半导体芯片制造技术综述课件

第二章多晶半导体的制备硅是极为常见的一种元素，然而它极少以单质的形式在自然界出现，而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。硅在地壳中是第二丰富的元素，构成地壳总质量的25.7%，占地壳的四分之一，仅次于第一位的氧（49.4%）。第二章多晶半导体的制备硅是极为常见的一种元素，然而1第一节工业硅的生产一、硅的简介1．物理性质硅包括晶态和无定形两种同素异形体，晶体硅为灰黑色，无定形硅为黑色。晶体硅根据晶面取向不同又分为单晶硅和多晶硅，它们都具有金刚石晶格，硬而有金属光泽，有半导体性质。晶体硅密度2.32-2.34克／立方厘米，熔点1410℃，沸点2355℃。第一节工业硅的生产一、硅的简介22．多晶硅按纯度分类多晶硅按纯度分类可以分为冶金级多晶硅（工业硅）、太阳能级多晶硅、电子级多晶硅。（1）冶金级多晶硅（MG）（2）太阳能级多晶硅(SG)（3）电子级多晶硅（EG）2．多晶硅按纯度分类3二、工业硅的制备1．工业硅的生产原理SiO2+C→Si+CO2．工业硅的生产设备工业硅的生产主要采用电弧炉，电弧炉又称矿热炉。它主要用于还原冶炼矿石，碳质还原剂及溶剂等原料，主要生产铁硅系合金。二、工业硅的制备4第二节三氯氢硅还原制备高纯硅一、原料的制备1.硅粉的制备

2.氢气的制备和净化氢气在多晶硅厂中一般是通过水解法生产。常用的氢气净化方法有两种：钯合金扩散法、催化脱氧吸附干燥法。第二节三氯氢硅还原制备高纯硅53．氯气的制取及液氯的汽化（1）氯气的制取NaCl+H2O→NaOH+H2+Cl2（2）液氯的汽化汽化是物质从液态到气态的过程。图2-1液氯的汽化工艺流程图3．氯气的制取及液氯的汽化图2-1液氯的汽化工艺流程图64．氯化氢的合成（1）氯化氢的合成原理H2+Cl2→HCl（2）氯化氢的合成工艺过程氢气通过缓冲罐进入氯化氢合成炉，从液氯汽化工序来的氯气经氯气缓冲罐，也进入氯化氢合成炉。氢气与氯气的混合气体在燃烧枪出口被点燃，经燃烧反应生成氯化氢气体。出合成炉的氯化氢气体流经空气冷却器、水冷却器、深冷却器、雾沫分离器后，被送往三氯氢硅合成工序。4．氯化氢的合成7二、三氯氢硅的合成及提纯1．三氯氢硅的合成（1）三氯氢硅的合成原理Si+HCl→SiHCl3+H2（2）合成气干法分离工序2．三氯氢硅的提纯（1）三氯氢硅的加压提纯（2）三氯氢硅的精馏二、三氯氢硅的合成及提纯8三、三氯氢硅还原1．三氯氢硅还原原理将提纯净化好的三氯氢硅和氢气按一定比例进入还原炉，在1080-1100℃温度下,三氯氢硅被氢气还原，主要反应式：SiHCl3+H2→Si+HCl同时还会发生三氯氢硅热分解反应：SiHCl3→Si+SiCl4+HCl

三、三氯氢硅还原92．还原工艺过程在还原炉中，预先装好材质是高纯度硅的硅晶体细棒，称为硅芯，通常直径是5-6厘米。经氯硅烷分离提纯工序精制的三氯氢硅，送入三氯氢硅汽化器，被热水加热汽化；氢气流经氢气缓冲罐后，也通入汽化器内，与三氯氢硅蒸汽形成一定比例的混合气体。从三氯氢硅汽化器来的三氯氢硅与氢气的混合气体，送入还原炉内。在还原炉内通电将硅芯加热到1080-1100℃，硅芯作为发热体，三氯氢硅和氢气发生氢还原反应，生成硅就沉积在硅芯上，硅芯随着反应的不断进行而逐渐长粗，直至达到规定的尺寸。2．还原工艺过程10四、还原尾气干法分离回收在还原尾气中含有大量的未反应的三氯氢硅、氢气和反应产物SiCl4、HCl等气体，必须回收并分离提纯加以利用。分离出的三氯氢硅和氢气提纯后可再用于生产，HCl可再利用于三氯氢硅的合成。对于SiCl4，可以将SiCl4提纯到6个“9”以上制作光纤，或者将SiCl4用于各种硅酸盐的生产。但目前多晶硅生产企业都倾向于将SiCl4转化为三氯氢硅，再用于多晶硅的生产，这种方法称为冷氢化，反应温度500℃左右。四、还原尾气干法分离回收11第三节硅烷热分解法制备高纯硅一、硅烷概述图2-4硅烷结构

第三节硅烷热分解法制备高纯硅图2-4硅烷结构12二、硅烷的制备及提纯1．硅烷的制备（1）硅化镁分解法Mg+Si→Mg2SiMg2Si+HCl→MgCl2+SiH4除上面方法外，硅化镁也可以与固体氯化铵在低温液氨中反应，可得到硅烷，这种方法也叫Johnson’s法。Mg2Si+NH4Cl→MgCl2+SiH4+NH3二、硅烷的制备及提纯13（2）氢化物还原法以氢化铝锂、氢化硼锂等作为还原剂，在乙醚中还原四氯化硅生成硅烷。LiAlH4+SiCl4→SiH4+LiCl+AlCl32．硅烷的提纯（2）氢化物还原法14三、硅烷热分解SiH4→Si+H2硅烷热分解法有如下优点：（1）分解过程不加还原剂，因而不存在还原剂的玷污。（2）生成的硅纯度高。（3）硅烷热分解温度一般为850至900℃，远低于其它方法，因此由高温挥发或扩散引入的杂质就少。贮藏和运输硅烷常采用两种方法：一种是用分子筛吸附硅烷，使用时可用氖气携带；另一种是把硅烷压入钢瓶，再以氢气稀释，使其浓度降低，从而避免爆炸、燃烧的危险。三、硅烷热分解15第二章多晶半导体的制备硅是极为常见的一种元素，然而它极少以单质的形式在自然界出现，而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。硅在地壳中是第二丰富的元素，构成地壳总质量的25.7%，占地壳的四分之一，仅次于第一位的氧（49.4%）。第二章多晶半导体的制备硅是极为常见的一种元素，然而16第一节工业硅的生产一、硅的简介1．物理性质硅包括晶态和无定形两种同素异形体，晶体硅为灰黑色，无定形硅为黑色。晶体硅根据晶面取向不同又分为单晶硅和多晶硅，它们都具有金刚石晶格，硬而有金属光泽，有半导体性质。晶体硅密度2.32-2.34克／立方厘米，熔点1410℃，沸点2355℃。第一节工业硅的生产一、硅的简介172．多晶硅按纯度分类多晶硅按纯度分类可以分为冶金级多晶硅（工业硅）、太阳能级多晶硅、电子级多晶硅。（1）冶金级多晶硅（MG）（2）太阳能级多晶硅(SG)（3）电子级多晶硅（EG）2．多晶硅按纯度分类18二、工业硅的制备1．工业硅的生产原理SiO2+C→Si+CO2．工业硅的生产设备工业硅的生产主要采用电弧炉，电弧炉又称矿热炉。它主要用于还原冶炼矿石，碳质还原剂及溶剂等原料，主要生产铁硅系合金。二、工业硅的制备19第二节三氯氢硅还原制备高纯硅一、原料的制备1.硅粉的制备

2.氢气的制备和净化氢气在多晶硅厂中一般是通过水解法生产。常用的氢气净化方法有两种：钯合金扩散法、催化脱氧吸附干燥法。第二节三氯氢硅还原制备高纯硅203．氯气的制取及液氯的汽化（1）氯气的制取NaCl+H2O→NaOH+H2+Cl2（2）液氯的汽化汽化是物质从液态到气态的过程。图2-1液氯的汽化工艺流程图3．氯气的制取及液氯的汽化图2-1液氯的汽化工艺流程图214．氯化氢的合成（1）氯化氢的合成原理H2+Cl2→HCl（2）氯化氢的合成工艺过程氢气通过缓冲罐进入氯化氢合成炉，从液氯汽化工序来的氯气经氯气缓冲罐，也进入氯化氢合成炉。氢气与氯气的混合气体在燃烧枪出口被点燃，经燃烧反应生成氯化氢气体。出合成炉的氯化氢气体流经空气冷却器、水冷却器、深冷却器、雾沫分离器后，被送往三氯氢硅合成工序。4．氯化氢的合成22二、三氯氢硅的合成及提纯1．三氯氢硅的合成（1）三氯氢硅的合成原理Si+HCl→SiHCl3+H2（2）合成气干法分离工序2．三氯氢硅的提纯（1）三氯氢硅的加压提纯（2）三氯氢硅的精馏二、三氯氢硅的合成及提纯23三、三氯氢硅还原1．三氯氢硅还原原理将提纯净化好的三氯氢硅和氢气按一定比例进入还原炉，在1080-1100℃温度下,三氯氢硅被氢气还原，主要反应式：SiHCl3+H2→Si+HCl同时还会发生三氯氢硅热分解反应：SiHCl3→Si+SiCl4+HCl

三、三氯氢硅还原242．还原工艺过程在还原炉中，预先装好材质是高纯度硅的硅晶体细棒，称为硅芯，通常直径是5-6厘米。经氯硅烷分离提纯工序精制的三氯氢硅，送入三氯氢硅汽化器，被热水加热汽化；氢气流经氢气缓冲罐后，也通入汽化器内，与三氯氢硅蒸汽形成一定比例的混合气体。从三氯氢硅汽化器来的三氯氢硅与氢气的混合气体，送入还原炉内。在还原炉内通电将硅芯加热到1080-1100℃，硅芯作为发热体，三氯氢硅和氢气发生氢还原反应，生成硅就沉积在硅芯上，硅芯随着反应的不断进行而逐渐长粗，直至达到规定的尺寸。2．还原工艺过程25四、还原尾气干法分离回收在还原尾气中含有大量的未反应的三氯氢硅、氢气和反应产物SiCl4、HCl等气体，必须回收并分离提纯加以利用。分离出的三氯氢硅和氢气提纯后可再用于生产，HCl可再利用于三氯氢硅的合成。对于SiCl4，可以将SiCl4提纯到6个“9”以上制作光纤，或者将SiCl4用于各种硅酸盐的生产。但目前多晶硅生产企业都倾向于将SiCl4转化为三氯氢硅，再用于多晶硅的生产，这种方法称为冷氢化，反应温度500℃左右。四、还原尾气干法分离回收26第三节硅烷热分解法制备高纯硅一、硅烷概述图2-4硅烷结构

第三节硅烷热分解法制备高纯硅图2-4硅烷结构27二、硅烷的制备及提纯1．硅烷的制备（1）硅化镁分解法Mg+Si→Mg2SiMg2Si+HCl→MgCl2+SiH4除上面方法外，硅化镁也可以与固体氯化铵在低温液氨中反应，可得到硅烷，这种方法也叫Johnson’s法。Mg2Si+NH4Cl→MgCl2+SiH4+NH3二、硅烷的制备及提纯28（2）氢化物还原法以氢化铝锂、氢化硼锂等作为还原剂，在乙醚中还原四氯化硅生成硅烷。LiAlH4+SiCl4→SiH4+LiCl+AlCl32．硅烷的