半导体制造技术实践总结

半导体制造技术实践总结报告姓名：学号：学科：学院：导师姓名：指导教师：2014年春季学期一、实践目的通过生产实习学习半导体器件与集成电路相关制造工艺原理，掌握半导体工艺设备的结构原理、操作方法和半导体制造工艺技术以及工艺过程测试与分析方法，并学以致用、理论联系实际，巩固和理解所学的理论知识。同时了解半导体器件和集成电路的新工艺和新技术，积累实践知识，拓宽专业知识面，为器件和集成电路的设计与制造奠定基础。另外，培养在实际生产过程中发现问题、分析问题、解决问题和独立工作的能力，增强综合实践能力，建立劳动观念、实践观念和创新意识，树立实事求是、严肃认真的科学态度，提高综合素质。同时生产实践也是了解本专业发展现状、把握科技前沿脉搏和半导体相关专业理论知识在生产实际中应用状况的重要课堂，开阔专业视野，拓宽专业知识面。从而巩固专业思想，明确努力方向。二、实践安排2014-7-7~2014-7-8

硅片清洗和表面制绒2014-7-9~2014-7-10

扩散制结2014-7-10~2014-7-11

去磷硅玻璃、等离子刻蚀2014-7-12~2014-7-13镀减反射膜2014-7-14丝网印刷、烧结三、实践过程和具体内容学习太阳能电池板的制作过程来了解各个工艺步骤，帮助巩固所学理论知识，初步了解半导体器件的生产实际，提高知识应用和实际动手能力。太阳能电池工作原理太阳能电池板是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置，大部分太阳能电池板的主要材料为“硅”。太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体硅为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结。当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。一、太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。（1）光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍。一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500美元。因此，适用小规模特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。（2）光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的图3-1太阳能电池板成品制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电转换效应。图3-2太阳能电池板的工作原理图3-2所示为太阳电池的基本结构，从上到下依次为：上电极和栅线、减反射膜（图上未显示）、N型区、PN结、P型区以及下电极。太阳电池板分类主要有以下几种：晶体硅电池板：多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池。非晶硅电池板：薄膜太阳能电池、有机太阳能电池。化学染料电池板：染料敏化太阳能电池。柔性太阳能电池图3-3太阳电池生产工艺步骤工艺步骤按照电池结构可分为：硅片清洗和表面制绒——扩散制结——去磷硅玻璃——等离子刻蚀——减反射膜制备——丝网印刷——烧结。第一步硅片清洗和表面制绒。图3-4绒面单晶硅绒面的制备是利用硅的各向异性腐蚀，在每立方厘米硅表面形成几百万个四面方锥体也即金字塔结构。由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了电池的短路电流和转换效率。硅片表面织构化方法比较多，主要有刻槽、化学腐蚀等。其中化学腐蚀方法工艺简单，成本低廉，适用于大规模工业生产，是当前研究热点之一。化学腐蚀也成为湿法腐蚀，就是将晶片置于液态的化学腐蚀液中进行腐蚀。其腐蚀过程与一般化学反应相同。在腐蚀过程中，腐蚀液将把它所接触到的材料浸蚀溶掉。单晶硅的绒面制作是采用择优腐蚀的方法来完成的。一般步骤为：1、NaOH清洗损伤层。在40L去离子水+800gNaOH粉末+750ml异丙醇的混合液中超声波清洗，水温80℃左右，清洗10分钟。这一步的主要作用是去除表面损伤层，减薄硅片厚度。硅片在碱溶液中会发生的化学反应为2、去离子水清洗2遍。先用热水清洗，水温70~80℃；再用冷水清洗（20L水）。这一步主要是洗掉硅片表面残留的第1步的去损伤层液体。3、制绒。20L去离子水+300gNaOH+400gNa2SiO3+1L异丙醇的混合溶液，水温80℃左右，把硅片放入其中反应30分钟。在这里所加入的异丙醇为表面活性添加剂，如果只用碱溶液来腐蚀单晶硅表面，做出的金字塔型绒面并不均匀，原因是硅表面的可沾性较差，所以通常加入表面活性添加剂来曾加单晶硅表面的可沾性，同时也能提供OH-离子，促进单晶硅表面织构化的充分进行。4、去离子水清洗2遍。先用热水清洗，水温70~80℃；再用冷水清洗（20L水）。去除第3步残留液。5、HF清洗。把硅片放入20L去离子水+0.4LHF的混合液中，水温80℃左右，反应6分钟。6、去离子水清洗2遍。先用热水清洗，水温70~80℃；再用冷水清洗（20L水）。去除第5步残留液。7、HCl清洗。把硅片放入20L去离子水+2LHCl的混合液中，常温下，反应6分钟。8、去离子水清洗2遍。冷水清洗2次（20L水）。去除第7步残留液。第二步扩散制结。图3-5PN结制备原理太阳能电池需要一个大面积的PN结以实现光能到电能的转换，而扩散炉即为制造太阳能电池PN结的专用设备。如图4所示，扩散一般用三氯氧磷液态源作为扩散源。把P型硅片放在管式扩散炉的石英容器内，在800~900℃高温下使用氮气将三氯氧磷带入石英容器，通过三氯氧磷和硅片进行反应，得到磷原子。在有氧的情况下：生成的磷原子在硅片表面形成一层磷硅玻璃，然后通过硅原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散，形成了N型半导体和P型半导体的交界面，也就是PN结。第三步去磷硅玻璃。目的：去除硅片表面氧化层和扩散时形成的磷硅玻璃（P2O5和SiO2的混合物）。原理：P2O5溶于HF酸，,H2SiF6溶于水。具体工艺：把硅片置于20L去离子水+1LHF的混合液中，反应5分钟。洗磷后用去离子水将硅片冲洗干净。第四步等离子刻蚀。由于在扩散过程中，即使采用背靠背扩散，硅片的所有表面包括边缘都将不可避免的扩散上磷。PN结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到PN结的背面，而造成短路。因此，必须对太阳电池周边的掺杂硅进行刻蚀，以去除电池边缘的PN结。通常采用等离子刻蚀技术完成这一工艺。等离子刻蚀是在低压状态下，反应气体CF4的母体分子在射频功率的激发下，产生电离并形成等离子体。等离子体是由带电的电子和离子组成的，反应腔体中的气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还能吸收能量并形成大量的活性基团。活性反应基团由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表面，在那里与被刻蚀材料表面发生化学反应，并形成挥发性的反应生成物脱离被刻蚀物质表面，被真空系统抽出腔体。工艺参数：CF4流量200SCCM、O2流量20SCCM、N2流量200SCCM、刻蚀时间15min、射频功率750W。第五步镀减反射膜。图3-6平板式PECVD反应器结构示意图抛光硅表面的反射率为35%，为了减少表面反射，提高电池转换效率，需要沉积一层氮化硅减反射膜。在太阳电池表面沉积深蓝色减反射膜SiNx膜，其还具有卓越的抗氧化和绝缘性能，同时具有良好的阻挡钠离子、掩蔽金属和水蒸气扩散的能力；它的化学稳定性也很好，除氢氟酸和热磷酸能缓慢腐蚀外，其他酸与它基本不反应。现在工业生产中常采用PECVD设备制备减反射膜，PECVD即等离子增强型化学气相沉积。它的技术原理是利用低温等离子体作为能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体SiH4和NH3，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜即氮化硅薄膜。图3-6所示为工艺中使用的平板式PECVD反应器示意图。反应器中电极有两块直径660mm，间隔50mm的平行金属圆板构成。上电极经匹配网络与1kw，50kHz的高频电源相接，下电极接地并作为衬底基底。为改善沉积膜厚度均匀性，下电极由磁性旋转机构驱动旋转。反应气体通过旋转轴的中心孔进入扁圆的反应腔，沿径向流向四周后由底部的四根排气管抽走。实验所用的工艺参数为：SiH4流量6sccm，NH3流量60sccm，射频功率380W，时间24min。镀完后的硅片呈深蓝色，如图3-7所示。图3-7镀完减反射膜后的硅片第六步丝网印刷。图3-8丝网印刷过程示意图太阳电池经过制绒、扩散及PECVD等工序后，已经制成PN结，可以在光照下产生电流，为了将产生的电流导出，需要在电池表面上制作正、负两个电极。制造电极的方法很多，而丝网印刷是目前制作太阳电池最普遍的一种生产工艺。如图3-8所示，丝网印刷是采用压印的方式将预定的图形印刷在基板上，该设备由电池背面银铝浆印刷、电池背面铝浆印刷和电池正面银浆印刷三部分组成。其工作原理为：利用丝网图形部分网孔透过浆料，用刮刀在丝网的浆料部位施加一定压力，同时朝丝网另一端移动。浆料在移动中被刮刀从图形部分的网孔中挤压到基片上。由于浆料的粘性作用使印迹固着在一定范围内，印刷中刮板始终与丝网印版和基片呈线性接触，接触线随刮刀移动而移动，从而完成印刷形成。具体工艺：1、电池背面（正极），银浆印刷，作用引导电流。2、电池背面（铝脊场），铝浆印刷，作用反射层，通过应力吸收杂质。3、电池正面（负极），银浆印刷，作用收集光生载流子。4、烘干。分成若干温区，180~200℃，浆料中有机物挥发；250℃以上，燃烧有机物。第七步烧结。经过丝网印刷后的硅片，不能直接使用，需要烧结炉快速烧结，将有机树脂粘合剂燃烧掉，剩下几乎纯粹的、由于玻璃质作用而密合在硅片上的银电极。当银电极和晶体硅在温度达到共晶温度时，晶体硅原子以一定的比例融入到熔融的银电极材料中去，从而形成上下电极的欧姆接触，提高电池片的开路电压和填充因子两个关键参数，使其具有电阻特性，以提高电池片的转换效率。烧结过程：1、预烧结。一、二温区，目的是使浆料中的高分子粘合剂分解、燃烧掉，此阶段温度慢慢上升。2、Al烧结。三、四温区，温度577℃左右，铝和硅共晶，形成电阻膜结构，使其真正具有电阻特性。3、Ag烧结。五、六温区，温度790~800℃，银和硅发生反应，形成电阻膜结构，使其具有电阻特性，该阶段温度达到峰值。4、降温冷却。七、八温区，玻璃冷却硬化并凝固，使电阻膜结构固定地粘附于基片上。四、实践体会与心得在硅片清洗和表面制绒中，了解到绒面除了能使入射光多次反射从而达到增加电池表面的光吸收外，另一个特点是光射入硅中的角度确保光线在靠近电池表面的地方被吸收，这将增加电池对光的收集率，特别是对于较弱的波长部分。绒面电池的缺点是使电池吸收的红外线增加，而这种光不能产生载流子，只能使电池的温度升高。此外，由于表面腐蚀成绒面，加大了电池的表面积，经绒面的多次反射，使入射光在电池表面分布不均，这些都会对电池的开路电压有影响。通过扩散制结，进一步了解了扩散的机制。扩散的机制大致可分为间隙机制、空位机制和环形机制。间隙机制。当某原子从一个间隙位置转移到另一个间隙位置而没有引起基质晶格的永久性畸变，我们就可以说该原子是借助于间隙机制进行了扩散。如图中所示间隙原子要从位置1移动到位置2，基质晶格的原子3和4必先移动分开到足够让原子1通过。图8扩散机制示意图这种局部地暂时的畸变构成了一个填隙原子改变位置的势垒。在杂质原子的半径比基质原子的半径小得多时，往往采用间隙机制来进行扩散。当填隙原子半径逐渐地和基质原子一样大时，跃迁引起的局部畸变过大，就会被另外的机制所取代。空位机制。某个占有正常格点位置的原子跃迁到邻近的空位上，这个原子就可以说是空位机制的扩散。空位机制的扩散也要克服一定的势垒。空位机制要求的畸变能并不大，这种机制目前是在各种离子化合物和氧化物及合金中占有支配地位。图9空位机制示意图环形机制。两个最邻近的原子进行简单的位置变换而进行扩散的图10环形机制示意图机制在1930年提出，由于这种位置交换可能引起较大的局部，并没有被大多数人接受。到1950年，Zener指出，如果3到4个原子作为一组进行旋转，这样引起的局部畸变将比简单的两个原子的位置交换要小。人们把这种利用一组原子旋转来进行的扩散称作环形扩散机制。本次扩散制结的机制为间隙机制。通过镀减反射膜工艺，了解到半导体薄膜制备有多种方法：外延法、CVD法、辉光放电淀积、蒸发与溅射和溶胶-凝胶法。根据向衬底表面输送外延原子的方式，半导体薄膜层的外延生长分为气相外延、液相外延固相外延以及分子束外延和离子团束外延等。气相外延利用化合物气体在适当高的温度下通过热解或置换等化学反应产生晶体生长所需要的物质源。液相外延是将衬底晶片浸没在外延材料的低温饱和溶液中生长单晶薄层的一种薄膜生长方法，在需要避免使用高温条件时特别有用。固相外延，顾名思义，生长源应该是固体，而且不经过固液相变或固气相变，直接或通过同样也是固体的中间介质向生长界面输运生长物质。分子束外延是在超高真空中通过分子束（含原子束，下同）将生长物质输运到衬底表面生长单晶薄层的一种晶体外延方法。CVD法按淀积时气压的高低，热CVD有常压CVD和低压