硅单晶的制备
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四氯化硅溶液中各化合组 分沸点不同，选取适当的温 度可以将其分离。
四氯化硅氢还原法
2、吸附法——固体吸附法
利用分子极性进行分离，判断化学键的极性与分子的极性。
判断：CCl4 、H2 、H2O2
四氯化硅为非极性分子，三氯化磷为极性分子， 选择一种吸附剂，能对极性分子有吸附力，对非极性 分子没有吸附力。
当K大于1时，固相杂质浓度大于液相杂质浓度， 沿锭长方向逐段凝固时杂质将留在头部-固相端；
CS K CC
当K小于1时，固相杂质浓度小于液相杂质浓度，
沿锭长方向逐段凝固时杂质将留在尾部-液相端；
锭长方向
固相
液相
多晶硅的提纯
质量检验：符合标准规定的单晶拉制材料
质量检验内容： 【表面有无氧化：有氧化时色泽变暗】 【测定多晶硅纯度：6至9个“9”以上可用来制备单晶硅】
硅烷热分解法
一、硅烷制备
硅烷由硅化镁和氯化铵反应制得：
Mg2Si 4NH4Cl SiH4 2MgCl2 4NH3
二、硅烷提纯 方法：减压精馏、吸附等 三、硅烷高温分解
8001000C
SiH 4
Si 2H 2
多晶硅制备工艺流程
多晶硅的提纯
上述方法制备的多晶硅浓度总体不高，在进入单晶
硅制备设备之前还需进行多晶硅的纯化处理。
方法：区域提纯法——区熔法：分凝现象
分凝现象：含有杂质的材料，经熔化后再缓慢凝固时， 固体中各部分杂质浓度不相同，原来杂质分布均匀的材料， 经熔化和凝固后，杂质分布不再均匀，有些地方杂质多，
有些地方杂质少，则实现了杂质分离。
多晶硅的提纯
杂质分凝程度可用分凝系数K来表达：
三氯氢硅氢还原法
第一步：三氯氢硅制备 三氯化硅由干燥的氯化氢与硅粉反应得到：
Si 3HCl
200 300C
SiHCl3 H 2
第二步：三氯氢硅的提纯—与四氯化硅相类似
思考：能否吸附法提纯？ 第三步：三氯氢硅还原制备多晶硅
SiHCl3 H2
9001000C
Si 3HCl
四氯化硅氢还原法
活性氧化铝：极性吸附剂—同性相吸，异性相斥 严格控制加热速率，于773K加热制成多孔结构的活性物质
吸附纯化后，四氯化硅纯度可达6至9个“9”， 既99.9999%，可用来制备多晶硅。
第三步：四氯化硅还原制得多晶硅
SiCl4 2H2
1100 1200 C
Si 4HCl
硅单晶体的制备
桂林电子科技大学职业技术学院
一、多晶硅的制备
多晶硅是硅的多晶体，与硅单晶体的显著区别在于部分
晶格原子的无序排列；但多晶硅是制备单晶硅的原始材料。
高纯硅的制备通常首先由硅石（二氧化硅）制得工业硅
（粗硅—纯度低、杂质多），再制成高纯多晶硅，经拉制得 到半导体材料单晶硅，或称硅单晶。
多晶硅制备原理与方法 多晶硅制备方法原理——还原与分解
二、单晶硅的制备
硅石粗硅高纯多晶硅单晶硅（成核+生长） 制备原理：类似于“结冰”现象，当熔融体 温度降低到某一温度时，许多细小晶粒在熔体中 出现，然后逐渐长大，构成晶体材料……
结晶条件：1、温度降低到结晶温度以下—“过冷”
2、必须有结晶中心（籽晶）
二、单晶硅的制备
晶体性质：熔点温度以上时，液态自由 能低于固态；熔点温度以下时，固态自由能 低于液态。 过冷状态熔融态多晶硅，固态自由能低，
直拉法主要应用于微电子集成电路和太阳能电池方
面，是单晶硅制备的主体技术。
单晶拉制生长设备
设备构成
主体设备：单晶炉
炉体 机械传动系统 加热温控系统 真空或惰性气体输送系统
单晶炉
直拉法
基本原理：
多晶硅原料被装在一个坩埚内，坩埚上方有一
可旋转和升降的籽晶杆，杆下端有一个夹头，用
于夹住籽晶。原料被加热器熔化后，将籽晶放入
熔体内，控制合适的温度，使之达到饱和温度，
边旋转边提拉，即可获得所需硅单晶。
直拉法具体操作方法
具体操作步骤如下：
1、清洁处理 对炉腔、坩埚、籽晶、多晶硅料和掺杂合金材料进行严格清洁； 清洁处理完毕后用高纯去离子水冲洗至中性后烘干备用； 2、装炉 将粉碎后硅料装入石英坩埚内，把带掺杂合金分别装入坩埚和掺杂 勺内，随后把清洁好的籽晶安装到籽晶轴夹头上，盖好籽晶罩； 3、加热熔化 加热前打开炉腔内冷却水，当真空度或惰性气体含量达到要求时开始加热； 合理控制加热速度，防止出现“搭桥”和“跳硅”现象； 待硅料全部熔化后，选择合适籽晶温度，准备下种拉晶。
悬浮区熔法简介
优点：
可有效控百度文库杂质含量
氮 气 气 氛
高 频 加 热
一旦存在籽晶，就会沿着结晶中心结晶固化
。若存在多种结晶中心，则会产生多晶体。 单晶硅制备控制重点：良好籽晶的选择
单晶硅的制备方法
当前制备单晶硅两种主要方法：
直拉（拉晶）法（Czochralski Method） 悬浮区熔法（Float Zone Method） 两方法制备的单晶硅具有不同特性和器件应用领域 ，区熔法制备单晶硅主要应用于大功率电器领域；
直拉法具体操作方法
4、拉晶
1）下种：下降籽晶使之与熔融硅液面接触进行引晶； 2）缩颈：略微升温，起拉进行缩颈（或收颈）； 3）放肩：略微降温、降速，让晶体逐渐长大至所需直径； 4）等径生长：放肩进入到所需直径前进行升温，等径生长； 5）收尾拉光：适当升高温度，加速使坩埚内液体全部拉光；
拉晶过程示意
常见的多晶硅制备方法主要有三种：
四氯化硅氢还原法
三氯氢硅氢还原法
硅烷热分解法
四氯化硅氢还原法
第一步：四氯化硅制备
SiO 2 3C SiC 2CO 2SiC SiO 2 3Si(粗硅）+2CO Si(粗硅） 2Cl2 SiCl4
第二步：四氯化硅提纯 1、精馏法—分馏
四氯化硅氢还原法
2、吸附法——固体吸附法
利用分子极性进行分离，判断化学键的极性与分子的极性。
判断：CCl4 、H2 、H2O2
四氯化硅为非极性分子，三氯化磷为极性分子， 选择一种吸附剂，能对极性分子有吸附力，对非极性 分子没有吸附力。
当K大于1时，固相杂质浓度大于液相杂质浓度， 沿锭长方向逐段凝固时杂质将留在头部-固相端；
CS K CC
当K小于1时，固相杂质浓度小于液相杂质浓度，
沿锭长方向逐段凝固时杂质将留在尾部-液相端；
锭长方向
固相
液相
多晶硅的提纯
质量检验：符合标准规定的单晶拉制材料
质量检验内容： 【表面有无氧化：有氧化时色泽变暗】 【测定多晶硅纯度：6至9个“9”以上可用来制备单晶硅】
硅烷热分解法
一、硅烷制备
硅烷由硅化镁和氯化铵反应制得：
Mg2Si 4NH4Cl SiH4 2MgCl2 4NH3
二、硅烷提纯 方法：减压精馏、吸附等 三、硅烷高温分解
8001000C
SiH 4
Si 2H 2
多晶硅制备工艺流程
多晶硅的提纯
上述方法制备的多晶硅浓度总体不高，在进入单晶
硅制备设备之前还需进行多晶硅的纯化处理。
方法：区域提纯法——区熔法：分凝现象
分凝现象：含有杂质的材料，经熔化后再缓慢凝固时， 固体中各部分杂质浓度不相同，原来杂质分布均匀的材料， 经熔化和凝固后，杂质分布不再均匀，有些地方杂质多，
有些地方杂质少，则实现了杂质分离。
多晶硅的提纯
杂质分凝程度可用分凝系数K来表达：
三氯氢硅氢还原法
第一步：三氯氢硅制备 三氯化硅由干燥的氯化氢与硅粉反应得到：
Si 3HCl
200 300C
SiHCl3 H 2
第二步：三氯氢硅的提纯—与四氯化硅相类似
思考：能否吸附法提纯？ 第三步：三氯氢硅还原制备多晶硅
SiHCl3 H2
9001000C
Si 3HCl
四氯化硅氢还原法
活性氧化铝：极性吸附剂—同性相吸，异性相斥 严格控制加热速率，于773K加热制成多孔结构的活性物质
吸附纯化后，四氯化硅纯度可达6至9个“9”， 既99.9999%，可用来制备多晶硅。
第三步：四氯化硅还原制得多晶硅
SiCl4 2H2
1100 1200 C
Si 4HCl
硅单晶体的制备
桂林电子科技大学职业技术学院
一、多晶硅的制备
多晶硅是硅的多晶体，与硅单晶体的显著区别在于部分
晶格原子的无序排列；但多晶硅是制备单晶硅的原始材料。
高纯硅的制备通常首先由硅石（二氧化硅）制得工业硅
（粗硅—纯度低、杂质多），再制成高纯多晶硅，经拉制得 到半导体材料单晶硅，或称硅单晶。
多晶硅制备原理与方法 多晶硅制备方法原理——还原与分解
二、单晶硅的制备
硅石粗硅高纯多晶硅单晶硅（成核+生长） 制备原理：类似于“结冰”现象，当熔融体 温度降低到某一温度时，许多细小晶粒在熔体中 出现，然后逐渐长大，构成晶体材料……
结晶条件：1、温度降低到结晶温度以下—“过冷”
2、必须有结晶中心（籽晶）
二、单晶硅的制备
晶体性质：熔点温度以上时，液态自由 能低于固态；熔点温度以下时，固态自由能 低于液态。 过冷状态熔融态多晶硅，固态自由能低，
直拉法主要应用于微电子集成电路和太阳能电池方
面，是单晶硅制备的主体技术。
单晶拉制生长设备
设备构成
主体设备：单晶炉
炉体 机械传动系统 加热温控系统 真空或惰性气体输送系统
单晶炉
直拉法
基本原理：
多晶硅原料被装在一个坩埚内，坩埚上方有一
可旋转和升降的籽晶杆，杆下端有一个夹头，用
于夹住籽晶。原料被加热器熔化后，将籽晶放入
熔体内，控制合适的温度，使之达到饱和温度，
边旋转边提拉，即可获得所需硅单晶。
直拉法具体操作方法
具体操作步骤如下：
1、清洁处理 对炉腔、坩埚、籽晶、多晶硅料和掺杂合金材料进行严格清洁； 清洁处理完毕后用高纯去离子水冲洗至中性后烘干备用； 2、装炉 将粉碎后硅料装入石英坩埚内，把带掺杂合金分别装入坩埚和掺杂 勺内，随后把清洁好的籽晶安装到籽晶轴夹头上，盖好籽晶罩； 3、加热熔化 加热前打开炉腔内冷却水，当真空度或惰性气体含量达到要求时开始加热； 合理控制加热速度，防止出现“搭桥”和“跳硅”现象； 待硅料全部熔化后，选择合适籽晶温度，准备下种拉晶。
悬浮区熔法简介
优点：
可有效控百度文库杂质含量
氮 气 气 氛
高 频 加 热
一旦存在籽晶，就会沿着结晶中心结晶固化
。若存在多种结晶中心，则会产生多晶体。 单晶硅制备控制重点：良好籽晶的选择
单晶硅的制备方法
当前制备单晶硅两种主要方法：
直拉（拉晶）法（Czochralski Method） 悬浮区熔法（Float Zone Method） 两方法制备的单晶硅具有不同特性和器件应用领域 ，区熔法制备单晶硅主要应用于大功率电器领域；
直拉法具体操作方法
4、拉晶
1）下种：下降籽晶使之与熔融硅液面接触进行引晶； 2）缩颈：略微升温，起拉进行缩颈（或收颈）； 3）放肩：略微降温、降速，让晶体逐渐长大至所需直径； 4）等径生长：放肩进入到所需直径前进行升温，等径生长； 5）收尾拉光：适当升高温度，加速使坩埚内液体全部拉光；
拉晶过程示意
常见的多晶硅制备方法主要有三种：
四氯化硅氢还原法
三氯氢硅氢还原法
硅烷热分解法
四氯化硅氢还原法
第一步：四氯化硅制备
SiO 2 3C SiC 2CO 2SiC SiO 2 3Si(粗硅）+2CO Si(粗硅） 2Cl2 SiCl4
第二步：四氯化硅提纯 1、精馏法—分馏