半导体第三讲-下-单晶硅生长技术
硅基半导体的制备技术
硅基半导体的制备技术硅基半导体是一种在电子行业中广泛应用的材料，其制备技术一直是研究的热点之一。
本文将介绍硅基半导体的制备技术，包括传统的硅基半导体制备方法和新型制备技术的发展趋势。
一、传统硅基半导体制备技术1. 单晶硅生长技术单晶硅是硅基半导体的主要材料，其生长技术是制备硅基半导体的关键步骤之一。
传统的单晶硅生长技术包括气相淀积法、溶液法和熔融法等。
其中，气相淀积法是最常用的方法，通过化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）在衬底上沉积硅薄膜，然后通过退火等工艺形成单晶硅。
2. 晶圆加工技术晶圆加工技术是将单晶硅切割成薄片并进行加工的过程，包括光刻、蚀刻、离子注入、扩散、金属化等步骤。
这些步骤是制备硅基半导体器件的基础，对器件性能和稳定性有重要影响。
3. 氧化硅膜沉积技术氧化硅膜是硅基半导体器件中常用的绝缘层材料，其沉积技术包括热氧化、PECVD等方法。
氧化硅膜的质量和厚度对器件的绝缘性能和电学特性有重要影响。
二、新型硅基半导体制备技术1. 氮化硅薄膜技术氮化硅薄膜是一种新型的绝缘层材料，具有优异的绝缘性能和热稳定性，逐渐取代传统的氧化硅膜。
氮化硅薄膜的制备技术包括PECVD、ALD等方法，可以实现高质量、均匀的薄膜沉积。
2. 低温多晶硅技术传统的单晶硅生长需要高温长时间的退火过程，成本高且能耗大。
低温多晶硅技术采用PECVD等方法在低温下生长多晶硅薄膜，可以降低制备成本并提高生产效率。
3. 柔性硅基半导体技术柔性硅基半导体是一种新型的硅基材料，具有高柔韧性和可弯曲性，适用于柔性电子器件的制备。
柔性硅基半导体技术包括薄膜剥离、柔性衬底等方法，为柔性电子器件的发展提供了新的可能性。
三、硅基半导体制备技术的发展趋势随着电子行业的不断发展，硅基半导体制备技术也在不断创新。
未来硅基半导体制备技术的发展趋势包括：1. 高性能材料的研究：开发新型硅基半导体材料，提高器件性能和集成度。
2. 绿色环保技术的应用：推广低能耗、低污染的硅基半导体制备技术，减少对环境的影响。
硅基半导体的制备技术
硅基半导体的制备技术硅基半导体是一种重要的材料，在电子行业中有广泛的应用。
它具有优良的电子特性和稳定性，因此被广泛用于集成电路、太阳能电池等领域。
本文将介绍硅基半导体的制备技术，包括单晶硅的生长、掺杂和薄膜沉积等关键步骤。
一、单晶硅的生长单晶硅是硅基半导体的基础材料，其生长过程需要高纯度的硅原料和精密的控制条件。
目前常用的单晶硅生长方法有Czochralski法和区域熔融法。
Czochralski法是一种常用的单晶硅生长方法。
首先，将高纯度的硅原料放入石英坩埚中，加热至高温熔化。
然后，在熔融硅液表面悬挂一根带有小晶种的单晶硅棒，通过旋转和提升下降的方式，逐渐拉出单晶硅棒。
在拉出的过程中，控制温度和拉速，使得硅液逐渐凝固形成单晶硅。
区域熔融法是另一种常用的单晶硅生长方法。
它通过在硅片上制造一定的掺杂区域，然后加热整个硅片，使得掺杂区域熔化。
随后，通过控制温度梯度，使得熔融区域逐渐移动，最终形成单晶硅。
二、掺杂掺杂是指向硅基半导体中引入杂质，以改变其电子特性。
常用的掺杂方法有扩散法和离子注入法。
扩散法是一种常用的掺杂方法。
它通过将硅片放入含有掺杂材料的气氛中，加热至高温，使得掺杂材料扩散到硅片中。
掺杂材料可以是五价元素如磷或三价元素如硼，通过控制温度和时间，可以控制掺杂的浓度和深度。
离子注入法是另一种常用的掺杂方法。
它通过将掺杂材料的离子注入到硅片中，使得掺杂材料与硅原子发生置换。
离子注入法具有高精度和可控性，适用于制备高精度的器件。
三、薄膜沉积薄膜沉积是指在硅基半导体表面沉积一层薄膜，用于制备各种器件结构。
常用的薄膜沉积方法有化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）。
化学气相沉积是一种常用的薄膜沉积方法。
它通过将气体中的前驱体在高温下分解，生成沉积物质并沉积在硅基半导体表面。
化学气相沉积具有高沉积速率和均匀性好的特点，适用于大面积薄膜的制备。
物理气相沉积是另一种常用的薄膜沉积方法。
它通过将金属或合金材料蒸发或溅射到硅基半导体表面，形成薄膜。
半导体制造工艺之晶体的生长概述
半导体制造工艺之晶体的生长概述晶体生长是半导体制造中至关重要的一步，它决定了半导体材料的质量和性能。
本文将概述半导体晶体的生长工艺，包括单晶生长、多晶生长和薄膜生长。
首先，单晶生长是制备高纯度单晶材料最常用的方法之一、单晶生长过程包括溶液法、气相法和陶瓷法等。
其中，溶液法是最早发展起来的单晶生长方法之一、在溶液法中，首先制备出含有半导体材料的溶液，然后通过控制溶液中的温度、浓度和溶液与环境接触的界面等条件来实现晶体的生长。
气相法利用气体中的半导体材料蒸汽沉积在基片上，并在其上形成单晶。
陶瓷法是将半导体材料粉末压制成形状可控的块状，并在高温下进行烧结，从而实现晶体的生长。
其次，多晶生长是制备大尺寸半导体材料的一种方法。
它通过在固态下将多个晶核生长成晶粒，形成多晶的材料。
多晶生长一般分为凝固法和熔融法。
凝固法中，通过一定条件下的凝固过程将原料直接转变为多晶体。
凝固法的一个典型例子是铸造法，即将熔化的半导体材料注入到石膏型中，随后通过凝固过程获得多晶体。
熔融法中，通过将原料加热至熔点，然后冷却成形，实现多晶体的生长。
最后，薄膜生长是一种制备半导体薄膜的方法。
薄膜生长涉及多种技术，包括物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD）、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）、分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE）等。
在物理气相沉积中，通过将半导体材料直接蒸发或溅射到基片上来形成薄膜。
在化学气相沉积中，通过化学反应使气体中的原子或分子转变为沉积在基片上的固态材料。
分子束外延是利用高纯度蒸发源，在真空环境下瞄准并发射精细束流的精确方法，将气体分子形成薄膜。
以上是半导体制造工艺中晶体生长的概述。
不同的晶体生长方法适用于不同的材料和应用，选择合适的生长方法对于获得高质量的晶体是至关重要的。
随着技术的发展，对晶体生长方法的研究也在不断进步，为半导体工业带来了更高效、更精确的制造工艺。
半导体材料晶体生长通用课件
气相生长法具有制备的晶体材料纯度高、结晶完整等优点 ，适用于制备小尺寸、高纯度的晶体材料。在气相生长法 中，需要选择合适的气体原料，控制反应温度、压力和气 体流速等参数，以获得高质量的晶体材料。
晶体生长的历史与发展
历史回顾
晶体生长技术的发展可以追溯到 19世纪中期，随着科技的不断进 步，晶体生长技术也在不断改进 和创新。
发展趋势
当前，半导体材料晶体生长正朝 着生长高质量大尺寸晶体、发展 新型晶体生长技术、探索新型半 导体材料等方向发展。
应用前景
随着5G通信、物联网、人工智能 等领域的快速发展，半导体材料 晶体生长技术的应用前景将更加 广阔。
等，以提高晶体的完整性和性能。
杂质和缺陷控制
02
严格控制晶体中的杂质和缺陷，如金属杂质、非金属杂质、空
位等，以提高半导体的电学和光学性能。
晶体尺寸与形状
03
随着应用需求的增加，需要生长更大尺寸、更规则形状的晶体
，以满足集成电路、光电子器件等领域的需求。
新材料与新技术的探索
新一代半导体材料
探索新型半导体材料，如硅基氮化物、碳化物、氧化物等，以提高 半导体的性能和适应性。
晶体生长是物质从液态、气态向固态转变的过程，涉及到原子或 分子的排列结构形成。
晶体生长的相平衡
在晶体生长过程中，需要了解液态和固态之间的相平衡关系，以及 不同温度、压力条件下的相变过程。
表面张力与晶体生长
表面张力是影响晶体生长的重要因素之一，它决定了晶体在生长过 程中的形态和结构。
晶体生长的热力学与动力学
溶液生长法
单晶硅的生长方法
单晶硅的生长方法1. 直拉法呀，就像我们小时候搭积木一样，一点点把单晶硅拉起来。
你看，在一个高温的坩埚里，把多晶硅熔化，然后用一根细细的籽晶去慢慢往上提拉，哇，单晶硅就这么神奇地生长出来啦！就像盖高楼一样，一层一层的。
2. 区熔法呢，这可有意思了，就好比是在一个局部区域进行一场特殊的“培育”。
把一根多晶硅棒固定，然后用一个加热环在上面移动，加热的地方就熔化啦，慢慢移动过去，单晶硅不就长出来了嘛！是不是很神奇呀！3. 外延生长法，哎呀呀，就好像给单晶硅穿上一件新衣服一样。
在一个已经有单晶硅的衬底上，让气态的反应物沉积上去，形成新的单晶硅层，这就像给它装饰打扮一番呢！4. 气相沉积法，就如同是在空中“变魔术”，让那些气体中的硅原子乖乖地聚集在一起变成单晶硅。
比如把含硅的气体通入反应室，它们就会乖乖地在合适的地方沉积下来成为单晶硅啦，多奇妙呀！5. 分子束外延法，这可是个精细活儿呀，就像一个细心的工匠在雕琢一件艺术品。
通过精确控制分子束的流量和方向，让单晶硅完美地生长出来，厉害吧！6. 固相晶体生长法，这就像是在一个安静的角落默默努力的小伙伴。
在固体状态下，通过一些特殊的条件，让单晶硅悄悄地生长，给人一种很踏实的感觉呢！7. 助熔剂法，好比是有了一个好帮手一样。
加入助熔剂来帮助单晶硅生长，就像有人在旁边助力，让单晶硅长得更好更快呢！8. 水热法，哇哦，就如同在一个温暖的水中“孕育”着单晶硅。
在特定的温度和压力下，让单晶硅在水中生长，是不是很特别呀！9. 熔盐法，这就好像是在一个充满魔法的盐世界里让单晶硅现身。
利用熔盐作为介质，单晶硅就神奇地冒出来啦，真的好有趣呀！10. 等离子体增强化学气相沉积法，就像有一股神奇的力量在推动着单晶硅生长。
利用等离子体来增强反应，让单晶硅快快长大，太有意思啦！我觉得呀，这些单晶硅的生长方法都好神奇，各有各的独特之处，都为我们的科技发展做出了重要贡献呢！。
半导体第三讲-下-单晶硅生长技术
单晶硅主要生长方法
直拉法生长单晶硅容易控制，产能 比区熔高，会引入杂质，应用于半 导体集成电路、二极管、外延片衬 底20、20/1太1/5阳能电池。
区熔法可生长出纯度高均匀性好的 单晶硅，应用于高电压大功率器件 上，如可控硅、可关断晶闸管。
2020/11/5
单晶硅简介
单晶硅属于立方晶系，金刚石结构，是一种性能优良 的半导体材料。
自上世纪 40 年代起开始使用多晶硅至今，硅材料的生 长技术已趋于完善，并广泛的应用于红外光谱频率光 学元件、红外及 射线探测器、集成电路、太阳能电池 等。
此外，硅没有毒性，且它的原材料石英(SiO2)构成了 大约60%的地壳成分，其原料供给可得到充分保障。
在磁场下生长单晶，当引入磁感应强度达 到一定值时，一切宏观对流均受到洛伦兹 力的作用而被抑制。
2020/11/5
垂直磁场对动量及热量的分布具有双重效 应。垂直磁场强度过大（Ha=1000/2000）， 不利于晶体生长。
对无磁场、垂直磁场、勾形磁场作用下熔 体内的传输特性进行比较后发现，随着勾 形磁场强度的增加，熔体内子午面上的流 动减弱，并且紊流强度也相应降低。
区熔硅的常规掺杂方法有硅芯掺杂、表面涂敷 掺杂、气相掺杂等，以气相掺杂最为常用。
2020/11/5
晶体缺陷 区熔硅中的晶体缺陷有位错和漩涡缺陷。
中子嬗变晶体还有辐照缺陷，在纯氢或氩 一氢混合气氛中区熔时，常引起氢致缺陷。
2020/11/5
通过在氩气气氛及真空环境下进行高阻区 熔硅单晶生长试验发现,与在氢气气氛下生长 硅单晶相比,在真空环境下采用较低的晶体生 长速率即可生长出无漩涡缺陷的单晶, 而当晶 体生长速度较高时, 尽管可以消除漩涡, 但单晶 的少子寿命却有明显的下降。在真空中生长无 漩涡缺陷单晶的生长速率,比在氢气气氛下生 长同样直径单晶的生长速率低,但漩涡缺陷对 单晶少子寿命的影响并不明显。
硅的直拉法单晶生长
直拉法单晶硅生长：凝固结晶的驱动力
• 在熔体长成晶体的过程中(Melt Growth)，藉由熔 体温度下降，将产生由液态转换成固态的相变化 (Phase Transformation)。这要从热力学观点来解 释。对于发生在等温等压的相变化，不同相之间 的相对稳定性，可有自由能G来决定。G=H—TS
• 其中H是焓，T是绝对温度，而S是熵。一个平衡 系统将具有最低的自由能。加入一个系统的自由 能△G高于最低值，它将设法降低△G以达到平衡 状态。因此我们可以将△G视为结晶的驱动力， 如图1．5所示。在温度T时，液固二相的自由能可 表示为： •
• 因此在温度T时 △G= △H-T△S • 另外在平衡的熔化温度Tm时，液固二相的 自由能是相等的，即△G=0，因此 • △G= △H-T△S=0 △S= △H／T • 其中△H即是所谓的结晶潜热。可得到 • △G= △H△T／T=△S△T • 其中△T=Tm- T，亦即所谓的过冷度，由于 凝固时，△S是个负值常数，所以△T可 • 被视为唯一的驱动力。
end
谢谢பைடு நூலகம்
• 直拉法是运用熔体的冷凝结晶驱动原理， 在固液界面处，藉由熔体温度下降，将 产生由液态转换成固态的相变化。当前 国际上供应单晶硅生长设备的主要著名 厂商是美国KAYEX公司和德国CGS公司。 这两个公司能供应生长不同直径的单晶 硅生长设备，尤其是生长直径大于 200ram的单晶硅生长设备系统。
• 为了生长质量合格(硅单晶电阻率、氧含量及氧浓度分布、 碳含量、金属杂质含量、缺陷等)的单晶硅棒，在采用直 拉法生长时，必须考虑以下问题。首先是根据技术要求， 选择使用合适的单晶生长设备；其次是要掌握一整套单 晶硅的制备工艺、技术，包括： (1)单晶硅系统内的热场 设计，确保晶体生长有合理稳定的温度梯度；(2)单晶硅 生长系统内的氩气气体系统设计； (3)单晶硅夹持技术系 统的设计；(4)为了提高生产效率的连续加料系统的设计； (5)单晶硅制备工艺的过程控制。
半导体第三讲 下 单晶硅生长技术36页PPT
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
Hale Waihona Puke 66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
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直拉法生长硅单晶
• 基本原理：原料装在一个坩埚中，坩埚上方有一可旋转和升降的 籽晶杆，杆的下端有一夹头，其上捆上一根籽晶。原料被加热器 熔化后，将籽晶插入熔体之中，控制合适的温度，使之达到过饱 和温度，边旋转边提拉，即可获得所需单晶。因此，单晶硅生长 的驱动力为硅熔体的过饱和。根据生长晶体不同的要求，加热方 式可用高频或中频感应加热或电阻加热。
2020/8/19
单晶硅简介
单晶硅属于立方晶系，金刚石结构，是一种性能 优良的半导体材料。 自上世纪 40 年代起开始使用多晶硅至今，硅材料 的生长技术已趋于完善，并广泛的应用于红外光谱 频率光学元件、红外及 射线探测器、集成电路、太 阳能电池等。 此外，硅没有毒性，且它的原材料石英(SiO2)构成 了大约60%的地壳成分，其原料供给可得到充分保 障。 硅材料的优点及用途决定了它是目前最重要、产 量最大、发展最快、用途最广泛的一种半导体材料。
2020/8/19
热系统改造示意图
直拉炉中增加热屏后平均拉速明显提高的原因主要有两个： 一方面，热屏阻止加热器的热量向晶体辐射，减弱了固液界面热辐
射力度； 另一方面，热屏起到了氩气导流作用。在敞开系统中，氩气流形成
漩涡，增加了炉内气氛流的的不稳定性，氩气对晶体的直接冷却能 力弱，不利于生长出无位错单晶。增加热屏后，漩涡消失，氩气流 速增加，对晶体的直接冷却和溶液界面吹拂能力加强。
2020/8/19
先进的热场构造
• 在现代下游IC产业对硅片品质依赖度日益增加的情况下, 热场的设计 要求越来越高 。
• 好的热场必须能够使炉内的温度分布达到最佳化，因此一些特殊的 热场元件正逐渐被使用在先进的CZ长晶炉内。
2020/8/19
先进的热场构造
任丙彦等对200mm太阳能用直拉单 晶的生长速率进行了研究。通过采用热 屏、复合式导流系统及双加热器改造直 拉炉的热系统进行不同热系统下的拉晶 试验，结果发现平均拉速可从0.6mm/min 提高到0.9mm/min，提升了50%。
• 单晶棒:据估计，CZ法长晶法约占整个Si单晶市场的82%， 其余采用悬浮区熔法制备。
单晶硅主要生长方法
直拉法生长单晶硅容易控制，产能 比区熔高，会引入杂质，应用于半 导体集成电路、二极管、外延片衬 底202、0/8/1太9 阳能电池。
区熔法可生长出纯度高均匀性好的 单晶硅，应用于高电压大功率器件 上，如可控硅、可关断晶闸管。
单晶硅生长技术现状
2020/8/19
单晶硅简介
• 硅(Si)材料是信息技术、电子技术和光伏技术最 重要的基础材料。 • 从某种意义上讲, 硅是影响国家未来在高新技术 和能源领域实力的战略资源。 • 作为一种功能材料, 其性能应该是各向异性的, 因 此半导体硅大都应该制备成硅单晶, 并加工成抛 光片, 方可制造IC器件, 超过98%的电子元件都是 使用硅单晶
• 目前，抑制热对流最常用的方法是在长晶系统内加装磁场。 • 在磁场下生长单晶，当引入磁感应强度达到一定值时，一切宏观
对流均受到洛伦兹力的作用而被抑制。
2020/8/19• Si Nhomakorabea晶的生长是将Si原料在1420℃以上的温度下融化， 再小心的控制液态一固态凝固过程，以长出直径4英寸、 5英寸、6英寸或8英寸的单一结晶体。
• 目前常用的晶体生长技术有:①提拉法，也称CZ法是将Si 原料在石英塔中加热融化，再将籽晶种入液面，通过旋 转和上拉长出单品棒②悬浮区熔法(floating zone technique),即将一多晶硅棒通过环带状加热器使多晶硅 棒产生局部融化现象，再控制凝固过程而生成
2020/8/19
工艺及化学反应式分别如下
• 1.盐酸化处理
将冶金级Si置于流床反应器中，通人盐酸形成 SiHCI
2.蒸馏提纯
置于蒸馏塔中，通过蒸馏的方法去除其他的反应杂质
• 3.分解析出多晶硅
将上面已纯化的SiHCl}置于化学气相沉积反应炉中与氢 气，发生还原反应，使得单质Si在炉内高纯度细长硅棒 表面析出，再将此析出物击碎即成块状多晶硅
2020/8/19
温度-距离曲线（晶体）
在CZ长晶过程中 ，当熔体中的温度梯 度越小而晶体温度梯 度越大时，生长速率 越高。
2020/8/19
与敞开系统相 比，密闭系统界面 附近晶体轴向温度 梯度增大约10℃， 而熔体中轴向温度 梯度降低约5℃。
温度-距离曲线（熔体）
磁场直拉法
• 今年来，随着生产规模的扩大，直拉单晶硅正向大直径发展，投 料量急剧增加。由于大熔体严重的热对流不但影响晶体质量，甚 至会破坏单晶生长。
2020/8/19
应用简介
2020/8/19
2020/8/19
单晶硅生长的原材料:多晶硅原料的制备 技术
• 地球上Si材料的含量丰富，它以硅砂的Sia:状态存在于 地球表面。从硅砂中融熔还原形成低纯度的Si是制造高 纯度Si的第一步。将Si仇与焦炭、煤及木屑等混合，置 于石墨电弧炉中在1 SDO℃一2 000℃下加热，将氧化物 分解还原，可以获得纯度为98%的多晶硅。接下来需将这 种多晶硅经一系列的化学过程逐步纯化，其工艺及化学 反应式分别如下:
2020/8/19
2020/8/19
直拉法单晶硅生长原理示意图
直拉法单晶硅生长设备
整个生长系统主要包括：
晶体旋转提拉系统 加热系统 坩埚旋转提拉系统 控制系统等
。
2020/8/19
1 －晶体上升旋转机构； 2 －吊线； 3 －隔离阀； 4 －籽晶夹头； 5 －籽晶； 6 －石英坩埚； 7 －石 墨坩埚； 8 －加热器； 9 －绝缘材料； 10－真空泵； 11 －坩埚上升旋转机构； 12 －控制系统； 13 － 直径控制传感器； 14 －氩气； 15 －硅熔体
2020/8/19
直拉法生长单晶硅设备实物图与示意图
直拉法单晶硅生长工艺
• 直拉法生长单晶硅的制备步骤一般包括： （1）多晶硅的装料和熔化 （2）引晶 （3）缩颈 （4）放肩 （5）等颈 （6）收尾
2020/8/19
2020/8/19
直拉法生长单晶硅工艺流程图
目前, 直拉法生产工艺的研究热点主要有: • 先进的热场构造 • 磁场直拉法 • 对单晶硅中氧浓度的控制