半导体材料制备技术一实用教案

1、3.1 晶体生长技术(jsh) 晶体生长通常指单晶锭的生长 单晶锭通常在特殊(tsh)装置中通过熔体的定向缓慢冷却获得 从一端(ydun)开始沿固定方向一点一点地逐渐凝固 按籽晶的晶体取向排列 布里奇曼法（Bridgman）1、原理Ge，GaAs 第1页/共28页第一页，共29页。2、布里奇曼法的特点(tdin) 装置和方法都比较简单，典型的正常凝固(nngg)过程 晶锭截面形状与石英舟相同 导致舟壁对生长材料的严重玷污 存在高密度的晶格缺陷 （热膨胀系数不同，热应力） 水平布里奇曼法产生的热应力低于立式（熔体的开放面较大）3、适用范围：硒化镉、碲化镉和硫化锌等II-VI族化合物-立式布里奇曼

2、砷化镓和磷化镓等在凝固(nngg)时体积要膨胀的III-V族化合物材料-水平布里奇曼法生长 第2页/共28页第二页，共29页。直拉法（Czochralski，简称(jinchng)CZ）1、原理2、特点晶体生长过程是在液面之上进行的，不受容器的限制，克服了应力导致晶体缺陷的缺点，污染减轻。保温与坩锅材料(cilio)对晶体玷污 氧、碳含量 偏高拉制大直径的单晶体3、适用范围：硅单晶和锗单晶，砷化镓等化合物单晶高压液封直拉法。选用B2O3作为液封剂石墨(shm)或BN坩锅。第3页/共28页第三页，共29页。第4页/共28页第四页，共29页。3.1.3 区熔法（Floating zone, 简称(

3、jinchng)FZ）1、原理2、特点无坩锅也无石墨加热器和碳毡保温系统以多晶棒为原料 易与材料(cilio)的区熔提纯结合 常用于生长纯度要求比直拉单晶高的高阻晶体生长大直径晶体困难较大（6”） 3、适用范围：硅单晶的制备，也同样(tngyng)适合于砷化镓等其他半导体 第5页/共28页第五页，共29页。第6页/共28页第六页，共29页。3.1.4 升华(shnghu)法PVT1、原理基本过程是：结晶物受热在熔点以下(yxi)不经过液态而直接由固态转化为气态，并在一定条件下同样不经过液态而直接结晶。 适合于用来(yn li)生长高温下饱和蒸气压较高的晶体，例如CdS和其他II-VI族化合物。

4、 第7页/共28页第七页，共29页。升华(shnghu)法立式生长坩埚示意图第8页/共28页第八页，共29页。II-VI族化合物晶体的生长方法(fngf):升华法、布里奇曼法和高压液封直拉法碳化硅升华法基本上就是其大尺寸晶体生长的唯一有效方法(fngf)2、PVT法生长晶体的生长速率对II-VI族化合物一般为1mm/h，对碳化硅则一般只有左右第9页/共28页第九页，共29页。3.2 多晶硅制备(zhbi)第10页/共28页第十页，共29页。1、 工业硅制备(zhbi)工业硅，一般是指9599纯度的硅，又称粗硅，或称结晶硅。原料：石英砂、焦炭 含杂质(zzh)主要有Fe、Al，C，BPCu 硅铁

5、 工业硅的纯化(chn hu) 酸浸法 化学提纯 酸浸法所用酸有：盐酸、硫酸、王水、氢氟酸及其不同组合的混合酸。016001800232CSiOCSiCCO2232SiCSiOSiCO第11页/共28页第十一页，共29页。2、 四氯化硅制备(zhbi)工业上主要采用工业硅与氯气(l q)合成方法 温度过低，易生成大量的氯硅烷(如SiCl6) 降低了四氯化硅的产率。温度高对于四氯化硅产物(chnw)质量不利。因为，粗硅中的杂质，在高温下也被氯化而生成氯化物，它们的挥发温度比四氯化硅高。低温氯化法。即将氯气用紫外线照射并与硅合金反应制备四氯化硅。低温(7580)0450500242()CSiClS

6、iClQ放热第12页/共28页第十二页，共29页。3、 三氯氢硅制备(zhbi)（西门子法）粗硅经氯化氢处理(chl)即可得到三氯氢硅 副反应 抑制副反应催化剂:用Cu5的硅合金;并用惰性气体或氢气稀释氯化氢，以及(yj)控制适宜的温度。西门子法：产量大、质量高、成本低。故应用广02803003350.0/CSiHClSiHClkcl mol 244257.4/SiHClSiClHkcl mol 222()SiHClSiH Cl 微量第13页/共28页第十三页，共29页。4、 精馏(jn li)提纯氯化硅中还含有游离氯。提纯(tchn)的目的就是要除去粗三氯氢硅和粗四氯化硅的杂质 精馏是蒸馏时

7、所产生的蒸汽与蒸汽冷凝时得到的液体相互作用，使气相中高沸点(fidin)组分和液相中低沸点(fidin)组分以相反方向进行多次冷凝和汽化，来达到较完全分离混合物的过程。热水塔釜塔板冷凝器第14页/共28页第十四页，共29页。 精馏(jn li)精馏是多次简单蒸馏的组合。精馏塔底部是加热区，温度最高；塔顶温度最低。精馏结果，塔顶冷凝(lngnng)收集的是纯低沸点组分，纯高沸点组分则留在塔底。精馏塔有多种类型，如图所示是泡罩式塔板状精馏塔的示意图。 实际生产(shngchn)中，在精馏柱及精馏塔中精馏时，部分气化和部分冷凝是同时进行的。第15页/共28页第十五页，共29页。第16页/共28页第十

8、六页，共29页。第17页/共28页第十七页，共29页。精馏是一种很有效(yuxio)的提纯手段，一次全过程，SiHCl3的纯度可从98%提纯到9个“9”到10个“9”，而且可连续生产，故精馏是SiHCl3提纯的主要方法。第18页/共28页第十八页，共29页。5、四氯化硅或三氯氢硅的氢还原法制取多晶硅SiCl4用H2还原(hun yun)制取多晶硅的反应式为 SiCl42 H2Si4HCl制备(zhbi)过89个“9”的高纯硅 SiHCI3用氢还原法制取多晶的反应式为 SiHCI3H2Si3HCl （温度(wnd)900度）6、硅烷热分解法制取多晶硅方法比较简单，易于掌握 外延生长 040050

9、042211.9/CSiHSiHkcl mol第19页/共28页第十九页，共29页。7、多晶硅制备过程(guchng)中的环保问题1、高耗能问题2、副产物四氯化硅的安全和污染问题 四氯化硅 silicon tetrachloride 分子式：SICl4分子量：密度：熔点： -70沸点：57.6折射率：性状：无色透明重液体(yt)，有窒息气味，是一种具有强腐蚀性的有毒有害液体(yt)，在潮湿空气中水解而成硅酸和氯化氢，同时发白烟，对皮肤有腐蚀性。 第20页/共28页第二十页，共29页。 外媒报洛阳中硅污染 多晶硅产业再起喧嚣 来源：中国工业报 2008/5/23月9日，美国华盛顿邮报一篇题为太阳

10、能公司把垃圾留给中国的文章迅速成为网络焦点。 “村民不敢相信所看到的情景：卡车在玉米地和小学操场中间停下来，一桶桶浮着泡沫的白色液体被倾倒在地上，卡车径直开走。” 华盛顿邮报记者认定，该“浮着泡沫的白色液体”就是生产多晶硅的副产品四氯化硅，是高度有毒物质。 国外一直对先进的多晶硅生产技术实施封锁，尤其是在尾气回收和废料处理方面。“我国投产初期可能有过污染现象(xinxing)，但目前已经有了很大改进”。 第21页/共28页第二十一页，共29页。多晶硅产业：警惕盲目上马污染环境CCTV “经济信息联播” 2008年09月08日由于多晶硅的高利润，目前国内多个地方都在上马多晶硅项目。专家提醒，多晶

11、硅是一个高技术高投入的产业，而如果生产处理不当，还很容易(rngy)造成环境污染。根据最新发布的中国新能源产业年度报告，目前中国已建和在建的多晶硅计划产能高达63560吨，今年大约可以形成万吨年生产能力。而由于在生产过程中，每生产1吨多晶硅，就会产生15（8-12）吨一种叫做四氯化硅的废弃物。 专家建议，国家应当出台相关政策，在择优支持有条件的企业大力发展多晶硅产业的同时，也要严格限制技术落后、高能耗和可能造成环境污染的企业盲目上马。 四川乐山：未建四氯化硅处理厂之前，生产中产生的废料需要运到外省的化工厂进行处理，每吨处理成本高达2000多元。现在通过技术处理后，四氯化硅就会变成一种叫做白炭黑

12、的工业原料，每吨的售价高达三四万元。 第22页/共28页第二十二页，共29页。国际(guj)上处理四氯化硅的两种主要方法 一 是在高温高压下利用氢气将其还原为多晶硅的主要原料三氯氢硅，其一次转化率是关键(gunjin)； 二是利用四氯化硅生产高附加值的白炭黑。 第23页/共28页第二十三页，共29页。8、多晶硅的结构模型和性质(xngzh)简介1）多晶硅的结构特点晶粒间界多晶硅看成是结构缺陷很多的一种(y zhn)晶体2）多晶硅的性质(xngzh) (1)多晶硅的电阻率 在同样掺杂浓度下，多晶硅电阻率高于单晶硅 第24页/共28页第二十四页，共29页。两种解释(jish) A 杂质在晶界上的分

13、凝效应造成。即认为在晶界中沉积的杂质量(zhling)较晶粒中的多，晶界处的杂质达饱和时，才会有大量的杂质进入晶粒，电阻率才有明显下降；B 杂质都进入到晶粒，但晶界内存在大量晶格缺陷，能俘获载流子，形成阻止载流子从一个晶粒迁移到另一个相邻晶粒的阻档层或势垒，从而降低了载流子的有效迁移率。晶粒尺寸也对电阻率有影响。晶粒尺寸大（小），电阻率低（高）一些第25页/共28页第二十五页，共29页。(2)折射率 多晶硅的折射率随膜厚而变？与开始淀积时晶粒的无序结构(jigu)有关第26页/共28页第二十六页，共29页。(3)扩散性质 杂质在多晶硅中扩散速度比在单晶硅中快杂质沿多晶硅晶粒间界扩散快，以致于每一个晶粒周界的晶界都可以(ky)充当一个杂质扩散源向晶粒内部扩散(4)少子寿命 多晶硅中的少子寿命比单晶硅低三个量级由于晶粒间界处存在大量(dling)复合中心，起复合中心作用第27页/共28页第二十七页，共29页。感谢您的观看(gunkn)！第28页/共28页第二十八页，共29页。NoImage