从硅石到金属硅，再到99.999999999%的高纯硅在线视频

从这一节开始

我们要讲一讲关于这个硅

从硅石到金属硅

再到百分之九十九点

十一个九的高纯硅

注意我们半导体集成电路

所用的硅

纯度要求是非常高的

我们到多少

到十一个九

到十一个九

那么这个十一个九怎么来的

从硅石到金属硅

所以从这一节开始

我们讲讲硅材料

第一节

这里边第一节

是硅是上帝赐给人类的宝物

从硅石原料到半导体原料的制成

从硅石还原制取多晶硅

改良西门子法生产多晶硅

这一节重点的是讲多晶硅

它是怎么来的

我们知道硅

它是它第四周期

碳硅锗锡铅在元素周期表当中

如果元素周期表当中

碳它 我们总讲

碳在元素周期表当中

处在王者之位

它为什么处在王者之位

因为它在元素周期表的上边

而且处在中间 第四周期

而硅正好是在碳的下边

在碳的下边

硅它是四族的

四族的

那么四族

硅的晶体结构它是

我们看看硅的晶体结构

它也是金刚石结构

注意 碳的同素异构体

是金刚石

有一个金刚石

它是金刚石结构

那么硅

它也是金刚石结构

锗也是金刚石结构

它外边的话

有四个电子

因为它是四族的

外层有四个电子

因此这个硅材料

为半导体应用

它提供了先决的条件

它一种天然的优势 硅

它这结合键位四个

因为这个硅材料

它结合力它的什么

这个电子迁移率是比较高的

电子迁移率是1350

空穴的迁移是484

这个电子迁移率是比较高的

硅取金刚石结构

注意这个金刚石结构

它是面心立方的

金刚石结构是立方晶体

面心立方点阵金刚石的结构

它的金刚石的结构

有什么特点

就是说有四个硅原子

占据面心立方的点阵

八个角嘛

一个角上一个原子

六个面上的话有一个原子

那么八个角上

八分之一乘以八等于1

那么面上的话有六个

六乘二分之一

每一个是二分之一

六个是三

那么三加一不就是四个嘛

面心是四个原子

注意在这个面心点阵当中

它还占据了这个

硅原子的话

还占据了四面体间隙它怎么占

它并不是把八个四面体都占满了

你看这个图上

它是怎么占的

它是占的从下边

从上边看是什么

从上边看的话是占的前边那个

上边前边那个

前边一个后边一个

底下的话

就是左边一个右边一个

它组成了金刚石结构

这个金刚石结构的特点是什么

就是说每一个硅原子外边

各有四个 每一个都有四个

每一个都有四个

因此这个键是比较强的

对称性是相当好的

对硅来讲

点阵常数是0.543个纳米

0.543个纳米

注意我们先认识这个硅

它是什么

它是 你看

它是个金刚石结构

它是个四价的

电子迁移率比较高

那么这个电子迁移率

大家伙看看它的单位

厘米平方比上VS

大家伙能知道

它代表什么物理意义吗

想一想

它的物理代表什么

就是说我们可以把

那个厘米有一个

挪到分子上去

它代表什么

就是代表上面是什么

把这个秒的话

挪到上边去

把这个厘米挪到下边来

它代表什么

就是代表每单位场强下的

载流子的迁移速度

注意单位场强下的

载流子的迁移速率

迁移速度

单位场强是什么

就是每单位长度上的电压

叫场强

速度是什么

每秒当中走的距离

所以这个电子迁移率

表征的是每单位场强下的

载流子的迁移速度

它越高速度越快

它越低速度越慢

那么从这个硅来讲

它是什么

它是1350厘米平方比上VS

它的电子迁移率是比较高的

当然空穴迁移率的话

是比较低一些

硅是上帝赐给人类的宝物

那么这句话是西方人讲的

尽管是西方人讲的

我觉得讲的很有道理

为什么说硅是上帝

赐给人的宝物

硅用在半导体集成电路

到目前为止是不可替代的

怎么叫不可替代

产业化用的半导体器件

所用的硅材料

到目前为止已经70多年

还占90%以上

90%的集成电路的器件

所用的材料

都是用的是硅

那么硅

在自然界里含量又是非常高的

它到多少

27.72%

在地壳当中它是NO.2

在固体材料是NO.2

当然第一是氧了

第一是氧 第二是什么

第二是硅 27.72%

那么我们平常见的石头沙子

这都是硅材料

但是它不是以单质硅的形式

它是以化合物的形式

氧化物 硅酸盐等等

存在在自然界

这是第一条储量非常丰富

第二条它非常稳定

比较稳定

它是个四价的

特别是作为半导体材料的

它实现n型p型非常容易

怎么实现p型

往里看 三族的呀

三族的 碳硼啊

就可以实现p型的

怎么实现n型的

往里掺磷 掺五价的呀

掺三价的 掺五价的

三族的 五族的

这个是比较方便

实现n型 p型

你化合物半导体就不行了

化合物半导体

你要想实现n型的p型的

实现n型的比较容易

实现p型就比较难

我们刚才讲了硅储量丰富

它可以很方便的制作大单晶

现在我们讲了

制作大单晶12英寸的

18英寸的

这些 300 450毫米的

这种大的 相对来讲比较容易

你化合物半导体

我们说化合物半导体包括什么

当然四族的 四四族的

四四族的 三五族的 二六族的

一二四六族的等等

这化合物半导体

化合物半导体要想

比方砷化镓 氮化镓

要想拉这种大尺寸的单晶

是相当难的

价钱也很贵

是相当相当难的

除了它储量丰富

实现n型p型的这种半导体

拉制大单晶

很容易很方便之外

还有一个问题是什么

它的工艺特性非常好

什么叫工艺特性非常好

就是说我们刚才讲了

这个半导体材料离不开金属

离不开氧化物

离不开半导体

硅本身就是个半导体

氧化物是怎么来的

氧化物氮化物

可以通过硅材料在水蒸气

或者氧气当中

进行氧化

本身就会形成一层

很致密的绝缘膜

这个绝缘膜以纳米的水平

就可以非常牢固

绝缘性非常好

在这一点上是所有材料

不可以比拟的

它本身是个半导体

又可以形成一种很容易

就地取材

把这个硅经过水蒸气

或者氧经过一氧化变成氧化膜

那么有了氧化膜了吧

跟金属之间的话

跟金属之间连接

可以实现欧姆接触

这一条的话也是其他材料

那欧姆接触

就是说它纯粹是个电阻

不是个半导体

不是个不半导体接触

跟硅 或者硅跟铝呀相接触

实现n型层跟金属相接触

现在跟铜 接触也比较牢固

工艺特性非常好

另外硅这个材料

氧化硅也好 硅也好

我经过刻蚀

无论是湿化刻蚀还是干化刻蚀

我做成这个细的线条

几纳米几十纳米

直上直下非常平

工艺特性非常好

便于加工成

微细加工成精细的图形

那么这几条都是硅材料

是其他材料所不能比拟的

因此我们说硅材料

是上帝赐给人的宝物

这一句话并不夸张

那好了 那么从硅石原料

到半导体器件

它是一个什么制成

我们看从原料到金属硅

再到多晶硅

多晶硅拉制单晶切片

得到什么

得到晶圆

晶圆以后抛光

做成抛光片

外延得到外延片

然后经过氧化扩散制作薄膜

形成图形

然后的话划片裂片

经过固晶连接

经过树脂封装

变成了元器件

所以整个的从硅石

到半导体元器件

就是这个图上讲的

大家伙看看这个电路

看看这个路线图

这是写的非常清楚的

它是从原料上这个角度

由硅石从硅石由电弧炉

还原制取了单质硅

又叫做金属硅

它是怎么做的

你看一定是二氧化硅

经过碳还原变成硅和什么

和这个一氧化碳二氧化碳这些气体

它是什么

把这个硅石

注意这个硅石

讲硅石由电弧炉熔化

用碳或者石墨还原制取单晶硅

单质硅 这种单质硅

可达到98%或者98.5%的较高纯度

但作为半导体原料

纯度还太低不能使用

好 它不能使用

把这种硅叫做金属硅

工业上叫做金属硅

为什么叫做金属硅

可能是这个原因

它闪闪发光吧 它还有导电吧

具有金属的性质吧

实际上的话

应该叫做冶金型的硅

叫做冶金型的硅

Metallurgical silicon

那么工业上就叫做金属硅

注意我们炼这个金属硅

所用的原料一定是硅石

有人说用的是自然界的沙子

这是外行

自然界的沙子不能用来

制作我们半导体

或者太阳电池所用的多晶硅

金属硅

为什么

它杂质太

首先它什么

它的性能各个地方千差万别

另外它杂质很高 很多

这种杂质你要是还原的时候

它根本不好提纯

所以必须用的话

特定矿山产的这种硅石

这种硅石我去过十几家

我还有一些个这个样品硅石

这个硅石一定达到多少

99.9几 99.98

要求它就是含二氧化硅的量

要达到99.98%

这种硅经过粉碎

变成块状的或者是颗粒状的

或者是叫做粉状的

在电弧炉熔化 这个

变成这个金属硅

注意这个金属硅的话

它含量98%到98.5%

这种纯度的话

做半导体集成电路

太阳电池根本就不行

所以的话必须给它提纯

提纯的方法现在所采用的

普遍采用的是改性西门子法

这种改性西门子法是什么

就是说将单质硅

制成微细粉末

使其用氯化氢发生反应

在常温生成透明液体

得到三氯氢硅

将三氯氢硅

三氯氢硅或者是三氯硅烷

将三氯硅烷或者三氯氢硅

蒸馏晶质

使其达到尽可能高的纯度

注意这一步提纯很重要

它要把这个金属硅

跟氯化氢发生反应

变成三氯氢硅

三氯氢硅

这种三氯氢硅的话

它是一种气态的

注意它的氯化物是气态的

这一点非常重要

我们知道搞核材料

把矿山生产出来的

八氧化三铀

八氧化三铀

一定要变成六氟化铀

六氟化铀后边才好

浓缩去

为什么要变成六氟化铀

注意它也是个氯化物

这个氯化物它是个气态的

它蒸气压相当高

你只有变成气态的以后

才能变成什么扩散法

什么离心法

什么分子激光 原子激光法呀

变成气态的才能后边提纯

这一步要变成氯化物

氯化物变成气态的

我们这个三氯硅烷

或者三氯氢硅也是

把固态的金属硅

经过氯化氢发生反应

变成三氯氢硅或者三氯硅烷

它变成气态的

气态 剩下的那些杂质

它变成不了气态的

这一步的话

就是一个提纯的一个手段之一

那么变成三氯氢硅

或者三氯硅烷以后

就要通过改性西门子法

生产多晶硅

现在所采取的方法

都是改性西门子法

你看98.5%的工业硅

或者叫做金属硅

或者冶金型的硅

跟氯化氢反应

变成三氯硅烷或者三氯氢硅

三氯氢硅以后的话

要使它提纯

要用高纯度的氢气发生反应

反应完了以后

就得到了多晶硅

这个多晶硅 超纯的多晶硅

这个多晶硅的话

把它从这个沉积棒上

把它刮下来

刮下来以后

粉碎以后

放到这个坩埚里边去

就开始多晶硅变成拉制单晶硅去了

为什么叫做改性西门子法

注意这个改性西门子法

它要 这个主线我们可以看到

主线是从工业硅98.5的

到三氯氢硅

三氯氢硅提纯

提纯完了以后要还原

用化学气相沉积进行还原

用氢气去还原

那还原的话

把硅就还原出来了

这个还原的时候

要求比较高的温度

沉积在这个多晶硅棒上

然后把它刮下来

刮下来以后粉碎

就拉单晶去了

之所以叫做改性西门子法

你看

它改性西门子法的话

有三个回收

氢气回收 三氯氢硅回收

四氯化硅回收

氯化氢回收

氯化氢回收是个干态的氯化氢回收

这一回收你们看看

氢气回收 三氯氢硅回收

四氯化硅回收

氯化氢回收

以干态的气态的回收

这样一回收的话

节省能源 节省电力

减少排放 减少危险

提高生产率 降低价格

那这都有了

如果是说你引进这个设备的时候

你舍不得花钱

光这个主线引进来了

氢气回收你不要

三氯氢硅回收你不要

四氯化硅回收你不要

氯化氢回收你不要

那是什么

注意费原料了 排放多了

污染了危险了

生产率低了 价格高了

那也不可能生产出来高水平的

这个多晶硅呀

你没有高水平的多晶硅

你拉单晶行吗

为什么我们拉单晶

拉出单晶来

我们都去做太阳能电池了

都去做这个功率器件

都做分立器件了

为什么人家不要我们生产多晶硅

这个道理就在这个地方

这个原料这个事情

原始的原料

对决定它后续产品的质量纯度

起到关键的作用

你价钱比人家低

人家节省一点价钱

买了你的了

结果生产出来的东西

后续工序

比方集成电路

有几百道工序

把几百道工序过了以后

生产出来的产品

发现用你的原料

跟用别人的原料的话

它的良率低了

成品率低了

注意这个集成电路

实际上的话

花大量的钱花大量的钱

好不容易几百道工序

出来的产品

就是因为用的你的原料

质量不过关

你的杂质含量比较高

影响了人家的成品率

影响了人家的良率

影响了人家的质量

卖不出好价钱去了

人家觉得干脆

我们不要他的原料了

我们花高价钱

比较高的价钱

买纯度高的原料

买纯度高的原料

后边经过后续加工的话

经过几百道工序

出来的产品良率高了

成品率高了

质量高了 价钱高了

它赚回来的钱

远比买那个高价

高质量的原料费那点钱

那要高的多高的多

因此人家就不买你的原料了

不买你的原料

那你只好做什么

分立元件了

做功率器件了

做太阳电池去了

所以这个原料材料的问题

对于决定

你这个产业化水平

甚至你的技术水平

是个至关重要的一个因素

好 我们上边讲的

改性西门子法

或者叫做改良西门子法

这个改良西门子法

是目前生产多晶硅的

一个最主要的成熟的一个工序

我们现在刚才讲的多晶硅的

这个企业当中用的

都是这种改良西门子法

改良西门子法

那么改良西门子法

生产出来了超前多晶硅

你看 要放在一个石英坩埚里边

准备后道工序

要拉单晶

那么我们需要的是什么

需要的多晶硅的硅片

把它刮下来的

要放在一个石英坩埚里边

里边的话

要加上一些掺杂元素

为什么叫掺杂元素

你们看掺杂的元素是

硼磷砷镝

为什么要加这些东西

你看要么是三族的

要么五族的

我生产出来一个单晶硅棒

要么是p型的 要么是n型的

我们不是刚才讲了

你这个集体材料是个什么

是个n型的还是个p型的

或者是n型的p型的

你如果掺杂的是五族的元素

那出来的是个什么

就是n型的

如果掺杂三族的元素

出来就是p型的

我们作为这个极板来讲

它是个基底

是个n型基底

是个p型基底

绝对在拉单晶的时候

我给它掺杂进去东西了

那现在左边这个底下这个图

是石英坩埚

注意这个石英坩埚

为什么要用石英坩埚

这也是个材料问题呀

我们一看石英坩埚

石英是什么

应该讲石英它是一个二氧化硅

纯二氧化硅

我们叫石英坩埚

它是一个以这个玻璃的态的

对吧

熔凝石英

熔凝石英制作的石英坩埚

为什么拉单晶要用石英坩埚

有的同学讲了它熔点高

对

熔点高的材料有的是呀

为什么要用石英坩埚

有的同学讲了

它主要是纯度的问题

说的很对

半导体材料我们刚才讲了

我们需要的这个晶圆

这个硅圆片

要达到多少

11个9以上

11个9以上的纯度

所以在工序过程当中

任何不注意的沾污

都必须避免

那么其中拉单晶过程当中

必须用这个石英坩埚

石英坩埚它的

比方说它的软化点

是1600度左右

1650度

你这个多晶硅

它是多少啊

1350度

这里边差着300度

二三百度的这个温度差

当你石英的纯度比较高的时候

它足可以什么

耐这个高温

特别是我用的石英坩埚

纯度比较高

在这个拉单晶的过程

对这个多晶硅的沾污是很低的

如果你用其他材料

用三氧化二铝

用氧化锆

或者用其他的东西呀

尽管它的耐温是很好的

但是它要沾污了

这个多晶硅材料

这是后边的工序所不允许的

因此除了坩埚以外

石英坩埚以外

没有别的这个材料

做这种拉单晶的容器

所以的话

它是一个很关键的材料

你看又跟硅有关系吧

注意石英坩埚

它是个silica

我们刚才讲的硅石也是silica

它也是二氧化硅

不过那个硅石纯度是很低

我们石英坩埚

要求纯度很高的

以它做坩埚来什么

拉制这个单晶硅