半導(dǎo)體制造技術(shù)實(shí)踐總結(jié)

1、半導(dǎo)體制造技術(shù)實(shí)踐總結(jié)報告姓名：學(xué)號：學(xué)科：學(xué)院：導(dǎo)師姓 名：指導(dǎo)教 師：2022 年春季 學(xué)期一、實(shí)踐目的通過生產(chǎn)實(shí)習(xí)學(xué)習(xí)半導(dǎo)體器件與集成電路相關(guān)制造工藝原理，把握半導(dǎo)體工藝設(shè)備的構(gòu)造原理、操作方法和半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)以及工藝過程測試與分析方法，并學(xué)以致用、理論聯(lián)系實(shí)際，穩(wěn)固和理解所學(xué)的理論學(xué)問。同時了解半導(dǎo)體器件和集成電路的工藝和技術(shù)，積存實(shí)踐學(xué)問，拓寬專業(yè)學(xué)問面，為器件和集成電路的設(shè)計與制造奠定根底。另外，培育在實(shí)際生產(chǎn)過程中覺察問題、分析問題、解決問題和獨(dú)立工作的力量，增加綜合實(shí)踐力量，建立勞動觀念、實(shí)踐觀念和創(chuàng)意識，樹立實(shí)事求是、嚴(yán)峻認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，提高綜合素養(yǎng)。同時生產(chǎn)實(shí)踐也是了解

2、本專業(yè)進(jìn)呈現(xiàn)狀、把握科技前沿脈搏和半導(dǎo)體相關(guān)專業(yè)理論學(xué)問在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用狀況的重要課堂，開闊專業(yè)視野，拓寬專業(yè)學(xué)問面。從而穩(wěn)固專業(yè)思想，明確努力方向。二、實(shí)踐安排2022-7-72022-7-8硅片清洗和外表制絨2022-7-92022-7-10集中制結(jié)2022-7-102022-7-11去磷硅玻璃、等離子刻蝕2022-7-122022-7-13鍍減反射膜2022-7-14絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)三、實(shí)踐過程和具體內(nèi)容學(xué)習(xí)太陽能電池板的制作過程來了解各個工藝步驟，幫助穩(wěn)固所學(xué)理論學(xué)問，初步了解半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)實(shí)際，提高學(xué)問應(yīng)用和實(shí)際動手力量。1、太陽能電池工作原理太陽能電池板是通過吸取太陽光，將太陽輻射

3、能通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接或間接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，大局部太陽能電池板的主要材料為 “硅”。 太陽電池是一種對光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有很多種，如：單晶硅，多晶硅， 非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。它們的發(fā)電原理根本一樣，現(xiàn)以晶體硅為例描述光發(fā)電過程。 P 型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得 N型硅，形成 P-N 結(jié)。當(dāng)光線照耀太陽電池外表時，一局部光子被硅材料吸取;光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了躍遷，成為自由電子在 P-N 結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差， 當(dāng)外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生肯定的輸出功率。這個過程的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過

4、程。一、太陽能發(fā)電方式太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光熱電轉(zhuǎn)換方式， 另一種是光電直接轉(zhuǎn)換方式。光熱電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸取的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣，再驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電。前一個過程是光熱轉(zhuǎn)換過程；后一個過程是熱電轉(zhuǎn)換過程，與一般的火力發(fā)電一樣。太陽能熱發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而本錢很高，估量它的投資至少要比一般火電站貴510 倍。一座 1000MW 的太陽能熱電站需要投資 2025 億美元，平均 1kW 的投資為 20222500 美元。因此，適用小規(guī)模特別的場合，而大規(guī)模利用在經(jīng)濟(jì)上很不合算，還不能與一般的火電站或核電站相競爭。光電直接轉(zhuǎn)換方式該方式是利用

5、光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光電轉(zhuǎn)換的根本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)很多個電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣 了。太陽能電池是一種大有前途的型電源，具有永久性、清潔性和機(jī)敏性三大優(yōu)點(diǎn).太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會引起環(huán)境污染；太陽能電池可以大中小并舉，大到百萬千瓦的中型電站，小到只供一戶用的太陽能電池組，這是其它電源無法

6、比較的圖 3-1 太陽能電池板成品制作太陽能電池主要是以半導(dǎo)體材料為根底，其工作原理是利用光電材料吸取光能后發(fā)生光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)。圖 3-2 太陽能電池板的工作原理圖 3-2 所示為太陽電池的根本構(gòu)造，從上到下依次為：上電極和柵線、減反射膜圖上未顯示、N 型區(qū)、PN 結(jié)、P 型區(qū)以及下電極。太陽電池板分類主要有以下幾種：晶體硅電池板：多晶硅太陽能電池、單晶硅太陽能電池。非晶硅電池板：薄膜太陽能電池、有機(jī)太陽能電池。化學(xué)染料電池板：染料敏化太陽能電池。柔性太陽能電池圖 3-3 太陽電池生產(chǎn)工藝步驟工藝步驟依據(jù)電池構(gòu)造可分為：硅片清洗和外表制絨集中制結(jié)去磷硅玻璃等離子刻蝕減反射膜制備絲網(wǎng)印刷燒結(jié)。第一

7、步 硅片清洗和外表制絨。圖 3-4 絨面單晶硅絨面的制備是利用硅的各向異性腐蝕，在每立方厘米硅外表形成幾百萬個四周方錐體也即金字塔構(gòu)造。由于入射光在外表的屢次反射和折射，增加了光的吸取，提高了電池的短路電流和轉(zhuǎn)換效率。硅片外表織構(gòu)化方法比較多，主要有刻槽、化學(xué)腐蝕等。其中化學(xué)腐蝕方法工藝簡潔，本錢低廉，適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，是當(dāng)前爭辯熱點(diǎn)之一?；瘜W(xué)腐蝕也成為濕法腐蝕，就是將晶片置于液態(tài)的化學(xué)腐蝕液中進(jìn)展腐蝕。其腐蝕過程與一般化學(xué)反響一樣。在腐蝕過程中，腐蝕液將把它所接觸到的材料浸蝕溶掉。單晶硅的絨面制作是承受擇優(yōu)腐蝕的方法來完成的。一般步驟為：1、NaOH 清洗損傷層。在 40 L 去離子水+

8、800 g NaOH 粉末+750 ml 異丙醇的混合液中超聲波清洗，水溫 80左右，清洗 10 分鐘。這一步的主要作用是去除外表損傷層， 減薄硅片厚度。硅片在堿溶液中會發(fā)生的化學(xué)反響為Si 2NaOH H 2 O Na2 SiO3 2H 2 2、去離子水清洗 2 遍。先用熱水清洗，水溫7080；再用冷水清洗20L水。這一步主要是洗掉硅片外表殘留的第 1 步的去損傷層液體。3、制絨。20 L 去離子水+300 g NaOH+400 g Na2SiO3+1 L 異丙醇的混合溶液， 水溫 80左右，把硅片放入其中反響 30 分鐘。在這里所參加的異丙醇為外表活性添加劑，假設(shè)只用堿溶液來腐蝕單晶硅外表

9、，做出的金字塔型絨面并不均勻，緣由是硅外表的可沾性較差，所以通常參加外表活性添加劑來曾加單晶硅外表的可沾性，同時也能供給 OH-離子，促進(jìn)單晶硅外表織構(gòu)化的充分進(jìn)展。4、去離子水清洗 2 遍。先用熱水清洗，水溫7080；再用冷水清洗20L水。去除第 3 步殘留液。5、HF 清洗。把硅片放入 20L 去離子水+0.4L HF 的混合液中，水溫 80左右，反響 6 分鐘。6、去離子水清洗 2 遍。先用熱水清洗，水溫7080；再用冷水清洗20L水。去除第 5 步殘留液。7、HCl 清洗。把硅片放入 20L 去離子水+2L HCl 的混合液中，常溫下，反響 6 分鐘。8、去離子水清洗 2 遍。冷水清洗

10、 2 次20L 水。去除第 7 步殘留液。其次步 集中制結(jié)。圖 3-5 PN 結(jié)制備原理太陽能電池需要一個大面積的 PN 結(jié)以實(shí)現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)換，而集中爐即 為制造太陽能電池 PN 結(jié)的專用設(shè)備。如圖4 所示，集中一般用三氯氧磷液態(tài)源作為集中源。把P 型硅片放在管式集中爐的石英容器內(nèi)，在 800900高溫下使用氮?dú)鈱⑷妊趿讕胧⑷萜?，通過三氯氧磷和硅片進(jìn)展反響，得到磷原子。在有氧的狀況下：4POCl35O2 2P O256Cl22P O255Si 5SiO2 4P 生成的磷原子在硅片外表形成一層磷硅玻璃，然后通過硅原子之間的空隙向硅片內(nèi)部滲透集中，形成了 N 型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體的交

11、界面，也就是 PN 結(jié)。第三步 去磷硅玻璃。目的：去除硅片外表氧化層和集中時形成的磷硅玻璃P2O5 和 SiO2 的混合物。2原理：P2O5 溶于 HF 酸， SiO6HF HSiF262HO , H2SiF6 溶于水。2具體工藝：把硅片置于 20L 去離子水+1L HF 的混合液中，反響 5 分鐘。洗磷后用去離子水將硅片沖洗干凈。第四步 等離子刻蝕。由于在集中過程中，即使承受背靠背集中，硅片的全部外表包括邊緣都將不行避開的集中上磷。PN 結(jié)的正面所收集到的光生電子會沿著邊緣集中有磷的區(qū)域流到 PN 結(jié)的反面，而造成短路。因此，必需對太陽電池周邊的摻雜硅進(jìn)展刻蝕，以去除電池邊緣的 PN 結(jié)。4

12、通常承受等離子刻蝕技術(shù)完成這一工藝。等離子刻蝕是在低壓狀態(tài)下，反響氣體 CF 的母體分子在射頻功率的激發(fā)下，產(chǎn)生電離并形成等離子體。等離子體是由帶電的電子和離子組成的，反響腔體中的氣體在電子的撞擊下，除了轉(zhuǎn)變成離子外，還能吸取能量并形成大量的活性基團(tuán)?；钚苑错懟鶊F(tuán)由于集中或者在電場作用下到達(dá) SiO2 外表，在那里與被刻蝕材料外表發(fā)生化學(xué)反響，并形成揮發(fā)性的反響生成物脫離被刻蝕物質(zhì)外表，被真空系統(tǒng)抽出腔體。4工藝參數(shù)：CF流量 200 SCCM、O流量 20 SCCM、N流量 200 SCCM、刻22蝕時間 15min、射頻功率 750W。第五步 鍍減反射膜。圖 3-6 平板式PECVD 反響

13、器構(gòu)造示意圖拋光硅外表的反射率為 35%，為了削減外表反射，提高電池轉(zhuǎn)換效率，需要沉積一層氮化硅減反射膜。在太陽電池外表沉積深藍(lán)色減反射膜 SiNx 膜，其還具有卓越的抗氧化和絕緣性能，同時具有良好的阻擋鈉離子、掩蔽金屬和水蒸氣集中的力量；它的化學(xué)穩(wěn)定性也很好，除氫氟酸和熱磷酸能緩慢腐蝕外，其他酸與它根本不反響。現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中常承受 PECVD 設(shè)備制備減反射膜，PECVD 即等離子增加型化學(xué)氣相沉積。它的技術(shù)原理是利用低溫等離子體作為能量源，樣品置于低氣壓下輝光放電的陰極上，利用輝光放電使樣品升溫到預(yù)定的溫度，然后通入適量3的反響氣體 SiH4 和 NH，氣體經(jīng)一系列化學(xué)反響和等離子體反響，

14、在樣品外表形成固態(tài)薄膜即氮化硅薄膜。圖 3-6 所示為工藝中使用的平板式 PECVD 反響器示意圖。反響器中電極有兩塊直徑 660mm，間隔50mm 的平行金屬圓板構(gòu)成。上電極經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)與1kw， 50kHz 的高頻電源相接，下電極接地并作為襯底基底。為改善沉積膜厚度均勻性， 下電極由磁性旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。反響氣體通過旋轉(zhuǎn)軸的中心孔進(jìn)入扁圓的反響腔，沿徑向流向四周后由底部的四根排氣管抽走。3試驗(yàn)所用的工藝參數(shù)為：SiH4 流量 6sccm，NH 流量 60sccm，射頻功率 380W，時間 24min。鍍完后的硅片呈深藍(lán)色，如圖 3-7 所示。圖 3-7 鍍完減反射膜后的硅片第六步 絲網(wǎng)印刷。

15、圖 3-8 絲網(wǎng)印刷過程示意圖太陽電池經(jīng)過制絨、集中及 PECVD 等工序后，已經(jīng)制成 PN 結(jié)，可以在光照下產(chǎn)生電流，為了將產(chǎn)生的電流導(dǎo)出，需要在電池外表上 制作正、負(fù)兩個電極。制造電極的方法很多，而絲網(wǎng)印刷是目前制作太陽電池最普遍的一種生產(chǎn)工藝。如圖 3-8 所示，絲網(wǎng)印刷是承受壓印的方式將預(yù)定的圖形印刷在基板上，該設(shè)備由電池反面銀鋁漿印刷、電池反面鋁漿印刷和電池正面銀漿印刷三局部組成。其工作原理為：利用絲網(wǎng)圖形局部網(wǎng)孔透過漿料，用刮刀在絲網(wǎng)的漿料部位施加肯定壓力，同時朝絲網(wǎng)另一端移動。漿料在移動中被刮刀從圖形局部的網(wǎng)孔中擠壓到基片上。由于漿料的粘性作用使印跡固著在肯定范圍內(nèi)，印刷中刮板始

16、終與絲網(wǎng)印版和基片呈線性接觸，接觸線隨刮刀移動而移動，從而完成印刷形成。具體工藝：1、電池反面正極，銀漿印刷，作用引導(dǎo)電流。2、電池反面鋁脊場，鋁漿印刷，作用反射層，通過應(yīng)力吸取雜質(zhì)。3、電池正面負(fù)極，銀漿印刷，作用收集光生載流子。4、烘干。分成假設(shè)干溫區(qū)，180200，漿料中有機(jī)物揮發(fā)；250以上，燃燒有機(jī)物。第七步 燒結(jié)。經(jīng)過絲網(wǎng)印刷后的硅片，不能直接使用，需要燒結(jié)爐快速燒結(jié)，將有機(jī)樹脂粘合劑燃燒掉，剩下幾乎純粹的、由于玻璃質(zhì)作用而密合在硅片上的銀電極。當(dāng)銀電極和晶體硅在溫度到達(dá)共晶溫度時，晶體硅原子以肯定的比例融入到熔融的銀電極材料中去，從而形成上下電極的歐姆接觸，提高電池片的開路電壓和

17、填充因子兩個關(guān)鍵參數(shù)，使其具有電阻特性，以提高電池片的轉(zhuǎn)換效率。燒結(jié)過程：1、預(yù)燒結(jié)。一、二溫區(qū)，目的是使?jié){料中的高分子粘合劑分解、燃燒掉， 此階段溫度漸漸上升。2、Al 燒結(jié)。三、四溫區(qū)，溫度577左右，鋁和硅共晶，形成電阻膜構(gòu)造， 使其真正具有電阻特性。3、Ag 燒結(jié)。五、六溫區(qū)，溫度 790800，銀和硅發(fā)生反響，形成電阻膜構(gòu)造，使其具有電阻特性，該階段溫度到達(dá)峰值。4、降溫冷卻。七、八溫區(qū)，玻璃冷卻硬化并凝固，使電阻膜構(gòu)造固定地粘附于基片上。四、實(shí)踐體會與心得在硅片清洗和外表制絨中，了解到絨面除了能使入射光屢次反射從而到達(dá)增加電池外表的光吸取外，另一個特點(diǎn)是光射入硅中的角度確保光線在靠

18、近電池外表的地方被吸取，這將增加電池對光的收集率，特別是對于較弱的波長局部。絨面電池的缺點(diǎn)是使電池吸取的紅外線增加，而這種光不能產(chǎn)生載流子，只能使電池的溫度上升。此外，由于外表腐蝕成絨面，加大了電池的外表積，經(jīng)絨面的屢次反射，使入射光在電池外表分布不均，這些都會對電池的開路電壓有影響。通過集中制結(jié)，進(jìn)一步了解了集中的機(jī)制。集中的機(jī)制大致可分為間隙機(jī)制、空位機(jī)制和環(huán)形機(jī)制。間隙機(jī)制。當(dāng)某原子從一個間隙位置轉(zhuǎn)移到另一個間隙位置而沒有引起基質(zhì)晶格的永久性畸變，我們就可以說該原子是借助于間隙機(jī)制進(jìn)展了集中。如圖中所示間隙原子要從位置 1 移動到位置 2，基質(zhì)晶格的原子 3 和 4 必先移動分開到足夠讓

19、原子 1 通過。圖 8 集中機(jī)制示意圖這種局部地臨時的畸變構(gòu)成了一個填隙原子轉(zhuǎn)變位置的勢壘。在雜質(zhì)原子的半徑比基質(zhì)原子的半徑小得多時，往往承受間隙機(jī)制來進(jìn)展集中。當(dāng)填隙原子半徑漸漸地和基質(zhì)原子一樣大時，躍遷引起的局部畸變過大，就會被另外的機(jī)制所取代?？瘴粰C(jī)制。某個占有正常格點(diǎn)位置的原子躍遷到鄰近的空位上，這個原子就可以說是空位機(jī)制的集中?？瘴粰C(jī)制的集中也要抑制肯定的勢壘?？瘴粰C(jī)制要求的畸變能并不大，這種機(jī)制目前是在各種離子化合物和氧化物及合金中占有支配地位。圖 9 空位機(jī)制示意圖環(huán)形機(jī)制。兩個最鄰近的原子進(jìn)展簡潔的位置變換而進(jìn)展集中的圖 10 環(huán)形機(jī)制示意圖機(jī)制在 1930 年提出，由于這種位

20、置交換可能引起較大的局部 ，并沒有被大多數(shù)人承受。到 1950 年，Zener 指出，假設(shè) 3 到 4 個原子作為一組進(jìn)展旋轉(zhuǎn)，這樣引起的局部畸變將比簡潔的兩個原子的位置交換要小。人們把這種利用一組原子旋轉(zhuǎn)來進(jìn)展的集中稱作環(huán)形集中機(jī)制。本次集中制結(jié)的機(jī)制為間隙機(jī)制。通過鍍減反射膜工藝，了解到半導(dǎo)體薄膜制備有多種方法：外延法、CVD 法、輝光放電淀積、蒸發(fā)與濺射和溶膠-凝膠法。依據(jù)向襯底外表輸送外延原子的方式，半導(dǎo)體薄膜層的外延生長分為氣相外延、液相外延固相外延以及分子束外延和離子團(tuán)束外延等。氣相外延利用化合物氣體在適當(dāng)高的溫度下通過熱解或置換等化學(xué)反響產(chǎn)生晶體生長所需要的物質(zhì) 源。液相外延是將襯底晶片浸沒在外延材料的低溫飽和溶液中生長單晶薄層的一種薄膜生長方法，在需要避開使用高溫條件時特別有用。固相外延，顧名思義， 生長源應(yīng)當(dāng)是固體，而且不經(jīng)過固液相變或固氣相變，直接或通過同樣也是固體的中間介質(zhì)向生長界面輸運(yùn)生長物質(zhì)。分子束外延是在超高真空中通過分子束含原子束，下同將生長物質(zhì)輸運(yùn)到襯底外表生長單晶薄層的一種晶體外延方法。CVD 法按淀積時氣壓的凹凸，熱 CVD 有常壓 CVD 和低壓 CVD(LPCV