一单晶硅的切割1切断
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
5
杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质， 就会使半导体的导电性能发生显著变化。
其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度 大大增加。载流子：电子，空穴
N型半导体（主要载流子为电子[+]，电子半导 体） P型半导体（主要载流子为空穴[-]，空穴半导 体）
6
N型半导体 硅原子
磷原子
Si
Si
多余电子
P
Si
20
四氯化硅还原法 （从砂到硅）
加熱 (2000° C)
SiO2 砂
+
C 碳
Si + 冶金級矽
CO2 二氧化碳
21
制备TCS（三氯硅烷）
氯化氫
Si + HCl 冷凝器
反應器, 300 C 矽粉末
TCS
過濾器 99.9999999%純 度的三氯矽烷
22
純化器
电子级硅材料
加熱 (1100 ° C) SiHCl3 + H2 Si + 3HCl
17
多晶硅的制备 单晶硅制备
单晶硅性能测试
单晶硅加工，形成晶圆
18
多晶硅的制备方法
四氯化硅还原法 三氯氢硅氢还原法 硅烷热分解法
19
四氯化硅还原法 （从砂到硅）
石英砂的主要成份是二氧化硅 从沙到冶金级硅 (MGSmetallurgical grade(MG) silicon纯度98％～99％) MGS 粉末放进反应炉和氯化氢反应生三氯硅烷(TCS) 经由气化和凝结过程纯化三氯硅烷 三氯硅烷和氢气反应生成电子级硅材料(EGS) EGS熔化和晶体提拉制备单晶硅 直拉法 悬浮区熔法
三氯矽烷
氫氣
電子級矽材料
氯化氫
23
反应室
製程反 應室
氫和三氯矽 烷 液態三 氯矽烷 TCS+H2EGS+HCl
H2
電子級 矽材料
載送氣體 的氣泡
24
电子级硅材料
資料來源: http://www.fullman.com/semiconductors/_polysilicon.html
N型硅表示
+
7
源自文库
P型半导体
硅原子 空穴
Si B
Si
Si
硼原子
P型硅表示
空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动
8
1.1、 半导体的主要特征
⒈ 电阻率ρ:电阻率可在很大范围内变化
绝缘体
1012—1022 Ω.cm
半导体
10-6—1012 Ω.cm
导体
≤10-6Ω.cm
硅
2x105
Ωcm
B
10-5
P 10-5
10
5.具有光生 伏特效应
1839年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现，光照能使半导体 材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打 效应”，简称“光伏效应”。
11
1.2半导体材料硅的结构特征
物质分为晶体(单晶，多晶)和非晶体
单晶体:由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列
13
硅的晶体结构：金刚石结构
金刚石结构 每个原子周围有四个最邻 近的原子，这四个原子处 于正四面体的顶角上，任 一顶角上的原子和中心原 子各贡献一个价电子为该 两个原子所共有，并形成 稳定的共价键结构。 共价键夹角：109˚28’
14
<100>,<111>平面是单晶晶圆中最常用的方 向。<100>的晶圆较常用来作金属氧化物半 导体集成电路，而<111>方向的晶圆则通常 用来制造双极型晶体管和集成电路，因为 <111>方向的原子表面密度高，故该面较为 坚固且比较适合高功率的元件。
第一章 硅材料及衬底制备
1
本章重点：
1.半导体材料的主要特点 2.硅的晶体结构 3.硅单晶材料的加工制造过程 4.直拉法生长单晶过程 5. 集成电路的发展对硅片的要求
2
半导体材料
目前用于制造半导体器件的材料有： 元素半导体（Si Ge） 化合物半导体（GaAs InSb锑化铟） 本征半导体： 不含任何杂质的纯净半导体，其纯度在99.999999% （8~10个9）。 掺杂半导体： 半导体材料对杂质的敏感性非常强，例如在Si中掺 入千万分之一的磷( P )或者硼（B），就会使电阻 率降低20万倍。
0.2 Ωcm
2x105
2.负电阻温度系数
Si：T=300K ρ=2 x 105 Ωcm
T=320K ρ=2 x 104Ωcm 3.具有整流效应
Ea exp( ) K BT
9
4.光电导效应
在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度， 就激发 出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增 加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就 是基于这种效应的光电器件。
3
硅的共价键结构
+4
+4表示除 去价电子 后的原子
+4
共价键共 用电子对
+4
+4
4
形成共价键后，每个原子的最外层电 子是八个，构成稳定结构。
+4 +4
+4
+4
共价键有很强的结合力， 使原子规则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共 价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子 很难脱离共价键成为自由电子，因此本征 半导体中的自由电子很少，所以本征半导 体的导电能力很弱。
构成的固体物质。
（1）一种物质是否是晶体是由其内部结构决定的，而非由
外观判断；
（2）周期性是晶体结构最基本的特征 多晶体：小区域内原子周期性排列，整体不规则 非晶体：原子排列无序
12
晶体的特点
1）均匀性,原子周期性排列.
2）各向异性,也叫非均质性.(各个方向上物
理和化学性质不同) 3）有明显确定的熔点 4）有特定的对称性 5）使X射线产生衍射
15
晶体的缺陷
点缺陷 线缺陷（位错） 面缺陷（层错）
16
1.5半导体硅材料及硅衬底晶片的制 制备原材料－－多晶硅（polysilicon） 备
多晶硅按纯度分类可以分为冶金级（工业 硅）、太阳能级、电子级。
1、冶金级硅（MG）：是硅的氧化物在电弧炉中被碳 还原而成。一般含Si 为90 - 95% 以上，高达 99.8% 以上。 2、太阳级硅 (SG)：纯度介于冶金级硅与电子级硅之 间，至今未有明确界定。一般认为含Si在 99.99 %– 99.9999%（4～6个9）。主要用于太阳能电池芯片的 生产制造 3、电子级硅（EG）：一般要求含Si > 99.9999 %以 上，超高纯达到99.9999999%～99.999999999%（9～ 11个9）。其导电性介于 10-4 – 1010 欧厘米。主要用 于半导体芯片制造。
杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质， 就会使半导体的导电性能发生显著变化。
其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度 大大增加。载流子：电子，空穴
N型半导体（主要载流子为电子[+]，电子半导 体） P型半导体（主要载流子为空穴[-]，空穴半导 体）
6
N型半导体 硅原子
磷原子
Si
Si
多余电子
P
Si
20
四氯化硅还原法 （从砂到硅）
加熱 (2000° C)
SiO2 砂
+
C 碳
Si + 冶金級矽
CO2 二氧化碳
21
制备TCS（三氯硅烷）
氯化氫
Si + HCl 冷凝器
反應器, 300 C 矽粉末
TCS
過濾器 99.9999999%純 度的三氯矽烷
22
純化器
电子级硅材料
加熱 (1100 ° C) SiHCl3 + H2 Si + 3HCl
17
多晶硅的制备 单晶硅制备
单晶硅性能测试
单晶硅加工，形成晶圆
18
多晶硅的制备方法
四氯化硅还原法 三氯氢硅氢还原法 硅烷热分解法
19
四氯化硅还原法 （从砂到硅）
石英砂的主要成份是二氧化硅 从沙到冶金级硅 (MGSmetallurgical grade(MG) silicon纯度98％～99％) MGS 粉末放进反应炉和氯化氢反应生三氯硅烷(TCS) 经由气化和凝结过程纯化三氯硅烷 三氯硅烷和氢气反应生成电子级硅材料(EGS) EGS熔化和晶体提拉制备单晶硅 直拉法 悬浮区熔法
三氯矽烷
氫氣
電子級矽材料
氯化氫
23
反应室
製程反 應室
氫和三氯矽 烷 液態三 氯矽烷 TCS+H2EGS+HCl
H2
電子級 矽材料
載送氣體 的氣泡
24
电子级硅材料
資料來源: http://www.fullman.com/semiconductors/_polysilicon.html
N型硅表示
+
7
源自文库
P型半导体
硅原子 空穴
Si B
Si
Si
硼原子
P型硅表示
空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动
8
1.1、 半导体的主要特征
⒈ 电阻率ρ:电阻率可在很大范围内变化
绝缘体
1012—1022 Ω.cm
半导体
10-6—1012 Ω.cm
导体
≤10-6Ω.cm
硅
2x105
Ωcm
B
10-5
P 10-5
10
5.具有光生 伏特效应
1839年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现，光照能使半导体 材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打 效应”，简称“光伏效应”。
11
1.2半导体材料硅的结构特征
物质分为晶体(单晶，多晶)和非晶体
单晶体:由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列
13
硅的晶体结构：金刚石结构
金刚石结构 每个原子周围有四个最邻 近的原子，这四个原子处 于正四面体的顶角上，任 一顶角上的原子和中心原 子各贡献一个价电子为该 两个原子所共有，并形成 稳定的共价键结构。 共价键夹角：109˚28’
14
<100>,<111>平面是单晶晶圆中最常用的方 向。<100>的晶圆较常用来作金属氧化物半 导体集成电路，而<111>方向的晶圆则通常 用来制造双极型晶体管和集成电路，因为 <111>方向的原子表面密度高，故该面较为 坚固且比较适合高功率的元件。
第一章 硅材料及衬底制备
1
本章重点：
1.半导体材料的主要特点 2.硅的晶体结构 3.硅单晶材料的加工制造过程 4.直拉法生长单晶过程 5. 集成电路的发展对硅片的要求
2
半导体材料
目前用于制造半导体器件的材料有： 元素半导体（Si Ge） 化合物半导体（GaAs InSb锑化铟） 本征半导体： 不含任何杂质的纯净半导体，其纯度在99.999999% （8~10个9）。 掺杂半导体： 半导体材料对杂质的敏感性非常强，例如在Si中掺 入千万分之一的磷( P )或者硼（B），就会使电阻 率降低20万倍。
0.2 Ωcm
2x105
2.负电阻温度系数
Si：T=300K ρ=2 x 105 Ωcm
T=320K ρ=2 x 104Ωcm 3.具有整流效应
Ea exp( ) K BT
9
4.光电导效应
在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度， 就激发 出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增 加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就 是基于这种效应的光电器件。
3
硅的共价键结构
+4
+4表示除 去价电子 后的原子
+4
共价键共 用电子对
+4
+4
4
形成共价键后，每个原子的最外层电 子是八个，构成稳定结构。
+4 +4
+4
+4
共价键有很强的结合力， 使原子规则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共 价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子 很难脱离共价键成为自由电子，因此本征 半导体中的自由电子很少，所以本征半导 体的导电能力很弱。
构成的固体物质。
（1）一种物质是否是晶体是由其内部结构决定的，而非由
外观判断；
（2）周期性是晶体结构最基本的特征 多晶体：小区域内原子周期性排列，整体不规则 非晶体：原子排列无序
12
晶体的特点
1）均匀性,原子周期性排列.
2）各向异性,也叫非均质性.(各个方向上物
理和化学性质不同) 3）有明显确定的熔点 4）有特定的对称性 5）使X射线产生衍射
15
晶体的缺陷
点缺陷 线缺陷（位错） 面缺陷（层错）
16
1.5半导体硅材料及硅衬底晶片的制 制备原材料－－多晶硅（polysilicon） 备
多晶硅按纯度分类可以分为冶金级（工业 硅）、太阳能级、电子级。
1、冶金级硅（MG）：是硅的氧化物在电弧炉中被碳 还原而成。一般含Si 为90 - 95% 以上，高达 99.8% 以上。 2、太阳级硅 (SG)：纯度介于冶金级硅与电子级硅之 间，至今未有明确界定。一般认为含Si在 99.99 %– 99.9999%（4～6个9）。主要用于太阳能电池芯片的 生产制造 3、电子级硅（EG）：一般要求含Si > 99.9999 %以 上，超高纯达到99.9999999%～99.999999999%（9～ 11个9）。其导电性介于 10-4 – 1010 欧厘米。主要用 于半导体芯片制造。