硅單晶的制備

硅單晶的制備第一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一一、多晶硅的制備多晶硅是硅的多晶體，與硅單晶體的顯著區(qū)別在于部分晶格原子的無序排列；但多晶硅是制備單晶硅的原始材料。高純硅的制備通常首先由硅石（二氧化硅）制得工業(yè)硅（粗硅—純度低、雜質(zhì)多），再制成高純多晶硅，經(jīng)拉制得到半導(dǎo)體材料單晶硅，或稱硅單晶。第二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一多晶硅制備方法原理——還原與分解常見的多晶硅制備方法主要有三種：四氯化硅氫還原法

三氯氫硅氫還原法硅烷熱分解法多晶硅制備原理與方法第三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一四氯化硅氫還原法第一步：四氯化硅制備第二步：四氯化硅提純1、精餾法—分餾四氯化硅溶液中各化合組分沸點(diǎn)不同，選取適當(dāng)?shù)臏囟瓤梢詫⑵浞蛛x。第四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一四氯化硅氫還原法2、吸附法——固體吸附法

利用分子極性進(jìn)行分離，判斷化學(xué)鍵的極性與分子的極性。判斷：CCl4、H2、H2O2四氯化硅為非極性分子，三氯化磷為極性分子，選擇一種吸附劑，能對極性分子有吸附力，對非極性分子沒有吸附力。第五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一四氯化硅氫還原法活性氧化鋁：極性吸附劑—同性相吸，異性相斥嚴(yán)格控制加熱速率，于773K加熱制成多孔結(jié)構(gòu)的活性物質(zhì)吸附純化后，四氯化硅純度可達(dá)6至9個“9”，既99.9999%，可用來制備多晶硅。第三步：四氯化硅還原制得多晶硅第六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一三氯氫硅氫還原法第一步：三氯氫硅制備三氯化硅由干燥的氯化氫與硅粉反應(yīng)得到：第二步：三氯氫硅的提純—與四氯化硅相類似思考：能否吸附法提純？第三步：三氯氫硅還原制備多晶硅第七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一硅烷熱分解法硅烷由硅化鎂和氯化銨反應(yīng)制得：一、硅烷制備二、硅烷提純方法：減壓精餾、吸附等三、硅烷高溫分解第八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一多晶硅制備工藝流程第九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一多晶硅的提純上述方法制備的多晶硅濃度總體不高，在進(jìn)入單晶硅制備設(shè)備之前還需進(jìn)行多晶硅的純化處理。方法：區(qū)域提純法——區(qū)熔法：分凝現(xiàn)象分凝現(xiàn)象：含有雜質(zhì)的材料，經(jīng)熔化后再緩慢凝固時，固體中各部分雜質(zhì)濃度不相同，原來雜質(zhì)分布均勻的材料，經(jīng)熔化和凝固后，雜質(zhì)分布不再均勻，有些地方雜質(zhì)多，有些地方雜質(zhì)少，則實(shí)現(xiàn)了雜質(zhì)分離。第十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一雜質(zhì)分凝程度可用分凝系數(shù)K來表達(dá)：當(dāng)K大于1時，固相雜質(zhì)濃度大于液相雜質(zhì)濃度，沿錠長方向逐段凝固時雜質(zhì)將留在頭部-固相端；當(dāng)K小于1時，固相雜質(zhì)濃度小于液相雜質(zhì)濃度，沿錠長方向逐段凝固時雜質(zhì)將留在尾部-液相端；多晶硅的提純第十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一多晶硅的提純質(zhì)量檢驗(yàn)：符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的單晶拉制材料質(zhì)量檢驗(yàn)內(nèi)容：【表面有無氧化：有氧化時色澤變暗】【測定多晶硅純度：6至9個“9”以上可用來制備單晶硅】第十二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一二、單晶硅的制備硅石粗硅高純多晶硅單晶硅（成核+生長）制備原理：類似于“結(jié)冰”現(xiàn)象，當(dāng)熔融體溫度降低到某一溫度時，許多細(xì)小晶粒在熔體中出現(xiàn)，然后逐漸長大，構(gòu)成晶體材料……結(jié)晶條件：1、溫度降低到結(jié)晶溫度以下—“過冷”

2、必須有結(jié)晶中心（籽晶）第十三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一晶體性質(zhì)：熔點(diǎn)溫度以上時，液態(tài)自由能低于固態(tài)；熔點(diǎn)溫度以下時，固態(tài)自由能低于液態(tài)。過冷狀態(tài)熔融態(tài)多晶硅，固態(tài)自由能低，一旦存在籽晶，就會沿著結(jié)晶中心結(jié)晶固化。若存在多種結(jié)晶中心，則會產(chǎn)生多晶體。單晶硅制備控制重點(diǎn)：良好籽晶的選擇二、單晶硅的制備第十四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一單晶硅的制備方法當(dāng)前制備單晶硅兩種主要方法：直拉（拉晶）法（CzochralskiMethod）懸浮區(qū)熔法（FloatZoneMethod）兩方法制備的單晶硅具有不同特性和器件應(yīng)用領(lǐng)域，區(qū)熔法制備單晶硅主要應(yīng)用于大功率電器領(lǐng)域；直拉法主要應(yīng)用于微電子集成電路和太陽能電池方面，是單晶硅制備的主體技術(shù)。第十五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一單晶拉制生長設(shè)備第十六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一設(shè)備構(gòu)成主體設(shè)備：單晶爐爐體機(jī)械傳動系統(tǒng)加熱溫控系統(tǒng)真空或惰性氣體輸送系統(tǒng)第十七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一單晶爐第十八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一基本原理：多晶硅原料被裝在一個坩堝內(nèi)，坩堝上方有一可旋轉(zhuǎn)和升降的籽晶桿，桿下端有一個夾頭，用于夾住籽晶。原料被加熱器熔化后，將籽晶放入熔體內(nèi)，控制合適的溫度，使之達(dá)到飽和溫度，邊旋轉(zhuǎn)邊提拉，即可獲得所需硅單晶。直拉法第十九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一直拉法具體操作方法具體操作步驟如下：1、清潔處理對爐腔、坩堝、籽晶、多晶硅料和摻雜合金材料進(jìn)行嚴(yán)格清潔；清潔處理完畢后用高純?nèi)ルx子水沖洗至中性后烘干備用；2、裝爐將粉碎后硅料裝入石英坩堝內(nèi)，把帶摻雜合金分別裝入坩堝和摻雜勺內(nèi)，隨后把清潔好的籽晶安裝到籽晶軸夾頭上，蓋好籽晶罩；3、加熱熔化加熱前打開爐腔內(nèi)冷卻水，當(dāng)真空度或惰性氣體含量達(dá)到要求時開始加熱；合理控制加熱速度，防止出現(xiàn)“搭橋”和“跳硅”現(xiàn)象；待硅料全部熔化后，選擇合適籽晶溫度，準(zhǔn)備下種拉晶。第二十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期一4、拉晶

1）下種：下降籽晶使之與熔融硅液面接觸進(jìn)行引晶；2）縮頸：略微升溫，起拉進(jìn)行縮頸（或收頸）；

3）放肩：略微降溫、降速，讓晶體逐漸長大至所需直徑；

4）等徑生長：放肩進(jìn)入到所需直徑前進(jìn)行升溫，等徑生長；

5）收