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硅的晶体结构

2016-10-24

  自然界物质存在的形态有气态物质、液态物质和固态物质。固态物质可根据它们的质点(原子、离子和分子)排列规则的不同,分为晶体和非晶体两大类。具有确定的熔点的固态物质称为晶体,如硅、砷化镓、冰及一般金属等;没有确定的熔点、加热时在某一温度范围内就逐渐软化的固态物质称为非晶体,如玻璃、松香等。
    
所有晶体都是由原子、分子、离子或这些粒子集团在空间按一定规则排列而成的。这种对称的、有规则的排列,叫晶体的点阵或晶体格子,简称为晶格。最小的晶格,称为晶胞。晶胞的各向长度,称为品格常数。将晶格周期地重复排列起来,就构成为整个晶体。晶体又分为单晶体和多晶体。整块材料从头到尾都按同一规则作周期性排列的晶体,称为单晶体。整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构的小晶体(即晶粒)组成的晶体,称为多晶体。在多晶体中,每个小晶体中的原子排列顺序的位向是不同的。非晶体没有上述特征,组成它们的质点的排列是无规则的,而是短程有序、长程无序’’的排列,所以又称为无定形态。一般的硅棒是单晶硅,粗制硅(冶金硅)和利用蒸发或气相沉积制成的硅薄膜为多晶硅,也可以为无定形硅。
(S1)的原子序数为14,即它的原子核周围有14个电子。这些电子围绕着原子核按一层层的轨道分布,第一层2个,第二层8个,剩下的4个排在第三层,如图所示。另图为硅的晶胞结构。它可以看作是两个面心立方晶胞沿对角线方向上位移14互相套构而成。这种结构被称为金刚石式结构。硅(Si)(Ge)等重要半导体均为金刚石式结构。1个硅原子和4个相邻的硅原子由共价键联结,这4个硅原子恰好在正四面体的4个顶角上,而四面体的中心是另一硅原子。

硅单晶的制备方法:按拉制方法不同分为无坩埚区熔(FZ)法与有坩埚直拉(CZ)法。区熔拉制的单晶不受坩埚污染,纯度较高,适于生产电阻率高于20/厘米的N型硅单晶(包括中子嬗变掺杂单晶)和高阻 P型硅单晶。由于含氧量低,区熔单晶机械强度较差。大量区熔单晶用于制造高压整流器、晶体闸流管、高压晶体管等器件。直接法易于获得大直径单晶,但纯度低于区熔单晶,适于生产20/厘米以下的硅单晶。由于含氧量高,直拉单晶机械强度较好。大量直拉单晶用于制造MOS集成电路、大功率晶体管等器件。外延片衬底单晶也用直拉法生产。硅单晶商品多制成抛光片,但对FZ单晶片与CZ单晶片须加以区别。外延片是在硅单晶片衬底(或尖晶石、蓝宝石等绝缘衬底)上外延生长硅单晶薄层而制成,大量用于制造双极型集成电路、高频晶体管、小功率晶体管等器件。

   目前,市场上所供应的单晶硅多是以有坩埚直拉(CZ)法制备而成的,下面是直拉硅单晶生长控制主要过程示意单晶硅与多晶硅的区别

 

单晶硅与多晶硅的区别

   
单晶硅和多晶硅的区别是,当熔融的单质硅凝固时,硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核,如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒,则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒,则形成多晶硅。多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如在力学性质、电学性质等方面,多晶硅均不如单晶硅。多晶硅可作为拉制单晶硅的原料。单晶硅可算得上是世界上最纯净的物质了,一般的半导体器件要求硅的纯度六个9以上。大规模集成电路的要求更高,硅的纯度必须达到九个9。目前,人们已经能制造出纯度为十二个9 的单晶硅。单晶硅是电子计算机、自动控制系统等现代科学技术中不可缺少的基本材料。   高纯度硅在石英中提取,以单晶硅为例,提炼要经过以下过程:石英砂一冶金级硅一提纯和精炼一沉积多晶硅锭一单晶硅一硅片切割。  冶金级硅的提炼并不难。它的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成。这样被还原出来的硅的纯度约98-99%,但半导体工业用硅还必须进行高度提纯(电子级多晶硅纯度要求119,太阳能电池级只要求69)。而在提纯过程中,有一项三氯氢硅还原法(西门子法)”的关键技术我国还没有掌握,由于没有这项技术,我国在提炼过程中70%以上的多晶硅都通过氯气排放了,不仅提炼成本高,而且环境污染非常严重。我国每年都从石英石中提取大量的工业硅,以1美元/公斤的价格出口到德国、美国和日本等国,而这些国家把工业硅加工成高纯度的晶体硅材料,以46-80美元/公斤的价格卖给我国的太阳能企业。  得到高纯度的多晶硅后,还要在单晶炉中熔炼成单晶硅,以后切片后供集成电路制造等用。

什么是单晶硅
   
可以用于二极管级、整流器件级、电路级以及太阳能电池级单晶产品的生产和深加工制造,其后续产品集成电路和半导体分离器件已广泛应用于各个领域,在军事电子设备中也占有重要地位。  在光伏技术和微小型半导体逆变器技术飞速发展的今天,利用硅单晶所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能,实现了迈向绿色能源革命的开始。北京2008年奥运会将把绿色奥运做为重要展示面向全世界展现,单晶硅的利用在其中将是非常重要的一环。现在,国外的太阳能光伏电站已经到了理论成熟阶段,正在向实际应用阶段过渡,太阳能硅单晶的利用将是普及到全世界范围,市场需求量不言而喻。河北宁晋单晶硅工业园区正是响应这种国际趋势,为全世界提供性能优良、规格齐全的单晶硅产品。  单晶硅产品包括φ3”----φ6”单晶硅圆形棒、片及方形棒、片,适合各种半导体、电子类产品的生产需要,其产品质量经过当前世界上最先进的检测仪器进行检验,达到世界先进水平。图:

区熔硅单晶(float zone silicon crystal)

用区熔法单晶生长技术制备的半导体硅材料,是重要的硅单晶产品。由于硅熔体与坩埚容器起化学作用,而且利用硅表面张力大的特点,故采用悬浮区熔法,简称FZ法或FZ单晶。

特点和应用  由于不用坩埚,避免了来自坩埚的污染,而且还可以利用悬浮区熔进行多次提纯,所以单晶的纯度高。用于制作电力电子器件、光敏二极管、射线探测器、红外探测器等。Fz单晶的氧含量比直拉硅单晶(见半导体硅材料)的氧含量低23个数量级,这一方面不会产生由氧形成的施主与沉积物,但其用区熔法单晶生长技术制备的半导体硅材料,是重要的硅单晶产品。由于硅熔体与坩埚容器起化学作用,而且利用硅表面张力大的特点,故采用悬浮区熔法,简称FZ法或FZ单晶。

特点和应用  由于不用坩埚,避免了来自坩埚的污染,而且还可以利用悬浮区熔进行多次提纯,所以单晶的纯度高。用于制作电力电子器件、光敏二极管、射线探测器、红外探测器等。Fz单晶的氧含量比直拉硅单晶(见半导体硅材料)的氧含量低23个数量级,这一方面不会产生由氧形成的施主与沉积物,但其。

                 

  漩涡缺陷有害,它使载流子寿命下降,进而导致器件特性劣化。在器件工艺中它可转化为位错、层错及形成局部沉淀,从而造成微等离子击穿或使PN结反向电流增大。这种缺陷不仅使高压大功率器件性能恶化,而且使CCD产生暗电流尖峰。在单晶制备过程中减少漩涡缺陷的措施有尽量降低碳含量、提高拉晶速度等。  90年代的水平90年代以来达到的是:区熔硅单晶的最大直径为150mm,并已商品化,直径200mm的产品正在试验中。晶向一般为<111)<100>

(1)气相掺杂区熔硅单晶。N型掺磷、P型掺硼。无位错、无漩涡缺陷。碳浓度[C]<2×10atcm3,典型的可<5×1015atcm3。氧浓度<1×1016atcm3。电阻率范围和偏差列于表2,少子寿命值列于表3

                            

    (2)中子嬗变掺杂(NTD)硅单晶。N型掺杂元素磷,无位错、无漩涡缺陷。碳浓度[C]<2×1016atcm3,典型的可<5×1015atcm3氧浓度<1×1016atcm3,电阻率范围和偏差及少子寿命值列于表4          

 

 

 

 

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