【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 狀況與發(fā)展趨勢(shì)及新技術(shù)、新工藝與新結(jié)構(gòu)。 2022年，全球硅單晶拋光片總產(chǎn)量達(dá) 108億吋 2 （約合 IC級(jí)單晶硅 25000噸），其銷售值為 127億美元，創(chuàng)歷史新高。在上述晶圓中，硅外延片約占 34%， SOI片已占 12%；其中12″片占全部晶圓的 30%（已建成 12″IC線 90條）， 8″片占 50%（ 8″IC線有近 200條，基本上趨于飽和）， 6″片的含量已不足18%；目前國(guó)際上 IC生產(chǎn)線發(fā)展的主流是 12″線，而且硅外延片及 SOI片將是今后硅晶圓的發(fā)展主流產(chǎn)品。以處于世界第一位的日本信越半導(dǎo)體公司為例：其 8″硅拋光片的月生產(chǎn)能力早已達(dá)到 120萬(wàn)片，其 12″片 06年早已達(dá)到月產(chǎn) 35萬(wàn)片，并進(jìn)一步投資 2022億日元（相當(dāng)于 19億美元）已將其 12″片生產(chǎn)能力達(dá)到月產(chǎn) 70萬(wàn)片（占全球 12″片產(chǎn)量的 50%）。美國(guó)（ MEMC）、德國(guó)（ Wacker）、日本都已研制成功 18″硅拋光片及硅外延片。 21 在發(fā)展 SOI材料的同時(shí)， SiGe/Si結(jié)構(gòu)的應(yīng)變硅材料技術(shù)的研究被認(rèn)為是 CMOS電路最具前景的結(jié)構(gòu)。而且近年來(lái)，隨著 SOI技術(shù)和 SiGe技術(shù)的日漸成熟，一種基于這兩種技術(shù)的微電子技術(shù) SiGeOI應(yīng)運(yùn)而生，應(yīng)變硅技術(shù)與 SOI技術(shù)相結(jié)合，即 SSOI（或稱 SGOI）技術(shù)將成為新一代極大規(guī)模硅基集成電路的主流技術(shù)和新的基礎(chǔ)材料。 近年來(lái)，在硅片深亞微米加工微電子技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，與精密機(jī)械加工技術(shù)及其它功能的微型傳感技術(shù)相融合而高速發(fā)展的微電子機(jī)械系統(tǒng) MEMS、NEMS技術(shù)代表著 21世紀(jì)微納電子技術(shù)的一個(gè)新的發(fā)展方向，利用三維加工技術(shù)制造微米、納米尺度的零件、部件或集光機(jī)電磁等多功能于一體完成一定功能的復(fù)雜微細(xì)系統(tǒng)，受到世界范圍的關(guān)注。 22 三 .硅太陽(yáng)能電池用多晶硅內(nèi)在純度的重要性 （一） 硅太陽(yáng)能電池對(duì)原始多晶硅內(nèi)在質(zhì)量的基本要求 圖 1：硅中載流子濃度與電阻率的關(guān)系 23 從 “ 圖 1：硅中載流子濃度與電阻率的關(guān)系 ”的曲線中可以查到目前用于制作硅太陽(yáng)能電池的 P型硅片中低電阻率 （ ， ） 和航天級(jí)硅太陽(yáng)能電池用硅片電阻率所對(duì)應(yīng)的摻硼雜質(zhì)的濃度 （ 載流子濃度 ） 。 可見(jiàn)表 9：硅太陽(yáng)能電池對(duì)原始硅材料純度的最低要求 。 從表 9的數(shù)據(jù)對(duì)照中可以推論如下：普通硅太陽(yáng)能電池制作所用多晶硅的純度最低應(yīng)高于 7個(gè) 9， 航天級(jí)的硅太陽(yáng)能電池制作所用多晶硅的純度甚至應(yīng)該在 8至 9個(gè) 9以上 。 請(qǐng)見(jiàn)表 10和表 11， 可見(jiàn)美國(guó) ASiMI公司出售的用于直拉法和定向凝固結(jié)晶法的太陽(yáng)能電池級(jí)多晶硅的純度 （ 對(duì)應(yīng)磷 、 硼含量 ） 是高于 8個(gè) 9的（ 其中碳含量也高于 6個(gè) 9） 。 24 表 9. 硅太陽(yáng)能電池對(duì)原始硅材料純度的 最低要求 電池 種類 太陽(yáng)能電池硅片 型號(hào)、電阻率 對(duì)應(yīng)雜質(zhì)濃度 按 10:1摻雜比，要求反型雜質(zhì)濃度 硅的原子密度 對(duì)應(yīng)原始 硅材料最低 純度要求 普通 太陽(yáng)能 電池 P型 cm 含硼 5 1016at/cm3 N型（磷） 5 1015at/cm3 5 1022at/cm3 1 107 7個(gè) 9 P型 cm 含硼 1016at/cm3 N型（磷） 1015at/cm3 5 1022at/cm3 107 高于 7個(gè) 9 航天級(jí) 太陽(yáng)能 電池 P型 8Ω cm 含硼 1015at/cm3 N型（磷） 1014at/cm3 5 1022at/cm3 108 高于 8個(gè) 9 P型 15Ω cm 含硼 1015at/cm3 N型（磷） 1014at/cm3 5 1022at/cm3 108 高于 8個(gè) 9 25 表 10. 26 表 11. 27 （二） 各類雜質(zhì)在半導(dǎo)體硅材料中的行為（物化參數(shù)）及其對(duì)硅晶體 電學(xué)性能的影響 硅太陽(yáng)能電池的工作原理是利用硅片表面 PN結(jié)的光電效應(yīng) ， 它仍然是一種標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體器件 ， 而且是一種少數(shù)載流子器件 。 所以 ， 有關(guān)半導(dǎo)體的復(fù)合理論對(duì)硅太陽(yáng)能電池同樣成立 。 請(qǐng)見(jiàn)公式 ： 電阻率 ρ＝ 1/σ =1/[(nμn+pμp)e] 當(dāng)采用 P型摻硼 （ 淺受主 ） 硅片制作太陽(yáng)能電池時(shí) ，硅片中的高濃度反型 （ N型 ） 雜質(zhì) （ 如磷 、 砷 、 銻等淺施主 ） 在室溫下也早已激發(fā)電離 （ 屬于淺能級(jí)雜質(zhì) ） ， 產(chǎn)生高濃度補(bǔ)償 （ 表觀電阻率高 ） ， 嚴(yán)重影響光生伏特效應(yīng) 。 28 硅中氧 、 碳及各種金屬雜質(zhì)對(duì)光的吸收峰大都在長(zhǎng)波長(zhǎng) （ 如氧的主吸收峰在 ， 碳的主吸收峰在 ） 紅外波段 ， 使得陽(yáng)光對(duì)硅電池的照射主要轉(zhuǎn)換為熱量 ， 從而大大降低了光電轉(zhuǎn)換效率 ， 電池的光譜響應(yīng)差 。 請(qǐng)見(jiàn)以下各表 ： 29 表 12. 硅中各種雜質(zhì)的能級(jí) 元素 E1Ev(eV) EcE2(eV) 元素 E1Ev(eV) EcE2(eV) B （ A） Mn （ D） Al （ A） Hg （ D） （ D） （ A） （ A） Ga （ A） W （ D） （ D） （ A） （ A） （ A） In （ A） Mo （ D） （ D） （ D） Tl （ A） Pt （ D） （ D） P （ D） Zn （ A） （ A） As （ D） Zn+B1 （ A） 注： B1為硼的第一種形式 注： B2為硼的第二種形式 Sn （ D） Zn+B2 （ A） Bi （ D） Zn+Al （ A） O （ D） （ D） Zn+Ga （ A） S （ D） （ D） 注： E1Ev— 離滿帶頂?shù)哪芗?jí)位置。 EcE2— 離導(dǎo)帶底的能級(jí)位置。 Ev— 滿帶頂。 A— 受主。 Ec— 導(dǎo)帶底。 D— 施主。 Li （ D） Au （ D） （ A） Cu （ D） （ A） Ag （ A） Fe （ D） （ D） Ni （ A） （ A） 30 表 13. 有關(guān)雜質(zhì)在硅中的分凝系數(shù) 元素 分凝系數(shù) k 測(cè)量方法 元素 分凝系數(shù) k 測(cè)量方法 B C Au 3 105 R,C. Al ≧ C Sn R Ga R,C Ta 1 107 R In 5 104 R. Fe 5 104 R P R,C. S 1 105 As R,C. Co 104 Sb R,C. Pt 108 Bi 8 104 Cd ～ 108 Cu 4 104 R Pd ～ 108 Ag 1 108 Mn 105 Li 1 102 Zn ～ 105 O C 1 . 分凝系數(shù)ｋ＝ CS/CL： 為在平衡時(shí)固體中雜質(zhì)濃度 （ CS） 與液體中雜質(zhì)濃度 （ CL） 之比 。 2． 測(cè)量方法中 C表示用電阻率測(cè)量法 ， R表示用放射性示蹤法 。 3． 實(shí)際上分凝系數(shù)與晶體生長(zhǎng)速度有關(guān) ， 所以引用有效分凝系數(shù) （ k有效 ） 式中： f — 晶體生長(zhǎng)速度 。 e — 自然對(duì)數(shù)底 δ — 雜質(zhì)積累層 （ 一般為 103101cm） 。 D— 雜質(zhì)在硅液體中的擴(kuò)散系數(shù) 。 kekkkDf ??? ? /)1( ?有效31 ? 有關(guān)雜質(zhì)在硅中的揮發(fā) （ 1） 當(dāng)在真空下生長(zhǎng)時(shí) ， 不但要考慮雜質(zhì)在硅中的分凝效應(yīng) ， 而且還要考慮到雜質(zhì)在硅中的揮發(fā)效應(yīng) 。 雜質(zhì)在硅中的分凝效應(yīng)用下式表示： ………………………… ..(1) 1)1( ??? kLS xkCC雜質(zhì)在硅中的揮發(fā)效應(yīng)用下式表示： …… .… ..…………… (2) tVSBOL LLeCC ??考慮這兩種效應(yīng)的綜合效率 ， 用下式表示： …………… .(3) tVSBkOS LLexkCC ?? ??? 1)1(上列各式中： CS— 單晶中的雜質(zhì)濃度 。 CL— 液體中的雜質(zhì)濃度 。 CO— 最初始的雜質(zhì)濃度 。 k— 雜質(zhì)在硅中的分凝系數(shù) 。 B— 揮發(fā)系數(shù) 。 SL— 揮發(fā)面積 。 VL— 溶體體積 。 t— 揮發(fā)時(shí)間 。 x— 固液交接面位置 （ 全長(zhǎng)的分?jǐn)?shù) ） 32 表 14． 有關(guān)雜質(zhì)在熔硅中的揮發(fā)常數(shù) 雜質(zhì) P As Sb B Al Ga In Cu Fe Mn E 厘米 /秒 104 5 103 7 102 5 106 104 103 5 103 5 105 2 105 2 104 t揮發(fā) 5小時(shí) 5分 100小時(shí) 5小時(shí) 5分 10小時(shí) 20小時(shí) 2小時(shí) 1． 表中 t 揮發(fā)表示雜質(zhì)在熔硅中揮發(fā)掉大半的時(shí)間 （ 令其體積與表面積之比等于 2CM） 2．重?fù)诫s應(yīng)在氣氛中進(jìn)行 （ 2） 揮發(fā)常數(shù) 。 當(dāng)雜質(zhì)濃度很小時(shí) ， 真空下單位時(shí)間從熔體中揮發(fā)的雜質(zhì)量 。 N=EACL 式中： A 為溶體揮發(fā)表面 。 CL 是溶體中雜質(zhì)濃度 。 E 是揮發(fā)常數(shù) 。 33 ? 有關(guān)雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散 在高溫時(shí)必須充分考慮雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)可以用擴(kuò)散方程來(lái)表示： xNDJ????擴(kuò)散………………………………….(1) 式中： J擴(kuò)散 — 擴(kuò)散流密度 ， 即單位時(shí)間通過(guò)單位面積的原子數(shù) 。 — 雜質(zhì)濃度沿 x軸梯度 。 D — 擴(kuò)散系數(shù) 。 負(fù)號(hào)表示雜質(zhì)擴(kuò)散向濃度小的方向進(jìn)行 。 擴(kuò)散系數(shù) D 隨溫度按指數(shù)迅速變化： xN??)/e x p ( RTEDD o ??…………………… ..(2) 式中： Do— 常數(shù) 。 R— 氣體常數(shù) 。 T— 絕對(duì)溫度。 E— 激活能。 34 元素 D（在 1200℃ ）（ cm2/秒） Do（ cm2/秒） E（千卡 /克分子） Li ～ 4 105 103 103 103 104 104 104 Cu 8 106 5 105(在 900℃) — — Au 107 103