半導(dǎo)體芯片制造技術(shù)綜述課件

第二章多晶半導(dǎo)體的制備硅是極為常見(jiàn)的一種元素，然而它極少以單質(zhì)的形式在自然界出現(xiàn)，而是以復(fù)雜的硅酸鹽或二氧化硅的形式，廣泛存在于巖石、砂礫、塵土之中。硅在地殼中是第二豐富的元素，構(gòu)成地殼總質(zhì)量的25.7%，占地殼的四分之一，僅次于第一位的氧（49.4%）。第二章多晶半導(dǎo)體的制備硅是極為常見(jiàn)的一種元素，然而1第一節(jié)工業(yè)硅的生產(chǎn)一、硅的簡(jiǎn)介1．物理性質(zhì)硅包括晶態(tài)和無(wú)定形兩種同素異形體，晶體硅為灰黑色，無(wú)定形硅為黑色。晶體硅根據(jù)晶面取向不同又分為單晶硅和多晶硅，它們都具有金剛石晶格，硬而有金屬光澤，有半導(dǎo)體性質(zhì)。晶體硅密度2.32-2.34克／立方厘米，熔點(diǎn)1410℃，沸點(diǎn)2355℃。第一節(jié)工業(yè)硅的生產(chǎn)一、硅的簡(jiǎn)介22．多晶硅按純度分類多晶硅按純度分類可以分為冶金級(jí)多晶硅（工業(yè)硅）、太陽(yáng)能級(jí)多晶硅、電子級(jí)多晶硅。（1）冶金級(jí)多晶硅（MG）（2）太陽(yáng)能級(jí)多晶硅(SG)（3）電子級(jí)多晶硅（EG）2．多晶硅按純度分類3二、工業(yè)硅的制備1．工業(yè)硅的生產(chǎn)原理SiO2+C→Si+CO2．工業(yè)硅的生產(chǎn)設(shè)備工業(yè)硅的生產(chǎn)主要采用電弧爐，電弧爐又稱礦熱爐。它主要用于還原冶煉礦石，碳質(zhì)還原劑及溶劑等原料，主要生產(chǎn)鐵硅系合金。二、工業(yè)硅的制備4第二節(jié)三氯氫硅還原制備高純硅一、原料的制備1.硅粉的制備

2.氫氣的制備和凈化氫氣在多晶硅廠中一般是通過(guò)水解法生產(chǎn)。常用的氫氣凈化方法有兩種：鈀合金擴(kuò)散法、催化脫氧吸附干燥法。第二節(jié)三氯氫硅還原制備高純硅53．氯氣的制取及液氯的汽化（1）氯氣的制取NaCl+H2O→NaOH+H2+Cl2（2）液氯的汽化汽化是物質(zhì)從液態(tài)到氣態(tài)的過(guò)程。圖2-1液氯的汽化工藝流程圖3．氯氣的制取及液氯的汽化圖2-1液氯的汽化工藝流程圖64．氯化氫的合成（1）氯化氫的合成原理H2+Cl2→HCl（2）氯化氫的合成工藝過(guò)程氫氣通過(guò)緩沖罐進(jìn)入氯化氫合成爐，從液氯汽化工序來(lái)的氯氣經(jīng)氯氣緩沖罐，也進(jìn)入氯化氫合成爐。氫氣與氯氣的混合氣體在燃燒槍出口被點(diǎn)燃，經(jīng)燃燒反應(yīng)生成氯化氫氣體。出合成爐的氯化氫氣體流經(jīng)空氣冷卻器、水冷卻器、深冷卻器、霧沫分離器后，被送往三氯氫硅合成工序。4．氯化氫的合成7二、三氯氫硅的合成及提純1．三氯氫硅的合成（1）三氯氫硅的合成原理Si+HCl→SiHCl3+H2（2）合成氣干法分離工序2．三氯氫硅的提純（1）三氯氫硅的加壓提純（2）三氯氫硅的精餾二、三氯氫硅的合成及提純8三、三氯氫硅還原1．三氯氫硅還原原理將提純凈化好的三氯氫硅和氫氣按一定比例進(jìn)入還原爐，在1080-1100℃溫度下,三氯氫硅被氫氣還原，主要反應(yīng)式：SiHCl3+H2→Si+HCl同時(shí)還會(huì)發(fā)生三氯氫硅熱分解反應(yīng)：SiHCl3→Si+SiCl4+HCl

三、三氯氫硅還原92．還原工藝過(guò)程在還原爐中，預(yù)先裝好材質(zhì)是高純度硅的硅晶體細(xì)棒，稱為硅芯，通常直徑是5-6厘米。經(jīng)氯硅烷分離提純工序精制的三氯氫硅，送入三氯氫硅汽化器，被熱水加熱汽化；氫氣流經(jīng)氫氣緩沖罐后，也通入汽化器內(nèi)，與三氯氫硅蒸汽形成一定比例的混合氣體。從三氯氫硅汽化器來(lái)的三氯氫硅與氫氣的混合氣體，送入還原爐內(nèi)。在還原爐內(nèi)通電將硅芯加熱到1080-1100℃，硅芯作為發(fā)熱體，三氯氫硅和氫氣發(fā)生氫還原反應(yīng)，生成硅就沉積在硅芯上，硅芯隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行而逐漸長(zhǎng)粗，直至達(dá)到規(guī)定的尺寸。2．還原工藝過(guò)程10四、還原尾氣干法分離回收在還原尾氣中含有大量的未反應(yīng)的三氯氫硅、氫氣和反應(yīng)產(chǎn)物SiCl4、HCl等氣體，必須回收并分離提純加以利用。分離出的三氯氫硅和氫氣提純后可再用于生產(chǎn)，HCl可再利用于三氯氫硅的合成。對(duì)于SiCl4，可以將SiCl4提純到6個(gè)“9”以上制作光纖，或者將SiCl4用于各種硅酸鹽的生產(chǎn)。但目前多晶硅生產(chǎn)企業(yè)都傾向于將SiCl4轉(zhuǎn)化為三氯氫硅，再用于多晶硅的生產(chǎn)，這種方法稱為冷氫化，反應(yīng)溫度500℃左右。四、還原尾氣干法分離回收11第三節(jié)硅烷熱分解法制備高純硅一、硅烷概述圖2-4硅烷結(jié)構(gòu)

第三節(jié)硅烷熱分解法制備高純硅圖2-4硅烷結(jié)構(gòu)12二、硅烷的制備及提純1．硅烷的制備（1）硅化鎂分解法Mg+Si→Mg2SiMg2Si+HCl→MgCl2+SiH4除上面方法外，硅化鎂也可以與固體氯化銨在低溫液氨中反應(yīng)，可得到硅烷，這種方法也叫Johnson’s法。Mg2Si+NH4Cl→MgCl2+SiH4+NH3二、硅烷的制備及提純13（2）氫化物還原法以氫化鋁鋰、氫化硼鋰等作為還原劑，在乙醚中還原四氯化硅生成硅烷。LiAlH4+SiCl4→SiH4+LiCl+AlCl32．硅烷的提純（2）氫化物還原法14三、硅烷熱分解SiH4→Si+H2硅烷熱分解法有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）分解過(guò)程不加還原劑，因而不存在還原劑的玷污。（2）生成的硅純度高。（3）硅烷熱分解溫度一般為850至900℃，遠(yuǎn)低于其它方法，因此由高溫?fù)]發(fā)或擴(kuò)散引入的雜質(zhì)就少。貯藏和運(yùn)輸硅烷常采用兩種方法：一種是用分子篩吸附硅烷，使用時(shí)可用氖氣攜帶；另一種是把硅烷壓入鋼瓶，再以氫氣稀釋，使其濃度降低，從而避免爆炸、燃燒的危險(xiǎn)。三、硅烷熱分解15第二章多晶半導(dǎo)體的制備硅是極為常見(jiàn)的一種元素，然而它極少以單質(zhì)的形式在自然界出現(xiàn)，而是以復(fù)雜的硅酸鹽或二氧化硅的形式，廣泛存在于巖石、砂礫、塵土之中。硅在地殼中是第二豐富的元素，構(gòu)成地殼總質(zhì)量的25.7%，占地殼的四分之一，僅次于第一位的氧（49.4%）。第二章多晶半導(dǎo)體的制備硅是極為常見(jiàn)的一種元素，然而16第一節(jié)工業(yè)硅的生產(chǎn)一、硅的簡(jiǎn)介1．物理性質(zhì)硅包括晶態(tài)和無(wú)定形兩種同素異形體，晶體硅為灰黑色，無(wú)定形硅為黑色。晶體硅根據(jù)晶面取向不同又分為單晶硅和多晶硅，它們都具有金剛石晶格，硬而有金屬光澤，有半導(dǎo)體性質(zhì)。晶體硅密度2.32-2.34克／立方厘米，熔點(diǎn)1410℃，沸點(diǎn)2355℃。第一節(jié)工業(yè)硅的生產(chǎn)一、硅的簡(jiǎn)介172．多晶硅按純度分類多晶硅按純度分類可以分為冶金級(jí)多晶硅（工業(yè)硅）、太陽(yáng)能級(jí)多晶硅、電子級(jí)多晶硅。（1）冶金級(jí)多晶硅（MG）（2）太陽(yáng)能級(jí)多晶硅(SG)（3）電子級(jí)多晶硅（EG）2．多晶硅按純度分類18二、工業(yè)硅的制備1．工業(yè)硅的生產(chǎn)原理SiO2+C→Si+CO2．工業(yè)硅的生產(chǎn)設(shè)備工業(yè)硅的生產(chǎn)主要采用電弧爐，電弧爐又稱礦熱爐。它主要用于還原冶煉礦石，碳質(zhì)還原劑及溶劑等原料，主要生產(chǎn)鐵硅系合金。二、工業(yè)硅的制備19第二節(jié)三氯氫硅還原制備高純硅一、原料的制備1.硅粉的制備

2.氫氣的制備和凈化氫氣在多晶硅廠中一般是通過(guò)水解法生產(chǎn)。常用的氫氣凈化方法有兩種：鈀合金擴(kuò)散法、催化脫氧吸附干燥法。第二節(jié)三氯氫硅還原制備高純硅203．氯氣的制取及液氯的汽化（1）氯氣的制取NaCl+H2O→NaOH+H2+Cl2（2）液氯的汽化汽化是物質(zhì)從液態(tài)到氣態(tài)的過(guò)程。圖2-1液氯的汽化工藝流程圖3．氯氣的制取及液氯的汽化圖2-1液氯的汽化工藝流程圖214．氯化氫的合成（1）氯化氫的合成原理H2+Cl2→HCl（2）氯化氫的合成工藝過(guò)程氫氣通過(guò)緩沖罐進(jìn)入氯化氫合成爐，從液氯汽化工序來(lái)的氯氣經(jīng)氯氣緩沖罐，也進(jìn)入氯化氫合成爐。氫氣與氯氣的混合氣體在燃燒槍出口被點(diǎn)燃，經(jīng)燃燒反應(yīng)生成氯化氫氣體。出合成爐的氯化氫氣體流經(jīng)空氣冷卻器、水冷卻器、深冷卻器、霧沫分離器后，被送往三氯氫硅合成工序。4．氯化氫的合成22二、三氯氫硅的合成及提純1．三氯氫硅的合成（1）三氯氫硅的合成原理Si+HCl→SiHCl3+H2（2）合成氣干法分離工序2．三氯氫硅的提純（1）三氯氫硅的加壓提純（2）三氯氫硅的精餾二、三氯氫硅的合成及提純23三、三氯氫硅還原1．三氯氫硅還原原理將提純凈化好的三氯氫硅和氫氣按一定比例進(jìn)入還原爐，在1080-1100℃溫度下,三氯氫硅被氫氣還原，主要反應(yīng)式：SiHCl3+H2→Si+HCl同時(shí)還會(huì)發(fā)生三氯氫硅熱分解反應(yīng)：SiHCl3→Si+SiCl4+HCl

三、三氯氫硅還原242．還原工藝過(guò)程在還原爐中，預(yù)先裝好材質(zhì)是高純度硅的硅晶體細(xì)棒，稱為硅芯，通常直徑是5-6厘米。經(jīng)氯硅烷分離提純工序精制的三氯氫硅，送入三氯氫硅汽化器，被熱水加熱汽化；氫氣流經(jīng)氫氣緩沖罐后，也通入汽化器內(nèi)，與三氯氫硅蒸汽形成一定比例的混合氣體。從三氯氫硅汽化器來(lái)的三氯氫硅與氫氣的混合氣體，送入還原爐內(nèi)。在還原爐內(nèi)通電將硅芯加熱到1080-1100℃，硅芯作為發(fā)熱體，三氯氫硅和氫氣發(fā)生氫還原反應(yīng)，生成硅就沉積在硅芯上，硅芯隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行而逐漸長(zhǎng)粗，直至達(dá)到規(guī)定的尺寸。2．還原工藝過(guò)程25四、還原尾氣干法分離回收在還原尾氣中含有大量的未反應(yīng)的三氯氫硅、氫氣和反應(yīng)產(chǎn)物SiCl4、HCl等氣體，必須回收并分離提純加以利用。分離出的三氯氫硅和氫氣提純后可再用于生產(chǎn)，HCl可再利用于三氯氫硅的合成。對(duì)于SiCl4，可以將SiCl4提純到6個(gè)“9”以上制作光纖，或者將SiCl4用于各種硅酸鹽的生產(chǎn)。但目前多晶硅生產(chǎn)企業(yè)都傾向于將SiCl4轉(zhuǎn)化為三氯氫硅，再用于多晶硅的生產(chǎn)，這種方法稱為冷氫化，反應(yīng)溫度500℃左右。四、還原尾氣干法分離回收26第三節(jié)硅烷熱分解法制備高純硅一、硅烷概述圖2-4硅烷結(jié)構(gòu)

第三節(jié)硅烷熱分解法制備高純硅圖2-4硅烷結(jié)構(gòu)27二、硅烷的制備及提純1．硅烷的制備（1）硅化鎂分解法Mg+Si→Mg2SiMg2Si+HCl→MgCl2+SiH4除上面方法外，硅化鎂也可以與固體氯化銨在低溫液氨中反應(yīng)，可得到硅烷，這種方法也叫Johnson’s法。Mg2Si+NH4Cl→MgCl2+SiH4+NH3二、硅烷的制備及提純28（2）氫化物還原法以氫化鋁鋰、氫化硼鋰等作為還原劑，在乙醚中還原四氯化硅生成硅烷。LiAlH4+SiCl4→SiH4+LiCl+AlCl32．硅烷的