晶體硅制備課程概述課程目標(biāo)掌握晶體硅制備原理理解工業(yè)生產(chǎn)流程學(xué)習(xí)內(nèi)容硅基礎(chǔ)理論提純技術(shù)單晶生長方法考核方式理論考試實(shí)驗報告晶體硅簡介定義原子按規(guī)則周期排列的硅晶體重要性電子信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)材料應(yīng)用領(lǐng)域硅的基本性質(zhì)物理性質(zhì)密度：2.33g/cm3熔點(diǎn)：1414℃硬度：7莫氏化學(xué)性質(zhì)常溫穩(wěn)定高溫易氧化與HF反應(yīng)電學(xué)性質(zhì)半導(dǎo)體材料禁帶寬度：1.12eV載流子遷移率高硅在元素周期表中的位置第四主族元素原子序數(shù)14電子構(gòu)型外層電子數(shù)4化學(xué)鍵共價鍵結(jié)構(gòu)硅的幾種同素異形體1單晶硅周期性晶格結(jié)構(gòu)整體性能最優(yōu)2多晶硅多晶粒聚集體晶界影響電性能3非晶硅無遠(yuǎn)程有序性短程有序結(jié)構(gòu)硅的來源提取方法還原二氧化硅主要礦物石英、硅石地殼含量約27.7%工業(yè)硅的制備原料石英石、碳還原劑生產(chǎn)工藝電弧爐高溫還原主要設(shè)備工業(yè)電弧爐產(chǎn)品冶金級硅(98%)冶金級硅的提純化學(xué)提純氯化-精餾-還原物理提純定向凝固常用方法比較化學(xué)方法純度高物理方法能耗低三氯氫硅法原理硅粉與HCl反應(yīng)反應(yīng)方程式Si+3HCl→SiHCl?+H?工藝流程流化床反應(yīng)器合成三氯氫硅的精餾精餾原理沸點(diǎn)差分離組分1設(shè)備構(gòu)造多層塔板高精度控溫2操作參數(shù)溫度：60-90℃壓力：常壓或微壓3純度要求電子級>99.9999%4三氯氫硅氫還原硅棒還原生長過程：SiHCl?+H?→多晶硅+HCl硅烷法原理介紹硅烷熱分解SiH?→Si+2H?優(yōu)缺點(diǎn)分析優(yōu)點(diǎn)：純度高缺點(diǎn)：成本高、危險性大應(yīng)用范圍高純電子級硅光伏多晶硅硅烷的制備原料選擇三氯氫硅或四氯化硅反應(yīng)過程歧化反應(yīng)或氫化鋁還原純化方法低溫精餾硅烷熱分解650℃分解溫度關(guān)鍵工藝參數(shù)1.5mbar工作壓力避免爆炸風(fēng)險99.9999%產(chǎn)品純度電子級要求區(qū)熔法加熱形成熔區(qū)局部區(qū)域達(dá)到熔點(diǎn)移動熔區(qū)雜質(zhì)隨熔區(qū)遷移重結(jié)晶熔區(qū)后方重新凝固多次重復(fù)提高純化效果區(qū)熔過程中的雜質(zhì)分凝區(qū)熔次數(shù)雜質(zhì)濃度(ppm)區(qū)熔次數(shù)與雜質(zhì)濃度關(guān)系，分凝系數(shù)k<1時雜質(zhì)向熔區(qū)末端富集單晶硅生長方法概述直拉法（CZ法）工業(yè)主流方法浮區(qū)法（FZ法）最高純度硅晶體其他方法帶狀生長、定向凝固直拉法（CZ法）原理工作原理從熔融硅中拉制晶體設(shè)備組成加熱系統(tǒng)、拉晶系統(tǒng)、控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)尺寸大、生產(chǎn)效率高缺點(diǎn)氧含量高CZ法生長工藝流程熔料準(zhǔn)備多晶硅料裝爐熔化籽晶引入接觸熔液表面晶體生長控制轉(zhuǎn)速和拉速后處理冷卻降溫和退火CZ法設(shè)備簡介1加熱系統(tǒng)石墨電阻加熱器2拉晶系統(tǒng)高精度拉晶桿和轉(zhuǎn)臺3真空系統(tǒng)保持惰性氣氛4控制系統(tǒng)溫度、速度實(shí)時監(jiān)控?zé)釄鲈O(shè)計溫度分布熔體中心溫度略高于邊緣固液界面略凹或平坦材料選擇石墨坩堝石英坩堝氮化硅涂層優(yōu)化方法熱屏設(shè)計計算機(jī)模擬實(shí)驗驗證晶體直徑控制觀測方法CCD成像稱重法監(jiān)測增重速率控制原理調(diào)節(jié)拉速和溫度自動化控制PID閉環(huán)反饋晶體成像法原理捕捉固液界面反射光尺寸與圖像變化成正比設(shè)備高清CCD相機(jī)實(shí)時圖像處理系統(tǒng)應(yīng)用直徑實(shí)時監(jiān)控界面形狀觀察稱重法原理監(jiān)測單位時間增重量設(shè)備高精度稱重傳感器精度分析±0.1mm直徑控制單晶硅生長過程中的缺陷控制點(diǎn)缺陷空位、間隙原子線缺陷位錯、螺位錯面缺陷晶界、孿晶控制方法溫度梯度優(yōu)化無位錯單晶硅生長原理頸部生長阻斷位錯傳播方法細(xì)頸技術(shù)溫度梯度控制應(yīng)用高性能集成電路大功率器件磁場輔助直拉技術(shù)（MCZ）原理外加磁場抑制熔體對流設(shè)備水平或垂直磁場裝置優(yōu)勢氧含量控制徑向均勻性提高M(jìn)CZ技術(shù)的應(yīng)用CZ法MCZ法MCZ與傳統(tǒng)CZ法晶體質(zhì)量參數(shù)比較（百分比表示）浮區(qū)法（FZ法）原理工作原理熔區(qū)掃過多晶硅棒設(shè)備組成射頻加熱器旋轉(zhuǎn)與移動機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)無坩堝污染氧含量極低缺點(diǎn)直徑受限成本高FZ法設(shè)備簡介加熱系統(tǒng)射頻感應(yīng)加熱熔區(qū)控制窄熔區(qū)穩(wěn)定維持氣氛保護(hù)高純氬氣環(huán)境FZ法與CZ法的比較參數(shù)FZ法CZ法純度極高(無氧)高缺陷少氧沉淀成本高適中直徑≤200mm≤450mm應(yīng)用范圍高壓器件集成電路單晶硅的摻雜摻雜方法原位摻雜或后續(xù)工藝常用摻雜元素硼(P型)、磷(N型)摻雜目的調(diào)節(jié)電學(xué)性質(zhì)原位摻雜摻雜劑準(zhǔn)備稱量純度控制加入硅料熔融前預(yù)混合分凝系數(shù)影響硼k=0.8，磷k=0.35均勻性控制旋轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)后續(xù)摻雜離子注入高能離子束摻雜量精確控制需要退火修復(fù)熱擴(kuò)散高溫氣相擴(kuò)散均勻性好適合淺結(jié)構(gòu)中子嬗變反應(yīng)堆輻照均勻分布適用功率器件單晶硅的切割切割方法內(nèi)圓切割線切割設(shè)備介紹金剛線切割機(jī)多線切割機(jī)切割損耗控制金剛線直徑減小切割液循環(huán)利用單晶硅的研磨與拋光研磨原理研磨粉機(jī)械去除拋光工藝化學(xué)機(jī)械復(fù)合作用表面質(zhì)量控制粗糙度<1nm單晶硅的清洗清洗目的去除表面污染物常用清洗劑RCA-1、RCA-2溶液清洗工藝多步驟串聯(lián)清洗單晶硅片的檢測電阻率測量四探針法少子壽命測量光衰減法缺陷檢測光學(xué)顯微鏡掃描多晶硅的制備定向凝固法自下而上凝固鑄錠法方坩堝整塊凝固薄膜沉積法氣相沉積形成薄層定向凝固法原理控制溫度梯度定向生長設(shè)備底部加熱上部冷卻爐體工藝流程熔化-緩慢凝固-冷卻鑄錠法1650℃熔化溫度完全熔融硅料800kg單爐產(chǎn)量大型鑄錠爐容量300hr制備周期完整工藝時間多晶硅薄膜沉積1CVD法硅烷熱分解溫度:600-650℃2PVD法物理氣相濺射真空環(huán)境3等離子體增強(qiáng)CVD低溫沉積(300℃)均勻性好非晶硅的制備濺射法真空環(huán)境硅靶材濺射低溫基底等離子體CVD法工業(yè)主流硅烷分解溫度:200-350℃熱CVD法較高溫度結(jié)構(gòu)缺陷多成本低非晶硅的氫化氫化目的鈍化懸掛鍵減少缺陷態(tài)氫化方法沉積過程中氫摻入等離子體后處理性能改善提高光電轉(zhuǎn)換效率降低漏電流單晶硅、多晶硅和非晶硅的比較性質(zhì)單晶硅多晶硅非晶硅結(jié)構(gòu)特點(diǎn)完整晶格晶粒+晶界短程有序電子遷移率1500cm2/Vs100cm2/Vs1cm2/Vs帶隙1.12eV1.12eV1.7-1.8eV制備成本高中低晶體硅在太陽能電池中的應(yīng)用不同硅基太陽能電池實(shí)驗室轉(zhuǎn)換效率比較晶體硅在集成電路中的應(yīng)用襯底材料高純度單晶硅片外延層精確控制摻雜濃度SOI技術(shù)硅-絕緣體-硅結(jié)構(gòu)晶體硅在MEMS中的應(yīng)用硅微加工技術(shù)各向異性刻蝕常見MEMS器件加速度傳感器發(fā)展趨勢三維集成晶體硅制備的質(zhì)量控制原料質(zhì)量控制進(jìn)廠檢驗標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)控制溫度、氣流精確控制2產(chǎn)品檢測標(biāo)準(zhǔn)電學(xué)、結(jié)構(gòu)分析質(zhì)量體系全流程監(jiān)控晶體硅制備的能耗分析多晶硅制備單晶硅生長切割加工研磨拋光其他工序節(jié)能措施：余熱回收、熱場優(yōu)化、智能控制晶體硅制備的環(huán)境影響廢氣處理硅烷、氯硅烷尾氣處理廢水處理切割液、拋光液回收固廢處理硅泥資源化利用晶體硅制備的安全生產(chǎn)主要危險因素硅烷易燃易爆安全防護(hù)措施泄漏檢測和報警系統(tǒng)應(yīng)急處理緊急疏散和消防預(yù)案晶體硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀全球多晶硅產(chǎn)能分布情況中國晶體硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展70%全球產(chǎn)能占比多晶硅領(lǐng)域主導(dǎo)地位12-N技術(shù)代際先進(jìn)工藝水平5000億年產(chǎn)值完整產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模晶體硅制備的未來發(fā)展方向智能制造AI控制與預(yù)測2高純度化11個9以上純度大尺寸化450mm硅片新型硅基材料納米硅量子尺寸效應(yīng)調(diào)控光電性能生物兼容性好多孔硅大比表面積光學(xué)特性獨(dú)特傳感器應(yīng)用硅基化合物碳化硅（SiC）氮化硅（Si?N?）硅鍺（SiGe）晶體硅制備的前沿研究太空