硅材料基础知识.doc

导体：导体是很容易导电的物质，电阻率约为10-6-10-8cm,绝缘体：极不容易或根本不导电的一类物质。半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的一类物质，目前已知的半导体材料有几百种，适合工业化的重要半导体材料有：硅、锗、砷化镓、硫化镉，电阻率介于10-5-1010（少量固体物质如砷、锑、铋，不具备半导体基本特性，叫做半金属。冶金级硅（工业硅）：将自然级自然界的SI02矿石冶炼成元素硅的第一步，冶金级硅分为两类：1、供钢铁工业用的工业硅，硅含量约为75%。2、供制备半导体硅用，硅含量在99.7%-99.9%，它常用作制备半导体级多晶硅的原料。多晶硅：1、改良西门子法，2、硅烷法，3、粒状硅法。改良西门子法：多晶硅生产的西门子工艺，在11000C左右德高纯度硅芯上还原高纯三氯氢硅，生成多晶硅沉积在硅芯上。过程：1、原料硅破碎；2、筛分（80目）沸腾氯化制成液态的SIHCL3粗馏提纯精馏提纯氢还原棒状多晶硅破碎洁净分装。硅烷法：原料破碎筛分硅烷生成沉积多晶硅棒状多晶破碎、包装。单晶硅：硅的单晶体，具有基本完整的点阵结构的晶体，不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导体，纯度要求达到99.9999%甚至达到99.9999999%用于制造半导体器件、太阳能电池等。区域熔炼法：制备高纯度、高阻单晶的方法。切克劳斯基法（直拉法）：制作大规模集成电路、普通二极管和太阳能电池单晶的使用方法。硅棒外径滚磨：将单晶滚磨陈完全等径的单晶锭。硅切片：硅切片是将单晶硅原锭加工成硅圆片的过程（内圆切片机刀口厚度在300-350um，片厚300-400um。线切机刀口厚度不大于200u，片最薄可达200-250u.）.硅磨片：一般是双面磨，用金刚砂作原料，去除厚度在50-100u，用磨片的方法去除硅片表面的划痕，污渍和图形，提高硅片表面平整度。用内圆切片机加工的硅片一般都需要进行研磨。倒角：将硅切片的边沿毛刺、崩边等倒掉。抛光片：大规模集成电路使用的硅片。硅材料电性能的三个显著特点：1、 对温度的变化十分灵敏，当温度提高时，电阻率将大幅度下降。2、 微量杂志的存在对电子的影响十分显著，纯硅中加入百万分之一的硼，电阻率就会从2.14*103下降至4*10-3。3、 半导体材料的电阻率在受到光照时会改变其数值大小。本征硅：绝对纯净没有缺陷的硅晶体称作本征硅，本征硅中导电的电子和空穴都会由于其价键破裂而产生。体内电子和空穴浓度相等。N型硅：在纯硅中掺入V族元素（如、磷、砷等），能够提供自由电子的杂质统称为施主杂质，掺入施主杂质的硅叫N型硅。以电子为多数载流子的半导体。P型硅：在纯硅中掺入III型元素（如硼）以后，具有接受电子的杂质成为受主杂质，掺入受阻杂质的硅叫做P型硅。以空穴为多数载流子的半导体。单晶：一块晶体如果从头到尾按照同一种排列重复下去叫做单晶体，多晶：许多微小单晶颗粒杂乱的排列在一起称为多晶体。晶体中的缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷、孪晶、旋涡、杂质条纹、堆垛层错、氧化层错、滑移线等电阻率：高能粒子探测器：要求几千乃至上万的FZ单晶。大功率整流器件：SCR（可控硅）要求3001000的FZ单晶。IC（集成电路）：5-30的CZ单晶。太阳能单晶：P型（100）0.5-6的CZ单晶。少子寿命：半导体中非平衡少数载流子平均存在的时间长短，单位是US。非平衡载流子：当半导体中载流子产生于复合处于平衡状态时，由于受某种外界条件的作用，如收到光纤照射时新增加的电子空穴对，新增加的载流子叫做非平衡载流子。对P型而言，新增加的电子叫做非平衡少数载流子，新增加的空穴叫做非平衡多数载流子。N型正好相反。注意：光照停止后，非平衡载流子并不是立即全部消失，而是逐渐被复合消失，它们存在的平均时间就叫做非平衡载流子寿命。非平衡载流子寿命反映了半导体材料的内在质量，如晶体结构完整性，所含杂质以及缺陷的多少，硅晶体中缺陷和杂质往往是非平衡载流子的复合中心。检测方法：直流光电导衰减法、高频光电导衰减法、微波光电导衰减法、表面光电压法、光电流法、电子束感生电流法、MOS电容法。少子寿命要求：高能粒子探测器FZ硅的电阻率要求上万cm,少子寿命上千微秒。IC工业的CZ硅少子寿命在100us以上；晶体管极CZ硅的少子寿命在100us以上，太阳能电池CZ硅片的少子寿命不小于10us。氧化量：硅材料中氧原子数量浓度。太阳能电池要求氧含量小于5*1018原子个数/cm3碳含量：硅材料中碳原子浓度。太阳能电池要求碳含量小于5*1017原子个数/cm3IC用硅片要求检测：微缺陷种类及均匀性，电阻率均匀性氧碳含量均匀性TTV（总厚度变化）、LTV(局部平整度）导电类型测量方法：冷探针法、热探针法、整流法、霍尔效应法。电阻率：单位长度、单位面积下的物体的电阻值、电阻率直接反应其导电能力大小，某一物体的电阻率是他电导率的倒数。在一定的温度条件下，半导体材料的电阻率直接反应了材料的纯度。电阻率测量方法：二探针法、四探针法、扩展电阻法、范德堡法、涡流法、光电压法。载流子浓度：在一定温度条件下，内部处于热平衡的半导体中，电子和空穴的浓度基本保持一定，此时的电子及空穴的浓度叫做平衡载流子浓度。测量方法：三探针击穿电压法、微分电容法、二次谐波法、红外线等离子发射光谱法、红外吸收法。应用：FZNTD：硅整流器、可控硅、智能功率器件、FZGD：半导体功率器件、绝缘栅双极晶体管、CZ：二极管、三极管、集成电路FCZ：高效太阳能FZ：高反压器件、光电子器件MCZ：集成电路器件、分立器件硅晶体生长缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷点缺陷：自间隙原子、空位、外来原子，根据热力学原理，晶体中一定会产生本征点缺陷，并聚集成为微缺陷。（结晶过程中形成。）线缺陷：最常见为产生位错，范围性变形，分为刃位错（位错线与滑移矢量垂直时形成的位错）和螺位错（位错线与滑移矢量平行时形成的位错）面缺陷：在密堆积的晶体结构中由于堆积次序发生错乱形成的层错，层错是一种区域性的缺陷，在层错以内及以外的原子都规则排列，只在两部分交界面处原子排列发生错乱。体缺陷：掺入杂质的量大于硅可接受的浓度时，杂质在晶体中沉积，形成沉淀或者夹杂物。硅片抛光：为了去除腐蚀过程中形成的损伤层或降低腐蚀后表面的粗糙程度以形成类似于镜面的硅片表面。背损伤：在硅片的背面进行机械损伤形成金属吸杂中心。当硅片达到一定温度时，降低载流子寿命的金属原子就会在硅体内运动，当这些原子在硅片背面遇到损伤点，它们就会被诱陷并本能的从内部移动到损伤点。背封：对于重掺硅片来说，经过一个高温阶段在，硅片背面淀积一层薄膜，能阻止掺杂剂向外扩撒。二氧化硅、氮化硅、多晶硅通常被用作背封材料，多晶硅用于吸杂、沉积SIO2用于背封，防止自掺杂。外延：bipolar工艺中，硅片最底层是P型衬底硅（有的加点埋层）；然后在衬底层生长一层单晶硅，这层单晶硅称为外延层；再后来在外延层上注入基区和发射区。最后形成纵向NPN管结构，外延层在其中是集电区，外延上面有基区和发射区。外延片是在陈地上做好外延层的硅片。可控硅：是可控硅整流原件的简称，是一种具有三个PN结的四层结构大功率半导体器件，也称为晶闸管。PN结：将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体基片上，在他们的交界面形成空间电荷区，称为PN结。集成电路：一种卫星电子器件或部件，采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管电阻、电容和电感等原件及布线互联在一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，具有所需电路功能的微型结构。中子照射：利用中子照射某些元素，产生核反应，使这些元素转变为放射性核元素，称为活化。中子嬗变掺杂：采用中子辐射的方法对材料进行掺杂，使得掺入的杂质浓度非常充足。