单晶硅材料的制备与加工.doc
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1、单晶硅太阳能电池的生产与检测光予小组制作2014/5/251、 直拉单晶硅的相关知识2、 直拉单晶硅的制备工艺(一)工艺概述(二)各项工艺步骤的特点3、 直拉单晶硅的发展前景一,直拉单晶硅的相关知识 硅单晶是一种半导体材料。直拉单晶硅工艺学是研究用直拉方法获得硅单晶的一门科学,它研究的主要内容:硅单晶生长的一般原理,直拉硅单晶生长工艺过程,改善直拉硅单晶性能的工艺方法。 直拉单晶硅工艺学象其他科学一样,随着社会的需要和生产的发展逐渐发展起来。十九世纪,人们发现某些矿物,如硫化锌、氧化铜具有单向导电性能, 并用它做成整流器件,显示出独特的优点,使半导体材料得到初步应用。后来,人们经过深入研究,制
2、造出多种半导体材料。1918年,切克劳斯基(J Czochralski)发表了用直拉法从熔体中生长单晶的论文,为用直拉法生长半导体材料奠定了理论基础,从此,直拉法飞速发展,成为从熔体中获得单晶 一种常用的重要方法。目前一些重要的半导体材料,如硅单晶,锗单晶,红宝石等大部分是用直拉法生长的。直拉锗单晶首先登上大规模工业生产的舞台,它工艺简 单,生产效率高,成本低,发展迅速;但是,锗单晶有不可克服的缺点:热稳定性差,电学性能较低,原料来源少,应用和生产都受到一定限制。六十年代,人们发 展了半导体材料硅单晶,它一登上半导体材料舞台,就显示了独特优点:硬度大,电学热稳定性好,能在较高和较低温度下稳定工
3、作,原料来源丰富。地球上 25.8%是硅,是地球上锗的四万倍,真是取之不尽,用之不竭。因此,硅单晶制备工艺发展非常迅速,产量成倍增加,1964 年所有资本主义国家生产的单为晶硅 50-60 吨,70年为300-350 吨,76年就达到1200吨。其中60%以上是用直拉法生产的。 随着单晶硅生长技术的发展,单晶硅生长设备也相应发展起来,以直拉单晶硅为例,最初的直拉炉只能装百十克多晶硅,石英坩埚直径为40毫米到60 毫米,拉制单晶长度只有几厘米,十几厘米,现在直拉单晶炉装多晶硅达40 斤,石英坩埚直径达350毫米,单晶直径可达150毫米,单晶长度近2米,单晶炉籽晶轴由硬构件发展成软构件,由手工操作
4、发展成自动操作,并进一步发展成 计算机操作,单晶炉几乎每三年更新一次。 大规模和超大规模集成电路的发展,给电子工业带来一场新的革命,也给半导体材料单晶硅带来新的课题。大规模和超大规模集成电路在部分用直拉单晶硅制造,制 造集成电路的硅片上,各种电路密度大集成度高,要求单晶硅有良好的均匀性和高度的完美性。以 4k 位集成电路为例,在 44 毫米或 46 毫米的硅片上,做四万多个元件,还要制出各元件之间的连线,经过几十道工序,很多次热处理。元件的高密度,复杂的制备工艺,要保证每个元件性能稳定,除制 作集成电路工艺成熟外,对硅单晶材料质量要求很高:硅单晶要有合适的电阻率和良好的电阻率均匀性,完美的晶体
5、结构,良好的电学性能。因此,硅单晶生长技术 要更成熟、更精细、更完善,才能满足集成电路的要求。直拉单晶硅工艺理论应不断地向前发展。 二,直拉单晶硅的制备工艺(一),工艺概述 直拉法生产硅单晶工艺尽管种类繁多,但大体可分为:真空工艺、气氛工艺和减压拉晶工艺。真空工艺又分低真空工艺和高真空工艺。真空工艺的特点是 在单晶炉膛内保持真空情况下拉制硅单晶。低真空工艺单晶炉膛内真空度保持10-110-2乇,高真空工艺单晶炉膛保持 10-3乇或更高的真空度。硅单晶拉制过程中单晶炉膛内充高纯氩气做保护气体,称为气氛工艺。气氛工艺中又有流动气氛和不流动气氛两种。在拉制硅单晶时一 次充入单晶炉膛内0.20.4kg
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