半导体第三讲-上.pdfVIP

半导体材料与集成电路基础

第三讲：单晶硅生长及硅片制备技术

内容

•多晶硅料制备技术

•石英坩埚的制备技术

•硅单晶生长方法

•单晶硅生长过程的技术要点

硅晶片的生长技术

•单晶硅基片(SiliconWafer)，之所以在诸多半导体元素

如锗(Germanium)或化合物半导体如砷化稼(GaAs)等材

料中脱颖而出，成为超大规模集成电路(VLSI)元器件

的基片材料，其因在于，首先，硅是地球表面存量

丰富的元素之一，而其本身的无毒性以及具有较宽的

带宽（Bandgap)是它在微电子基片中能够获得应用的

主要因。当然，对于高频需求的元器件，硅材料则

没有如砷化稼般的具有高电子迁移率(ElectronMobility)

而受到青睬，尤其是它无法提供光电元件

(OptoelectronicDevice)的基体材料。在此方面的应用由

砷化稼等半导体材料所取代。其次，从生产技术上考

虑，硅材料能以提拉法（柴氏法）大量生长大尺寸的

硅单晶棒，它是目前最经济的、成熟的规模生产工艺

技术。

多晶硅料制备技术

•制造硅晶片的料仍然是硅，只是从一高纯度(99．

999999999％)的多晶硅(Polysilicon)转换成具有一定杂

质(Dopant)的结晶硅材料。硅材料是地球丰度较高的元

素，它以硅砂的二氧化硅状态存在于地球表面。从硅

砂中融熔还成低纯度的硅，是制造高纯度硅的第一

步。将二氧化硅与焦碳(Coke)、煤(Coal)及木屑等混合

，置于石墨电弧炉中于1500℃～2000℃加热将氧化物

分解还成硅，可以获得纯度为98％的多晶硅。接下

来将这种98％多晶硅纯化为高纯度多晶硅则需经一系

列化学过程将其逐步纯化

盐酸化(Hydrochlorination)处理

将冶金级硅置于流床(Fluidized-bed)反应器中通入盐酸形成三氯化

硅，其过程用下式来表示：

Si(s)+3HCl(g)→SiHCl(l)+H(g)(2.10)

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蒸馏(Distillation)提纯

将上式获得的低沸点反应物，SiHCl置于蒸馏塔中，将它与其他

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的反应杂质(以金属卤化物状态存在)，通过蒸馏的过程去除。

分解(Decomposition)析出多晶硅

将上面已纯化的SiHCl置于化学气相沉积(ChemicalVapor

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deposition，CVD)反应炉(Reactor)中，与氢气还反应使得金属硅

在炉中电极析出，再将此析出物击碎即成块状(Chunk)的多晶硅

另外著名的还有以四氯化硅(SiCl)于流床反应炉中分解析出颗粒状

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(Granular)高纯度硅，其粒度分布约在100um至1500um之间，该方

法的优点是较低制造成本(能源耗损率极低)，以及可以均匀或连

续填充入晶体生长炉，实现硅单晶的不间断生长。因此它有可能

取代部份块状多晶硅的料市场。

石英坩埚的制备技术

•生产中使用的石英坩埚是用天然纯度高的硅砂制成。浮选筛检后

的石英砂，被堆放在水冷式的坩埚型金属模内壁上，模具慢速旋

转以刮出适当的硅砂层厚度及高度。然后送入电弧炉中，电弧在

模具中心放出，将硅砂融化，烧结，冷却便可获得可用的石英坩

埚。这种坩埚内壁因高温融化快速冷却而形成透明的非结晶质二

氧化硅，外壁因接触水冷金属模壁部份硅砂末完全融化，而形成

非透明性且含气泡的白色层。坩埚再经由高温等离子处理，让碱

金属扩散离开坩埚内壁以降低碱金属含量。然后再浸涂一层可与

二氧化硅在高温下形成玻璃陶瓷(GlassCeramic)的材