半导体硅材料基础知识.1.doc

半导体硅材料基础知识讲座
培训大纲
什么是半导体?
导体(Conductor)
导体是指很容易传导电流的物质
绝缘体(Insolator)
是指极不容易或根本不导电的一类物质
半导体(Semiconductor)
导电性能介于导体和绝缘体之间且具备半导体的基本特性的一类材料。
半导体硅材料的电性能特点
硅材料的电性能有以下三个显著特点:
一是它对温度的变化十分灵敏;
二是微量杂质的存在对电阻率的影响十分显著;
三是半导体材料的电阻率在受光照时会改变其数值的大小。
综上所述,半导体的电阻率数值对温度、杂质和光照三个外部条件变化有较高的敏感性。半导体材料的分类
元素半导体
化合物半导体
有机半导体
无定形半导体
迄今为止,工艺最为成熟、应用最为广泛的是前两类半导体材料,尤其是半导体硅材料,占整个半导体材料用量的90%以上。硅材料是世界新材料中工艺最为成熟、使用量最大的半导体材料。它的实验室纯度可接近本征硅,即12个“九”,即使是大工业生产也可以到7—9个“九”的纯度。
半导体硅材料的制备
冶金级硅(工业硅)的制备
冶金级硅是将比较纯净的SiO2矿石和木炭或石油焦一起放入电弧炉里,在电孤加热的情况下进行还原而制成。
其反应式是:
SiO2+2C → Si+2CO
普通冶金级硅的纯度大约是2~3个“九”。目前市面上也有号称4~5个“九”纯度的冶金级硅,那是通过多次“冶金法”或称为“物理法”提纯后获得的。
多晶硅的制备
目前全世界多晶硅的生产方法大体有三种:一是改良的西门子法;二是硅烷法;三是粒状硅法。
改良的西门子法生产半导体级多晶硅:
这是目前全球大多数多晶硅生产企业采用的方法,知名的企业有美国的Harmlock、日本的TOKUYAMA、三菱公司、德国的瓦克公司以及乌克兰和MEMC意大利的多晶硅厂。全球80%以上的多晶硅是用此法生产的。
其工艺流程是:
原料硅破碎筛分(80目)沸腾***化制成液态的SiHCl3
粗馏提纯精馏提纯氢还原棒状多晶硅破碎洁净分装。
经验上,新建设一座多晶硅厂需要30—36个月时间,而老厂扩建生产线也需要大约14—18
个月时间,新建一座千吨级的多晶硅厂大约需要10—12亿元人民币,也就是说每吨的投资在100万元人民币以上。
硅烷法生产多晶硅
用硅烷法生产多晶硅的工厂仅有日本的小松和美国的ASMY两家公司,其工艺流程是: 原料破碎筛分硅烷生成沉积多晶硅棒状多晶破碎、包装
(3)粒状多晶硅
全球用此法生产多晶硅的仅有美国休斯顿的PASADENA工厂,它的生产流程与硅烷法生产多晶硅的工艺大体相似,所不同的是它沉积出来的多晶硅不是棒状,而是直径仅为φ1—3mm的硅粒。
单晶硅的制备
根据单晶硅的使用目的不同,单晶硅的制备工艺也不相同,主要的制备工艺有两种: 区域熔炼法(简称区熔法或FZ法,Float Zone)。
这是制备高纯度,高阻单晶的方法,区熔法既可以提纯,又可以成晶。
它是利用杂质在其固体和液体中分凝系数的差异,通过在真空下经数次乃至数十次的区域熔炼提纯,然后成晶而制成。
切克劳斯基法(简称直拉法。CZ法,Czochralski)