多晶硅生產(chǎn)工藝和反應(yīng)原理(已修改)
2025-06-28 01:52 本頁(yè)面
【正文】 多晶硅生產(chǎn)工藝和反應(yīng)原理第一節(jié)多晶硅的基礎(chǔ)知識(shí)多晶硅的基礎(chǔ)知識(shí) 重要的半導(dǎo)體材料，化學(xué)元素符號(hào)Si，電子工業(yè)上使用的硅應(yīng)具有高純度和優(yōu)良的電學(xué)和機(jī)械等性能。硅是產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料，它的產(chǎn)量和用量標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家的電子工業(yè)水平。 在研究和生產(chǎn)中，硅材料與硅器件相互促進(jìn)。在第二次世界大戰(zhàn)中，開始用硅制作雷達(dá)的高頻晶體檢波器。所用的硅純度很低又非單晶體。1950年制出第一只硅晶體管，提高了人們制備優(yōu)質(zhì)硅單晶的興趣。1952年用直拉法(CZ)培育硅單晶成功。1953年又研究出無(wú)坩堝區(qū)域熔化法(FZ)，既可進(jìn)行物理提純又能拉制單晶。1955年開始采用鋅還原四氯化硅法生產(chǎn)純硅，但不能滿足制造晶體管的要求。1956年研究成功氫還原三氯氫硅法。對(duì)硅中微量雜質(zhì)又經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的探索后，氫還原三氯氫硅法成為一種主要的方法。到1960年，用這種方法進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)已具規(guī)模。硅整流器與硅閘流管的問(wèn)世促使硅材料的生產(chǎn)一躍而居半導(dǎo)體材料的首位。60年代硅外延生長(zhǎng)單晶技術(shù)和硅平面工藝的出現(xiàn)，不但使硅晶體管制造技術(shù)趨于成熟，而且促使集成電路迅速發(fā)展。80年代初全世界多晶硅產(chǎn)量已達(dá)2500噸。硅還是有前途的太陽(yáng)電池材料之一。用多晶硅制造太陽(yáng)電池的技術(shù)已經(jīng)成熟；無(wú)定形非晶硅膜的研究進(jìn)展迅速；非晶硅太陽(yáng)電池開始進(jìn)入市場(chǎng)。 化學(xué)成分 硅是元素半導(dǎo)體。拉制單晶時(shí)要摻入一定量的電活性雜質(zhì)，以獲得所要求的導(dǎo)電類型和電阻率。重金屬銅、金、鐵等和非金屬碳都是極有害的雜質(zhì)，它們的存在會(huì)使PN結(jié)性能變壞。硅中碳含量較高，低于1ppm者可認(rèn)為是低碳單晶。碳含量超過(guò)3ppm時(shí)其有害作用已較顯著。硅中氧含量甚高。氧的存在有益也有害。直拉硅單晶氧含量在5～40ppm范圍內(nèi)；區(qū)熔硅單晶氧含量可低于1ppm。 硅的性質(zhì) 硅具有優(yōu)良的半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)。禁帶寬度適中。載流子遷移率較高，電子遷移率為1350厘米2/伏?秒，空穴遷移率為480厘米2/伏?秒。本征電阻率在室溫(300K)105歐?厘米,摻雜后電阻率可控制在104～104 歐?厘米的寬廣范圍內(nèi)，能滿足制造各種器件的需要。硅單晶的非平衡少數(shù)載流子壽命較長(zhǎng),在幾十微秒至1毫秒之間。熱導(dǎo)率較大。化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，又易于形成穩(wěn)定的熱氧化膜。在平面型硅器件制造中可以用氧化膜實(shí)現(xiàn)PN結(jié)表面鈍化和保護(hù)，還可以形成金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),制造MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管和集成電路。上述性質(zhì)使PN結(jié)具有良好特性，使硅器件具有耐高壓、反向漏電流小、效率高、使用壽命長(zhǎng)、可靠性好、熱傳導(dǎo)好，并能在200高溫下運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。 硅單晶的主要技術(shù)參數(shù) 硅單晶主要技術(shù)參數(shù)有導(dǎo)電類型、電阻率與均勻度、非平衡載流子壽命、晶向與晶向偏離度、晶體缺陷等。 導(dǎo)電類型 導(dǎo)電類型由摻入的施主或受主雜質(zhì)決定。P型單晶多摻硼，N型單晶多摻磷,外延片襯底用N型單晶摻銻或砷。 電阻率與均勻度 拉制單晶時(shí)摻入一定雜質(zhì)以控制單晶的電阻率。由于雜質(zhì)分布不勻，電阻率也不均勻。電阻率均勻性包括縱向電阻率均勻度、斷面電阻率均勻度和微區(qū)電阻率均勻度。它直接影響器件參數(shù)的一致性和成品率。 非平衡載流子壽命 光照或電注入產(chǎn)生的附加電子和空穴瞬即復(fù)合而消失，它們平均存在的時(shí)間稱為非平衡載流子的壽命。非平衡載流子壽命同器件放大倍數(shù)、反向電流和開關(guān)特性等均有關(guān)系。壽命值又間接地反映硅單晶的純度，存在重金屬雜質(zhì)會(huì)使壽命值大大降低。 晶向與晶向偏離度 常用的單晶晶向多為 (111)和(100)（見(jiàn)圖）。晶體的軸與晶體方向不吻合時(shí)，其偏離的角度稱為晶向偏離度。 晶體缺陷 生產(chǎn)電子器件用的硅單晶除對(duì)位錯(cuò)密度有一定限制外，不允許有小角度晶界、位錯(cuò)排、星形結(jié)構(gòu)等缺陷存在。位錯(cuò)密度低于 200/厘米2者稱為無(wú)位錯(cuò)單晶，無(wú)位錯(cuò)硅單晶占產(chǎn)量的大多數(shù)。在無(wú)位錯(cuò)硅單晶中還存在雜質(zhì)原子、空位團(tuán)、自間隙原子團(tuán)、氧碳或其他雜質(zhì)的沉淀物等微缺陷。微缺陷集合成圈狀或螺旋狀者稱為旋渦缺陷。熱加工過(guò)程中，硅單晶微缺陷間的相互作用及變化直接影響集成電路的成敗。 類型和應(yīng)用 硅單晶按拉制方法不同分為無(wú)坩堝區(qū)熔(FZ)單晶與有坩堝直拉(CZ)單晶。區(qū)熔單晶不受坩堝污染，純度較高，適于生產(chǎn)電阻率高于20歐?厘米的N型硅單晶（包括中子嬗變摻雜單晶）和高阻 P型硅單晶。由于含氧量低，區(qū)熔單晶機(jī)械強(qiáng)度較差。大量區(qū)熔單晶用于制造高壓整流器、晶體閘流管、高壓晶體管等器件。直接法易于獲得大直徑單晶，但純度低于區(qū)熔單晶，適于生產(chǎn)20歐?厘米以下的硅單晶。由于含氧量高,直拉單晶機(jī)械強(qiáng)度較好。大量直拉單晶用于制造MOS集成電路、大功率晶體管等器件。外延片襯底單晶也用直拉法生產(chǎn)。硅單晶商品多制成拋光片，但對(duì)FZ單晶片與CZ單晶片須加以區(qū)別。外延片是在硅單晶片襯底（或尖晶石、藍(lán)寶石等絕緣襯底）上外延生長(zhǎng)硅單晶薄層而制成，大量用于制造雙極型集成電路、高頻晶體管、小功率晶體管等器件。第二節(jié)多晶硅應(yīng)用多晶硅。polycrystalline silicon 性質(zhì)：灰色金屬光澤?！?。熔點(diǎn)1410℃。沸點(diǎn)2355℃。溶于氫氟酸和硝酸的混酸中，不溶于水、硝酸和鹽酸。硬度介于鍺和石英之間，室溫下質(zhì)脆，切割時(shí)易碎裂。加熱至800℃以上即有延性，1300℃時(shí)顯出明顯變形。常溫下不活潑，高溫下與氧、氮、硫等反應(yīng)。高溫熔融狀態(tài)下，具有較大的化學(xué)活潑性，能與幾乎任何材料作用。具有半導(dǎo)體性質(zhì)，是極為重要的優(yōu)良半導(dǎo)體材料，但微量的雜質(zhì)即可大大影響其導(dǎo)電性。電子工業(yè)中廣泛用于制造半導(dǎo)體收音機(jī)、錄音機(jī)、電冰箱、彩電、錄像機(jī)、電子計(jì)算機(jī)等的基礎(chǔ)材料。由干燥硅粉與干燥氯化氫氣體在一定條件下氯化，再經(jīng)冷凝、精餾、還原而得。 多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)。熔融的單質(zhì)硅在過(guò)冷條件下凝固時(shí)，硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核，如這些晶核長(zhǎng)成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結(jié)合起來(lái)，就結(jié)晶成多晶硅。多晶硅可作拉制單晶硅的原料，多晶硅與單晶硅的差異主要表現(xiàn)在物理性質(zhì)方面。例如，在力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)的各向異性方面，遠(yuǎn)不如單晶硅明顯；在電學(xué)性質(zhì)方面，多晶硅晶體的導(dǎo)電性也遠(yuǎn)不如單晶硅顯著，甚至
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