硅单晶 编辑

半导体材料
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硅单晶,一种非金属元素,是一种半导体材料,可用于制作半导体器件集成电路

基本信息

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中文名:硅

外文名:Si

简介

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硅单晶是呈单晶体的半导体硅材料,是产最大、应用最广的半导体材料。

性能

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禁带宽度1. 12 cV

电子迁移率1500cm2/V?g

空穴迁移率450cm2/V?s

本征载流子浓度1.45×1010cm-3

本征电阻率2.3×105Ω?cm

热导率(300K)150W/m?K,

临界剪切应(CRSS)1.85MPa(接近熔点时)

应用

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由于其良好的热导率及高温力学性能、优异的半导体性质,能稳定地制备大直径无位错单晶(目前生产的最大直径为250mm)。同时硅容易形成与其本体牢固结合的化膜,这种氧化膜可以在器件中起到隔离、掩蔽、绝缘作用,因此世界上几乎所有的集成电路都是硅单晶制成的,而且集成电路用硅占硅单晶整个用量的80%以上。此外,绝大数的电力电子器件(可控硅,整流器),率晶体管和大部分的各种类型的二极、三极晶体管和太阳电池也是用硅单晶制成的。

分类

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按工艺方法可分为直拉硅单晶(CZ-Si),区熔硅单晶(FZ-Si)、磁拉硅单晶 (MCZ-Si)。区熔硅单晶主要用于制作电力电子器件及大功率晶体管。磁拉硅单晶主要用于制作CCI器件。而占产量的90%的直拉硅单晶用于制作集成电路及其它分立元件。

按用途可分为电路级硅单晶、探测器级硅单晶等。

硅单晶制备方法

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主要有两种方法:直拉法(Cz法)、区熔法(FZ法);

1)直拉法

其优点是晶体被拉出液面不与器壁接触,不受容器限制,因此晶体中应力小,同时又能防止器壁沾污或接触所可能引起的杂乱晶核而形成多晶。此法制成的单晶完整性好,直径和长度都可以很大,生长速率也高。所用坩埚必须由不污染熔体的材料制成。因此,一些化学性活泼或熔点极高的材料,由于没有合适的坩埚,而不能用此法制备单晶体,而要改用区熔法晶体生长或其他方法。

2)区熔法

区熔法可用于制备单晶和提纯材料,还可得到均匀的杂质分布。这种技术可用于生产纯度很高的半导体、金属、合金、无机和有机化合物晶体。在区熔法制备硅单晶中,往往是将区熔提纯与制备单晶结合在一起,能生长出质量较好的中高阻硅单晶 。区熔单晶炉主要包括:双层冷炉室、长方形钢化玻璃观察窗、上轴(夹多晶棒)、下轴(安放籽晶)、导轨、机械传送装置、基座、高频发生器和高频加热线圈、系统控制柜真空系统及气体供给控制系统等组成。

可以看出,制备单晶硅的工艺要求非常苛刻,包括设备、温度控制、转速等各种影响因素。因此在前期必须做好设备设计如单晶炉和温控包括炉内的热场、流场,以及点缺陷预测 。一般来说,前期的设计、优化 和预测 并不能完全依靠高成本的实验来实现。可以通过专业的计算机数值仿真工具来实现晶体生长数值模拟,如FEMAG的FEMAG/CZ模块 能能对直拉法(Cz法)进行模拟、FEMAG/FZ模块 能对区熔法(FZ法)模拟,还有CGSIM等,以达到对单晶硅制备工艺的预测。