的原子（或离子）呈局部周期性规则排列，不同的局部区域中原子排列的方向不同。

1.5 N型半导体和P型半导体
掺杂半导体分为N型半导体和P型半导体两类。

在锗和硅中掺入磷、砷、锑等V族元素时，这些杂质在锗和硅中起提供电子的作用，使这些半导体以电子导电为主。

这类杂质叫做施主杂质。

以电子导电为主的杂质半导体称为N型半导体，相应的杂质也叫做N型杂质。

而在锗和硅中掺入硼、铝、镓或铟等Ⅲ族元素时，这些杂质在锗和硅中起提供空穴的作用，使这些半导体以空穴导电为主。

这类杂质叫做受主杂质。

以空穴导电为主的杂质半导体称为P型半导体。

相应的杂质也叫做P型杂质。

一般说，施主和受主杂质均为替位式杂质。

它们掺入晶体后，要取代晶格中硅原子的位置。

见图4- 2。

图4- 2 硅中施主杂质和受主杂质
图4- 2（a）中，磷原子有五个价电子，由于硅晶体中每个原子只有四个近邻原子，因此，在硅原子位置上的磷原子在同周围硅原子组成共价键结合时，只需四个电子，还多一个电子。

这个多余的电子不受共价键束缚，因此容易挣脱束缚，变成导带电子。

这种能释放电子的杂质称为施主杂质或N型杂质。

使这个多余电子激发到导带所需的能量称为施主杂质电离能。

图4- 2（b）中，硼原子有三个价电子，它同周围硅原子组成共价键时，还缺一个电子，需要从附近硅原子价键中夺取一个电子补充，原子便多一个电子，成为负离子，同时，在晶体中产生一个空穴。

空穴容易挣脱硼离子的束缚成为价带中的导电空穴。

这种接受电子而产生空穴的杂质称为受主杂质。

使空穴挣脱束缚成为价带导电空穴所需能量称作受主杂质电离能。

由于杂质能级靠近导带底和价带顶，所以电离能远小于禁带宽度。

室温下几乎所有杂质都是电离的，而本征激发要难得多。

通常情况下，杂质半导体载流子浓度比本征半导体载流子浓度高得多，导电能力因此也强得多。

1.6多数载流子与少数载流子
在杂质半导体中，电子与空穴的浓度不再相等。

在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子；P型半导体则相反，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。

多数载流子简称
多子，是杂质激发载流子与本征激发载流子之和。

少数载流子简称少子，只由本征激发产生。

在室温下，杂质全部电离，每个杂质均提供一个载流子。

一般情况下，由于掺杂浓度远大于本征载流子浓度，所以多子浓度远大于少子浓度。

1.7杂质补偿
本征半导体中掺入N型杂质就成为N型半导体，掺入P型杂质就成为P型半导体。

在实际的半导体中，如果同时存在受主杂质和施主杂质，受主杂质所产生的空穴通过复合与施主杂质所提供的电子相抵消，将使总的载流子数减少，这种现象称为杂质补偿。

决定补偿后半导体导电类型和载流子浓度的是两种杂质补偿后的净浓度，即（ND－NA）或（NA－ND）。

其中ND为施主杂质浓度，NA为受主杂质浓度。

当ND＞NA时，半导体呈N型；反之，当NA＞ND时，半导体呈P型。

若ND≈NA，施主杂质产生的电子与受主杂质产生的空穴刚好全部复合而抵消。

这时，不管半导体中杂质有很多，载流子却很少，基本上只有本征激发产生。

这种情况称为高度补偿。

利用杂质补偿可以任意改变半导体的导电类型。

但补偿度过大对材料和器件的电学性能会产生不良影响。

1.8电阻率
电阻率是常用的半导体材料参数，它反映了半导体内杂质浓度的高低和半导体材料导电能力的强弱。

对纯半导体材料，电阻率主要由本征载流子浓度决定。

本征载流子浓度随温度的上升而急剧增加，而迁移率变化的影响只是次要的因素。

本征半导体电阻率随温度增加而单调地下降。

对杂质半导体，有杂质电离和本征激发两个因素存在，又有电离杂质散射和晶格散射两种散射机构存在，因而电阻率随温度的变化关系要复杂些。

图4- 3 表示一定杂质浓度的半导体硅材料的电阻率和温度的关系。

图4- 3 硅电阻率与温度关系示意图
从上图可以看出，一定杂质浓度的硅材料的电阻率和温度的关系曲线大致可分为三段。

在曲线的AB段，本征激发可忽略，载流子主要由杂质电离提供，它随温度升高而增加；散射主要由电离杂质决定，迁移率也随温度升高而增大。

所以，电阻率随温度升高而下降。

BC段为包括室温在内的一段温度范围，杂质全部电离，本征激发还不显著，载流子基本上不随温度变化；在这段温度范围，晶格散射为主要的散射机构，迁移率随温度升高而降低。

所以，电阻率随温度升高而增大。

当温度继续升高到曲线的CD段时，本征激发很快增加，大量产生的本征载流子的作用远远超过迁移率减小对电阻率的影响，表现出与本征半导体相似的特性。

显然，杂质浓度越高，进入本征导电占优势的温度也越高。

1.9结晶
结晶的概念
溶液中的溶质在一定条件下，因分子有规则的排列而结合成晶体，晶体的化学成分均一，具有各种对称的晶体，其特征为离子和分子在空间晶格的结点上呈规则的排列
固体有结晶和无定形两种状态
结晶
析出速度慢，溶质分子有足够时间进行排列，粒子排列有规则
无定形固体
析出速度快，粒子排列无规则
结晶操作的特点
只有同类分子或离子才能排列成晶体，因此结晶过程有良好的选择性。

通过结晶，溶液中大部分的杂质会留在母液中，再通过过滤、洗涤，可以得到纯度较高的晶体。

结晶过程具有成本低、设备简单、操作方便，广泛应用于氨基酸、有机酸、抗生素、维生素、核酸等产品的精制。

结晶过程分析——几个概念
饱和溶液：当溶液中溶质浓度等于该溶质在同等条件下的饱和溶解度时，该溶液称为饱和溶液；
过饱和溶液：溶质浓度超过饱和溶解度时，该溶液称之为过饱和溶液；
溶质只有在过饱和溶液中才能析出；
凯尔文（Kelvin ）公式
溶质溶解度与温度、溶质分散度（晶体大小）有关。

C 2---小晶体的溶解度； C 1---普通晶体的溶解度
σ---晶体与溶液间的表面张力；ρ---晶体密度
γ2---小晶体的半径； γ1---普通晶体半径
R---气体常数； T---绝对温度
结晶过程的实质
结晶是指溶质自动从过饱和溶液中析出，形成新相的过程
这一过程包括：
溶质分子凝聚成固体
分子有规律地排列在一定晶格中
这一过程与表面分子化学键力变化有关；
因此，结晶过程是一个表面化学反应过程。

晶体的形成
形成新相（固体）需要一定的表面自由能。

因此，溶液浓度达到饱和溶解度时，晶体尚不能析出，只有当溶质浓度超过饱和溶解度后，才可能有晶体析出。

首先形成晶核，由Kelvin 公式，微小的晶核具有较大的溶解度。

实质上，在饱和溶液中，晶核是处于一种形成—溶解—再形成的动态平衡之中，只有达到一定的过饱和度以后，晶核才能够稳定存在。

结晶的步骤
过饱和溶液的形成
晶核的形成
)11(2ln 1212r r RT M c c -=ρσ
晶体生长
其中，溶液达到过饱和状态是结晶的前提；过饱和度是结晶的推动力。

饱和曲线和过饱和曲线
稳定区和亚稳定区
在温度-溶解度关系图中，SS曲线下方为稳定区，在该区域任意一点溶液均是稳定的；
而在SS曲线和TT曲线之间的区域为亚稳定区，此刻如不采取一定的手段（如加入晶核），溶液可长时间保持稳定；
加入晶核后，溶质在晶核周围聚集、排列，溶质浓度降低，并降至SS线；
介于饱和溶解度曲线和过饱和溶解度曲线之间的区域，可以进一步划分刺激结晶区和养晶区
不稳定区
在TT曲线的上半部的区域称为不稳定区，在该区域任意一点溶液均能自发形成结晶，溶液中溶质浓度迅速降低至SS线（饱和）；
晶体生长速度快，晶体尚未长大，溶质浓度便降至饱和溶解度，此时已形成大量的细小结晶，晶体质量差；
因此，工业生产中通常采用加入晶种，并将溶质浓度控制在养晶区，以利于大而整齐的晶体形成。

2、硅材料
2.1硅石
硅（台湾、香港称矽）是一种化学元素，它的化学符号是Si，旧称矽。

晶体硅为钢灰色，无定形硅为黑色，密度2.4g／cm3，熔点1420℃，沸点2355℃，晶体硅属于原子晶体，硬而有光泽，有半导体性质。

性状
结晶型的硅是暗黑蓝色的，很脆，是典型的半导体。

化学性质非常稳定。

在常温下，除氟化氢以外，很难与其他物质发生反应。

名称由来
源自英文silica，意为“硅石”。

硅石是硅质原料的统称，有石英砂岩、石英岩、脉石英、交代硅质角岩和石英砂等。

自然界没有天然的单质硅,硅石是二氧化硅的俗名.晶体硅和二氧化硅都是原子晶体,结构类似于金刚石;可以用来作计算机芯片,光导纤维等电子部件;可与碱反应而不与酸(除HF外)溶液反应.
硅是一种半导体材料，可用于制作半导体器件和集成电路，掺微量杂质的硅单晶可用来制造大功率晶体管、整流器和太阳能电池等。

还可以合金的形式使用(如硅铁合金)，用于汽车和机械配件，也与陶瓷材料一起用于金属陶瓷中。

还可用于制造玻璃、混凝土、砖、耐火材料、硅氧烷、硅烷。

硅是非金属元素，有无定形和晶体两种同素异形体，晶体硅具有金属光泽和某些金属特性，因此常被称为准金属元素。

硅是一种重要的半导体材料，掺微量杂质的硅单晶可用来制造大功率晶体管、整流器和太阳能电池等。

2.2硅单晶
2.2.1几种常见元素的原子结构
原子最外层的电子称为价电子，有几个价电子就称它为几族元素。

若原子失去一个电子，称这个原子为正离子，若原子得到一个电子，则成为一个带负电的负离子。

原子变成离子的过程称为电离。

太阳能电池生产中常用的硅（Si），磷（P），硼（B）元素的原子结构模型如图2.2-1所示
2.2.2晶体结构
固体可分为晶体和非晶体两大类。

原子无规则排列所组成的物质为非晶体。

而晶体则是由原子规则排列所组成的物质。

晶体有确定的熔点，而非晶体没有确定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐软化。

2.2.3单晶和多晶
在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列，称之为单晶。

由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排列在一起的固体称为多晶。

单晶的定义：
1：构成整个晶体的各种离子或原子全都是按照一定的方向和顺序排列的叫单晶体。

如果由多个单晶体混乱地结合在一起，晶体之间有明显的界限，这样的晶体就叫多晶体。

2：单晶硅(c-Si)
以高纯度多晶硅为原料在单晶炉中被熔化为液态在单晶种（籽晶）上结晶而成．由于其晶体的原子和分子以同一方向（晶向）周期性地整齐排列所以称为单晶硅。

3：多晶硅(p-Si)
熔融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。

４：非晶硅(a-Si)
熔融硅在过冷条件下凝固时，硅原子以无规网络形态排列成许多晶核，这些晶粒结合起来，就结晶成非晶硅。

2.2.4硅晶体内的共价键
硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。

硅原子的4个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对。

这种共有电子对就称为“共价键”。

如图2.2-2所示。

2.2.5硅晶体的金刚石结构
晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，简称晶格，最小的晶格叫晶胞。

图1.2-3表示一些重要的晶胞。

金刚石结构是一种复式格子，它是两个面心立方晶格沿对角线方向上移1/4互相套构而成
（见图2.2-4）。

为了简便明了，以后分析问题时只要采用图2.2-2所示的平面结构示意图即可。

2.2.6晶面和晶向
晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面上，这些平面就称为晶面。

每个晶面的垂直方向称为晶向。

图2.2-5是几种常用到的晶面和晶向。

2.2.7原子密排面和解理面
在晶体的不同面上，原子的疏密程度是不同的，若将原子看成是一些硬的球体，它们在一个平面上最密集的排列方式将如图2.2-6所示，按照这样方式排列的晶面就称为原子密排面。

比较简单的一种包含原子密排面的晶格是面心立方晶格。

而金刚石晶格又是两个面心立方晶格套在一起，相互之间。

沿着晶胞体对角线方向平移1/4而构成的。

我们来看面心立方晶格中的原子密排面。

按照硬球模型可以区分在(100)(110)(111)几个晶面上原子排列的情况，如图2.2-7所示。

金钢石晶格是由面心晶格构成，所以它的(111)晶面也是原子密排面，它的特点是，在晶面内原子密集、结合力强，在晶面之间距离较大，结合薄弱，由此产生以下性质：
(a)由于(111)密排面本身结合牢固而相互间结合脆弱，在外力作用下，晶体很容易沿着(111)晶面劈裂，晶体中这种易劈裂的晶面称为晶体的解理面。

(b)由于(111)密排面结合牢固，化学腐蚀就比较困难和缓慢，而(100)面原子排列密度比(111)面低。

所以(100)面比(111)面的腐蚀速度快，选择合适的腐蚀液和腐蚀温度，(100)面腐蚀速度比(111)面大的多，因此，用(100)面硅片采用这种各向异性腐蚀的结果，可以使硅片表面产生许多
密布表面为(111)面的四面方锥体，形成绒面状的硅表面。

硅在常温下电阻率与杂质浓度的关系
3、半导体技术
单晶硅的生产过程
单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。

熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。

单晶硅棒是生产单晶硅片的原材料，随着国内和国际市场对单晶硅片需求量的快速增加，单晶硅棒的市场需求也呈快速增长的趋势。

单晶硅圆片按其直径分为6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米）等。

直径越大的圆片，所能刻制的集成电路越多，芯片的成本也就越低。

但大尺寸晶片对材料和技术的要求也越高。

单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。

直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。

直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。

目前晶体直径可控制在Φ3~8英寸。

区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化、节能灯、电视机等系列产品。

目前晶体直径可控制在Φ3~6英寸。

外延片主要用于集成电路领域。

由于成本和性能的原因，直拉法（CZ）单晶硅材料应用最广。

在IC工业中所用的材料主要是CZ抛光片和外延片。

存储器电路通常使用CZ抛光片，因成本较低。

逻辑电路一般使用价格较高的外延片，因其在IC制造中有更好的适用性并具有消除Latch－up的能力。

单晶硅也称硅单晶，是电子信息材料中最基础性材料，属半导体材料类。

单晶硅已渗透到国
民经济和国防科技中各个领域，当今全球超过2000亿美元的电子通信半导体市场中95%以上的。