半导体材料--第二章元素半导体ppt课件.ppt

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1、第二章元素半导体材料本章介绍以锗、硅为代表的元素半导体材料。因目前国内外，各种类型的半导体器件，如晶体管、集成电路，大规模集成电路等多采用硅单晶制成。所以这里重点讨论硅单晶材料。至于化合物半导体材料将在后面讲述。单晶硅棒材料(见硅材料图1、图2）加工成硅片可用来制作各种类型的半导体器件(图3、图4)单晶多晶多晶硅是生产制备单晶硅的原材料，多晶硅经提纯后，纯度可高达9个“9”，甚至更纯（见多晶硅图）。现在首先介绍高纯多晶硅的制备。§2-1多晶硅的制备多晶硅制备方法及工艺流程，如图4-1所示。一、工业硅的制备工业硅，一般是指95~99％纯度的硅．又称粗硅．或称结晶硅。这种硅是石英

2、砂在电炉中用碳还原方法冶炼而成，其反应式为工业硅中所含杂质主要有Fe，Al，C，B，P、Cu等。其中Fe含量最多．因此，人们通常称工业硅为硅铁。目前市售工业硅按纯度递减分为四个型号，分别称1级硅、2级硅、3级硅和4级硅。工业硅的纯化最常用的方法是酸浸法（酸洗）。即当硅凝固时，多数杂质（Fe、Al、C、B、P、Cu等）离析在晶粒周围，这些杂质往往呈硅化合物或硅酸盐状态,一般都可用酸溶解。只有少数杂质如碳化硅、氧化铁不溶。而硅则不溶于酸中，为此可采用酸浸法纯化工业硅、故称化学提纯。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。二、四氯化硅（SiCl4）的制备制备四

3、氯化硅的方法很多，工业上主要采用工业硅与氯气合成方法。其反应式三、三氯氢硅（SiHCl3）的制备工业硅经氯化氢处理即可得到三氯氢硅。其反应原理如下：四、精馏提纯在粗三氯氢硅中，含有杂质如硼、磷、钛、铁、铜等的氯化物。提纯的目的就是要最大限度地除去这些杂质。三氯氢硅多用筛板精馏塔进行提纯。下面我们介绍精馏原理。精馏是蒸馏时所产生的蒸汽与蒸汽冷凝时得到的液体相互作用，使气相中高沸点组分和液相中低沸点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。一般来说，粗SiHCl3中各种可能存在的组分及其性质如表4-1所示。精馏过程是在逆流作用塔式设备内进行的，其设备如图4-

4、2所示。在塔内，被蒸液体所产生的蒸汽自下而上流动，升入塔顶，蒸汽又被冷凝变成液体，自上而下流动。如图4-2所示，在这种连续的气液两相接触过程中就产生传热和传质现象。图4-2SiHCl3精馏装置示意图来自下方蒸汽冷凝放出潜热使上方液体部分汽化，易挥发组分从液相转入汽相，而同时下方蒸汽放出潜热后也部分地凝为液体，难挥发组分从气相转入液相。这样在每块塔板上同时进行着气液两相热交换和质量交换，当具有充分多的塔板时，气体沿塔上升途中，易挥发组分不断由液相向汽相转移；最上一块板出来的蒸汽几乎全部是易挥发组分，冷凝后得到纯度较高的馏出液。同理，液相从塔顶到塔底，易挥发组分的浓度依次下降，难

5、挥发组分浓度依次增大。最后得到的几乎全是难挥发组分液体，从而达到分离提纯混合液体的目的。三氯氢硅的精馏提纯一般分为两级，习惯上前面一级称粗馏，后面一级称精馏。一个完善的精馏过程，可将杂质总量提纯到10-7～10-10量级，分析这样高纯物质的方法有：光谱分析、质谱分析、分光光度、同位素稀释法和中子活化法等手段。五、三氯氢硅的氢还原法制取多晶硅用氢气作还原剂，在1100～1200℃下还原SiHCl3沉积多晶硅，是目前多晶硅材料生产的主要方法。用这种方法已经获得过6～8个“9”的高纯硅。SiHCl3用氢还原法制取多晶的反应式为：用此方法可将还原出来的硅淀积在预先制好的多晶硅芯上。六

6、、硅烷热分解法制取多晶硅硅烷热分解反应式为：目前，用这种方法得到的纯硅的纯度已达到8～9个“9”七、氢还原法制备多晶硅的工艺系统系统如图4—3所示。SiHCl3的氢还原工艺过程：经过精馏提纯后的SiHCl3送入挥发器达到确定的液面高度，计量通入还原炉的总气体量。经流量计以后，氢气分成两路，一路直接进入还原炉；另一路经流量计通入挥发器内的SiHCl3液体中，使SiHCI3鼓泡挥发，即携带着SiHCl3蒸汽的氢气与直接进入还原炉的氢气汇合经喷头进入还原炉。-图4-3氢还原工艺系统如此，氢与SiHCl3的混合气体连续地进入还原炉进行还原反应。并在载体上沉积出多晶硅。由于反应后的尾气

7、中尚有大量的未转化的SiHCI3气体需要回收，所以尾气从还原炉底部排出后，首先经过热交换器预冷，然后进入尾气回收器，SiHCl3绝大部分可以被冷凝回收。通过尾气回收器以后的气体再经过气液分离器，使被液化的SiHCl3与氢气完全分离，回收的SiHCI3可重新返回挥发器或送去精馏再处理。未冷凝的氢气则经过热交换器后送去处理，经净化后再用作还原剂。八、沉积多晶硅的裁体SiHCl3被氢还原时，沉积多晶硅的发热载体是多种多样的。常用的有钽管、钼管和硅芯作为载体材料。前两种因造价昂贵目前已很少采用。主要是以硅芯作裁