硅材料的分類與制備課件

13九月2023硅材料的分類與制備31七月2023硅材料的分類與制備1固體材料：超導(dǎo)體:大于106(cm)-1 導(dǎo)體:106~104(cm)-1半導(dǎo)體:104~10-10(cm)-1

絕緣體:小于10-10(cm)-1？什么是半導(dǎo)體從導(dǎo)電特性和機制來分：不同電阻特性不同輸運機制半導(dǎo)體摻入某些元素的微量原子能靈敏改變其導(dǎo)電性。溫度、光照、壓力等外界因素會使其導(dǎo)電能力大增。2固體材料：超導(dǎo)體:大于106(cm)-1？什么是半導(dǎo)體從2硅的原子最外層有四個電子，每個原子和鄰近的四個原子以共價鍵結(jié)合，組成一個正四面體。每個硅原子可以看成是四面體的中心（金剛石結(jié)構(gòu)）。金剛石結(jié)構(gòu)2.1重要的半導(dǎo)體材料——硅3硅的原子最外層有四個電子，每個原子和鄰近的四個原子以共價鍵結(jié)3

用掃描隧道顯微鏡觀察到的硅晶體表面的原子排列

硅材料是當(dāng)代電子工業(yè)中應(yīng)用最多的半導(dǎo)體材料，它還是目前可獲得的純度最高的材料之一，其實驗室純度可達12個“9”的本征級，工業(yè)化大生產(chǎn)也能達到7～11個“9”的高純度。

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硅材料是當(dāng)代電子工業(yè)中應(yīng)用最多42.2硅材料的分類1、按形態(tài)分：薄膜型：淀積在玻璃、鋼片、鋁片等廉價襯底上，所用的硅材料很少。體材料（塊狀硅）：通常以硅片形式出現(xiàn)單晶硅片（晶圓）52.2硅材料的分類1、按形態(tài)分：單晶硅片（晶圓）552、按純度分：名稱英文縮寫雜質(zhì)總含量主要用途合金級硅AG-Si1N煉合金冶金級硅MG-Si2N煉合金及化工等太陽級硅SOG-Si～6N太陽能電池等半導(dǎo)體級硅（電子級）SEG-Si（EG-Si）＞9N半導(dǎo)體芯片等隨著純度上升，成本呈指數(shù)上升62、按純度分：名稱英文縮寫雜質(zhì)總含量主要用途合金級硅AG-S63、按結(jié)構(gòu)分：單晶硅：所有的硅原子按一定規(guī)律整齊排列，結(jié)構(gòu)完全是金剛石型的。長程有序多晶硅：有眾多小晶粒，排列方向不同。非晶硅：短程有序，長程無序各種硅材料的電子遷移率73、按結(jié)構(gòu)分：單晶硅：所有的硅原子按一定規(guī)律整齊排列，結(jié)構(gòu)完7單晶硅錠及硅片非晶硅及多晶硅8單晶硅錠及硅片非晶硅及多晶硅88上述3種分類一般要綜合，例如：非晶硅薄膜多晶硅薄膜單晶硅錠（片）多晶硅錠（片）半導(dǎo)體級的硅才能制成單晶硅，太陽級硅則只能制成多晶硅錠，非晶硅一般以薄膜形式出現(xiàn)。9上述3種分類一般要綜合，例如：99

2.3硅材料的制備由于硅的純度對芯片或太陽電池有很重大的影響，所以工業(yè)生產(chǎn)要求使用高純硅，以滿足器件質(zhì)量的需求。在硅材料的提純工藝流程中，一般說來，化學(xué)提純在先，物理提純在后。原因是：一方面化學(xué)提純可以從低純度的原料開始，而物理提純必須使用具有較高純度的原料；另一方面是化學(xué)提純難免引入化學(xué)試劑的污染，而物理提純則沒有這些污染。概況由硅石粗硅高純多晶硅（純度在99.9999999％以上）單晶硅10

2.3硅材料的制備10101．粗硅的制備

粗硅又稱工業(yè)硅或結(jié)晶硅（冶金級硅），純度在95％99％。這種硅是石英砂在電爐中用碳還原方法冶煉而成的。反應(yīng)要點：高溫1600℃1800℃原因：SiO2(s)十2C(s)＝Si(s)十2CO(g)粗硅中雜質(zhì)多，主要有Fe、Al、C、B、P、Cu等，其中Fe含量最多?？捎盟嵯捶ǔ醪教峒?，高純硅還需進一步提純。111．粗硅的制備11112．多晶硅的制備

由粗硅合成SiHCl3（改良西門子法）或SiCl4或SiH4中間體，精餾提純后，用氫氣還原或熱分解而制得多晶硅

三種方法各有特點，改良西門子法是當(dāng)前制取多晶硅的主要方法

SiHCl3的制備多用粗硅與干燥氯化氫在200℃以上反應(yīng)Si十3HCl==SiHCl3+H2

除生成SiHCl3外，還可能生成SiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、SiCl4等各種氯化硅烷，其中主要的副反應(yīng)是2Si十7HCl＝SiHCl3十SiCl4十3H2122．多晶硅的制備1212

SiHCl3性質(zhì)又稱硅氯仿，結(jié)構(gòu)與SiCl4相似，為四面體型。SiHCl3穩(wěn)定性稍差，易水解SiHCl3十2H2O==SiO2十3HCl十H2

注意要點(1)合成溫度宜低，溫度過高易生成副產(chǎn)物。常加少量銅粉或銀粉作為催化劑(2)反應(yīng)放熱，常通入Ar或N2帶走熱量以提高轉(zhuǎn)化率(3)須嚴格控制無水無氧。因SiHCl3水解產(chǎn)生的SiO2會堵塞管道造引起事故。而氧氣則會與SiHCl3或H2反應(yīng)，引起燃燒或爆炸13SiHCl3性質(zhì)又稱硅氯仿，結(jié)構(gòu)與SiCl4相似，為13

SiHCl3的提純精餾利用雜質(zhì)和SiHCl3沸點不同用精餾的方法分離提純多晶硅的制備精餾提純后的SiHCl3用高純氫氣還原得到多晶硅SiHCl3十H2==Si十3HCl上述反應(yīng)是生成SiHCl3的逆反應(yīng)。反應(yīng)得到的多晶硅還不能直接用于生產(chǎn)電子元器件，必須將它制成單晶體并在單晶生長過程中“摻雜”，以獲得特定性能的半導(dǎo)體。14SiHCl3的提純14143、單晶硅的制備

多晶硅主要產(chǎn)品有棒狀和粒狀兩種。制備單晶硅，一方面是晶化（讓硅原子排成金剛石結(jié)構(gòu)），另一方面也有提純作用（分凝效應(yīng)）。區(qū)熔(FZ)法直拉法(CZ)：將多晶硅融解后，再利用硅晶種慢慢拉出單晶硅晶棒。一支85公分長，重76.6公斤的8寸硅晶棒，約需2天半時間長成。區(qū)熔單晶硅(FZ-Si)主要用于制作電力電子器件(SR、SCR、GTO等)、射線探測器、高壓大功率晶體管等；直拉單晶硅(CZ-Si)主要用于制作LSI、晶體管、傳感器及硅光電池等。

澆注多晶硅、淀積和濺射非晶硅主要用作各種硅光電池等。153、單晶硅的制備1515拉單晶16拉單晶16162.4多晶硅材料相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品

金屬硅三氯氫硅多晶硅單晶硅棒硅片半導(dǎo)體產(chǎn)品

有機硅高純氯硅烷四氯化硅高純石英

硅酸乙酯

氣相白碳黑

光纖棒

太陽能電池用硅片太陽能電池

光纖改良西門子法多晶硅鑄錠副產(chǎn)品芯片制造及封裝172.4多晶硅材料相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品金屬硅三氯氫硅多晶硅單晶17半導(dǎo)體用硅材料產(chǎn)業(yè)鏈

電子級高純多晶硅單晶硅硅圓片硅拋光、外延片IC芯片電子整機產(chǎn)品IC封裝18