硅单晶加工及质量要求
单晶硅的生产工艺
单晶硅的生产工艺
单晶硅是一种高纯度的硅材料，广泛应用于太阳能电池、集成电路、半导体等领域。
它的制备过程主要包括三个步骤：原料准备、单晶生长和晶圆加工。
首先，原料准备是制备单晶硅的关键步骤。
通常使用的原料是金属硅，它的纯度需要达到99.9999%以上。
原料经过高温预处理，去除其中的杂质和气体。
然后将原料放入熔炉中，加热至高温，使其熔化成液态硅。
接下来是单晶生长阶段。
在熔融硅中加入少量的掺杂剂，以改变硅的性质。
然后，在特定的条件下，将种子晶体（通常是硅材料的小晶片）以特定的角度浸入熔融硅中。
通过缓慢提升或旋转种子晶体，可以在其上生长出一片完整的单晶硅。
在整个生长过程中，需要精确控制温度、气氛和流速等参数，以保证单晶的质量和形状。
最后是晶圆加工过程。
将生长好的单晶硅锯成薄片，通常称为晶圆。
晶圆表面会有一层氧化膜，需要通过化学腐蚀或机械抛光等方法去除。
然后，在晶圆表面通过光刻和腐蚀等工艺制作电路图案。
最后，进行离散元件的切割、测试和包装等步骤，得到最终的单晶硅产品。
总的来说，单晶硅的生产工艺是一个复杂而精细的过程。
在每个步骤中，需要严格控制工艺参数，以确保单晶硅的质量和性能。
随着技术的进步，单晶硅的生产工艺不断完善，产量和质量也在不断提高，为相关行业的发展提供了重要的支持。
单晶硅的制造工艺流程
单晶硅的制造工艺流程一、原料准备。
1.1 硅石选取。
咱单晶硅制造啊，首先得选好原料。
硅石那可是基础中的基础，就像盖房子的砖头一样重要。
咱得找那些纯度比较高的硅石，不能随便拉来一块就用。
这硅石就像是参加选美比赛的选手，得经过咱严格的筛选才行。
那些杂质多的硅石，就像混在好人堆里的坏蛋，得把它们剔除掉。
1.2 提纯到多晶硅。
有了好的硅石之后呢，就得把它变成多晶硅。
这一步就像是把铁矿石炼成铁一样，是个很关键的过程。
要通过各种化学方法，把硅石中的硅元素提炼出来，让它变得更纯。
这个过程可不容易，就像爬山一样，得一步一个脚印，每个环节都不能出错。
要是出了岔子，那后面的单晶硅质量可就没保障了。
二、单晶硅生长。
2.1 直拉法。
直拉法是制造单晶硅很常用的一种方法。
咱就想象一下，有一个熔炉，里面装着多晶硅原料，就像一口装满宝贝的大锅。
然后把籽晶放进去，这个籽晶就像是一颗种子，单晶硅就从这颗种子开始生长。
慢慢地把籽晶往上拉，就像钓鱼一样，多晶硅就会在籽晶的基础上不断生长，最后形成一根长长的单晶硅棒。
这过程中啊，温度、提拉速度等因素都得控制得恰到好处，就像厨师做菜时掌握火候一样，差一点都不行。
2.2 区熔法。
还有区熔法呢。
这个方法有点像接力比赛。
通过加热一小段多晶硅，让硅熔化后再结晶，然后一点一点地往前推进这个熔化结晶的过程，就像接力棒一棒一棒地传下去，最后形成单晶硅。
这个方法能制造出更高纯度的单晶硅，但是操作起来也更复杂，就像走钢丝一样，得小心翼翼的。
三、加工处理。
3.1 切割。
单晶硅棒有了之后，就得进行切割。
这就好比把一根大木头锯成小木板一样。
不过这切割可不像锯木头那么简单，要用专门的切割设备，像金刚线切割之类的。
切割的厚度、精度都有很高的要求，要是切得不好，那可就浪费了之前那么多的心血，就像把一块好玉给雕坏了一样，让人痛心疾首。
3.2 打磨抛光。
切割完了还不行，还得打磨抛光。
这就像是给单晶硅做美容一样，让它的表面变得光滑平整。
单晶硅片技术参数
单晶硅片技术参数单晶硅片技术参数是指制造单晶硅片时所需的关键参数以及与单晶硅片性能相关的指标。
单晶硅片是用于制造集成电路和太阳能电池等电子元件的重要材料，其技术参数直接影响着元件的性能和质量。
下面将就单晶硅片的晶体结构、材料纯度、晶片方向、尺寸控制、杂质浓度等技术参数进行详细介绍。
1.晶体结构：单晶硅片通常采用立方晶系的结构，晶体结构参数主要包括晶格常数和晶胞尺寸等。
晶格常数是指晶胞间距离，可以通过X射线衍射等方法测得，常用单位是埃（Å）。
晶胞尺寸是指晶胞的体积，一般用晶胞参数描述晶胞的形状和大小。
2. 材料纯度：单晶硅片的制备要求材料的纯度非常高，杂质的存在会影响晶体的电学性能。
通常，单晶硅片的杂质浓度要求在ppm级别以下，常见的杂质元素有金属杂质、氧含量和碳含量等。
金属杂质的控制要求很高，例如铁、铝、钙等金属杂质的浓度要远低于ppm级。
3.晶片方向：单晶硅片具有各向同性的特点，在制造过程中，需要确定硅片的取向方向，以便在材料的性能优化和加工过程中的设计。
硅片的主取向通常包括<100>、<110>和<111>等，其中<100>取向的单晶硅片用于大部分集成电路的制造。
4. 尺寸控制：单晶硅片的尺寸要求严格，在制造过程中需要控制硅片的直径、厚度和平整度等。
硅片的直径通常以英寸（inch）为单位，常见的尺寸有8英寸、12英寸等。
硅片的厚度一般控制在几十至几百微米之间，要求均匀性高。
平整度是指硅片表面的平整程度，要求硅片的表面平整度高，以保证材料的加工质量。
5. 杂质浓度：单晶硅片中的杂质浓度对于电子元件的性能有着重要影响。
杂质浓度一般以质量分数表示，常见的有金属杂质和非金属杂质等。
金属杂质主要包括铁、铝、钠等，其浓度要求在ppm级以下。
非金属杂质包括氧、氮、碳等，其浓度要求在ppbw级或更低。
总之，单晶硅片技术参数是制造单晶硅片时所需的关键参数，包括晶体结构、材料纯度、晶片方向、尺寸控制和杂质浓度等。
10gw单晶硅棒及切片标准
10gw单晶硅棒及切片标准
10GW单晶硅棒及切片的标准包括以下方面：
尺寸：单晶硅棒的长度、直径和公差应符合规定。
切片后的硅片厚度、尺寸和公差也应在规定范围内。
外观：单晶硅棒和切片的外观应平整、无裂纹、无缺陷、无色差。
电性能：单晶硅棒和切片的电阻率、少子寿命、载流子浓度等电性能指标应符合规定。
纯度：单晶硅棒和切片的纯度应符合规定，无杂质、无污染。
晶体结构：单晶硅棒应为单晶结构，晶体完整性好，位错密度低。
切片后的硅片晶体结构也应保持良好。
机械性能：单晶硅棒和切片的抗弯强度、抗拉强度等机械性能指标应符合规定。
环保性能：单晶硅棒和切片的生产过程应符合环保要求，无有害物质排放。
以上标准仅供参考，具体标准可能会因不同厂家和不同应用场合而有所不同。
在购买和使用单晶硅棒及切片时，应根据具体需求和厂家提供的标准进行选择和判断。
同时，为了保证产品的质量和可靠性，建议在购买和使用单晶硅棒及切片时选择经过权威机构认证的产品，并保留好相关的检测报告和证书，以备查证。
单晶硅生产工艺及单晶硅片生产工艺
单晶硅生产工艺及单晶硅片生产工艺单晶硅是一种广泛用于各种电子和光伏应用的材料，它的生产过程需要高度的技术和专业知识。
以下是单晶硅生产工艺的一般步骤：1.提纯：首先，需要将原材料硅提纯。
这个过程包括化学方法，如歧化、精馏和还原等，以去除硅中的大部分杂质。
最终得到的硅纯度可达99%以上。
2.沉积：提纯后的硅被熔化并倒入模具中，形成一个圆柱形的硅锭。
这个过程中，硅锭的形状和大小取决于模具的形状和大小。
3.切片：硅锭被冷却并使用线锯或激光切片技术切割成一定厚度的硅片。
切片过程中需要控制硅片的厚度和形状，以确保其符合特定应用的要求。
4.清洗和抛光：切割后的硅片表面可能会存在杂质或损伤，因此需要进行清洗和抛光以去除这些缺陷。
清洗过程包括化学浸泡、冲洗和干燥，而抛光则使用机械研磨或化学腐蚀的方法来平滑硅片的表面。
5.检测和包装：清洗和抛光后的硅片需要进行质量检测，以确保其满足客户的要求。
检测过程可能包括观察硅片的表面质量、测量其尺寸和厚度、检查其强度和韧性等。
最后，合格的硅片被包装并发送给客户。
单晶硅片生产工艺是指将单晶硅棒切割成一定形状和大小的硅片，这些硅片通常用于制造太阳能电池板或其他电子设备。
以下是单晶硅片生产工艺的一般步骤：1.切片：将单晶硅棒切成一定厚度的硅片。
这个过程通常使用专业的切片机或线锯来完成。
2.分选和清洗：切好的硅片可能存在大小、形状、厚度和表面质量等方面的差异。
为了满足应用要求，需要对硅片进行分选和清洗。
分选过程可能包括人工或自动检测，根据检测结果将硅片分成不同等级。
清洗过程包括化学浸泡、冲洗和干燥，以去除硅片表面的污垢和其他杂质。
3.加工和抛光：对于一些特定的应用，需要对硅片进行加工和抛光。
加工可能包括切割、磨削或钻孔等，而抛光则使用机械研磨或化学腐蚀的方法来平滑硅片的表面。
加工过程中需要注意控制硅片的形状和质量，以避免出现裂纹、变形或损伤等问题。
4.检测和包装：加工和抛光后的硅片需要进行质量检测，以确保其满足客户的要求。
硅单晶的制备
结晶条件：1、温度降低到结晶温度以下—“过冷” 2、必须有结晶中心（籽晶）
二、单晶硅的制备
晶体性质：熔点温度以上时，液态自由 能低于固态；熔点温度以下时，固态自由能 低于液态。
过冷状态熔融态多晶硅，固态自由能低， 一旦存在籽晶，就会沿着结晶中心结晶固化 。若存在多种结晶中心，则会产生多晶体。
当K小于1时，固相杂质浓度小于液相杂质浓度， 沿锭长方向逐段凝固时杂质将留在尾部-液相端；
固相
锭长方向
液相
多晶硅的提纯
质量检验：符合标准规定的单晶拉制材料
质量检验内容： 【表面有无氧化：有氧化时色泽变暗】 【测定多晶硅纯度：6至9个“9”以上可用来制备单晶硅】
二、单晶硅的制备
硅石粗硅高纯多晶硅单晶硅（成核+生长） 制备原理：类似于“结冰”现象，当熔融体
常见的多晶硅制备方法主要有三种： 四氯化硅氢还原法 三氯氢硅氢还原法 硅烷热分解法
四氯化硅氢还原法
第一步：四氯化硅制备
SiO2 3C SiC 2CO 2SiC SiO2 3Si(粗硅）+2CO Si(粗硅） 2Cl2 SiCl4
第二步：四氯化硅提纯 1、精馏法—分馏
四氯化硅溶液中各化合组 分沸点不同，选取适当的温 度可以将其分离。
四氯化硅氢还原法
2、吸附法——固体吸附法
利用分子极性进行分离，判断化学键的极性与分子的极性。
判断：CCl4 、H2 、H2O2
四氯化硅为非极性分子，三氯化磷为极性分子， 选择一种吸附剂，能对极性分子有吸附力，对非极性 分子没有吸附力。
单晶拉制生长设备
设备构成
主体设备：单晶炉
300mm硅单晶及抛光片标准
4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 5.0 5.0 5.2 5.3 5.5
结构特性 位错蚀坑密度 滑移 系属结构 孪晶 漩涡 浅蚀坑 氧化层错（OISF） 氧化物沉淀 硅片制备特性 晶片ID标志 正表面薄膜 洁净区 非本征吸除 背封 见注2 无 无 无 无 见注1 无 无 无 不规定 不规定 不规定 不规定
6.0 6.1 6.2 6.3 6.6 6.7 6.8 6.9 6.11 6.12 6.14 7.0 7.1
机械特性 直径 主基准位置 主基准尺寸 边缘轮廓 厚度 厚度变化（TTV） 晶片表面取向 翘曲度 峰——谷差 平整度／局部 正表面化学特性 表面金属沾污 钠/铝/铬/铁/镍/铜/锌/钙 ≤5×1010／cm2 300±0.2mm 见SEMI M1 见SEMI M1 见SEMI M1 775±25μm 10μm max 1-0-0±1° 50μm max 用户规定 见注3
表1 尺寸和公差要求
特 直 性 径 尺 寸 300.00 725 1.00 90 100 10 ≥0.80 公差 ±0.20 ±20 ＋0.25, －0.00 ＋5，－1 单位A mm μm mm ° μm μm
厚 度，中 心 点 切 口 （见图7） 深 角 翘 曲 度 最 大 值B 总厚度变化（GBIR）C 最大值 背面光泽度D 抛光的边缘轮廓表面加 工度E 边缘轮廓 座标:（见图4） 表3 Cy Cx 度
300mm硅单晶及抛光片标准
有研半导体材料股份有限公司 孙燕
一、300 mm硅单晶及抛光片现状
300mm硅抛光片的产品、工艺技术在国外已经很成熟。 而在我国起步较晚，还处于试验阶段。 因此对于集成电路所需的300mm硅片的基本参数指标、 金属污染和缺陷控制、表面形态与质量、成本等都面临着新 的挑战。硅材料的生产工艺、技术、检测方法已成为今后研 究的主要内容，同时也是推动产业发展的关键所在。 随着300mm硅单晶及抛光片的诞生，我们也面临一个制定 相应的国家标准的问题。
单晶硅生产工艺
单晶硅生产工艺单晶硅生产工艺是一种重要的制备方法，用于制造高纯度的单晶硅材料。
它在电子工业、光伏产业等领域有着广泛的应用。
本文将介绍单晶硅的生产工艺及其主要步骤。
单晶硅是由纯净的硅材料制成的，其主要原料是石英砂。
首先，经过物理和化学的处理，石英砂中的杂质被去除，以保证最终产品的高纯度。
这一步骤常常被称为净化或精炼过程。
接下来，经过矿山开采和选矿，石英砂被破碎成小颗粒，并通过浮选等方法将杂质与硅分离。
随后，石英粉末被送入高温石英炉。
在炉内，石英粉末通过升温和冷却的过程，使纯净的硅材料逐渐结晶成块状。
在晶体生长的过程中，需要维持稳定的温度和压力条件。
通常使用感应炉等加热设备来提供热能。
在此过程中，石英容器或若干种不同的晶体生长设备被使用。
静态法是目前最常用的单晶生长方法。
在这种方法中，石英产生的热能被保持在恒定的温度下，使石英坯体逐渐结晶成大片的单晶硅材料。
这种方法具有高度的可控性和较低的成本。
在单晶硅生长结束后，晶坯需要经过多个步骤的加工。
首先，晶体被切割成薄片，这些薄片被称为晶片。
晶片表面经过粗糙化处理，以提高其表面的光电转换效率。
接着，晶片需要进行蚀刻，以去除表面的污染物和缺陷。
蚀刻可以采用湿法或干法，具体的选择取决于生产过程的要求。
最后，晶片被切割成具有特定尺寸的硅片。
这些硅片可以使用在半导体行业中，如电子器件和集成电路的制造。
总之，单晶硅生产工艺是一系列精密的步骤，用于制备高纯度的单晶硅材料。
这些步骤包括石英砂的净化、晶体生长、晶片加工和硅片切割等。
通过这些步骤，可以得到适用于电子工业和光伏产业的高质量单晶硅材料。
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物理性能测试—晶向测定 晶向测定方法：腐蚀法
原理：晶体结构的各向异性 同种腐蚀液（如铬酸）中，相同腐蚀时间 内，不同晶向原子被腐蚀程度不同，造成 在硅晶表面形成的腐蚀坑形状不同。
电气参数测试 单晶体的电气参数主要包括：导电类型、电阻率和非平 衡少数载流子寿命等。 导电类型：判断属于N型（电子）或P型（空穴）半导体；
电阻率测试
电阻率是反映半导体材料导电性能的重要参数，根据测量半导体电 阻率可求得半导体材料的载流子浓度，进而计算材料的杂质浓度。
U表
U1
U2
U3 I
表表表表 表表表 表表表表
基本测量方法： 两探针法、四探针法等。
电阻率测试—两探针法
作用原理：试样两端接直流电源，引出线与试样之间保持欧姆接触特性， 电流回路上串接标准电阻Rs，用电位差计测量电阻上的电压降，计算流 过试样的电流，然后用两个靠弹簧压紧的探针在试样长度方向上测量某 两点的电压降Vr，并测出两点之间的距离L，可求得样品电阻率。
缺陷检验—红外显微镜直接观察法 作用机理：高温下通过向硅片中扩散进大量铜原子，然后 低温（500℃）热处理，使得过饱和铜原子逐渐扩散到位 错线附近吸收红外线，在显微镜下观察时，位错线清晰可 见：破坏性检测。
缺陷检验—X射线衍射形貌照相法
作用机理：晶体对X射线的消光作用——有缺陷区域和完 整区域对X射线衍射程度不同，在有缺陷区域产生的衍射 线强度强很多。通过对比试样和标准件X射线衍射图片， 判断晶体缺陷程度：非破坏性检测。
位错产生原因： 【籽晶本身存在位错，导致拉制单晶体存在位错】 【来源于晶体范性形变—“塑性形变”：滑移和攀移】
位错密度测量方法： 化学腐蚀法 红外显微镜直接观察法 X射线衍射形貌照相法 扫描电子显微镜分析法
缺陷检验—化学腐蚀法 作用理：有位错处原子排列规律性发生改变，形成应力 集中区，位错集中处化学反应速率快，通过测量位错和样 品表面的位错腐蚀坑密度就可得到位错密度：破坏性检测。 常用化学试剂：铬酸溶液
非平衡载流子寿命：从打破平衡状态至非平衡状态再到新平衡状态 所需平均时间就是非平衡少数载流子平均存在的时间，称为少子寿命。 表征了非平衡载流子的平均生存时间。
晶格不完整性越大，少子寿命越短；同一种半导体材料晶格完整度 不同，少子寿命差别很大，依此可了解晶体材料晶格结构完整度。
缺陷检验和杂质含量测试 缺陷表现形式：位错，包括刃位错与螺位错两种。
缺陷检验—扫描电子显微镜分析法
作用机理：利用聚焦的极细电子束进行规则逐点扫描运动，射线扫描 到样品时，会产生电子和二次电子，电子收集器收集电信号，放大后 可转换成屏幕上的图像，用以确定缺陷形貌和位置：准破坏性检测。
扫描电镜工作原理
电阻率：测定半导体材料的导电性能；
非平衡少数载流子寿命：少子寿命
导电类型测试-热探针法
原理： 利用冷、热探针与材料接触时，热 探针激发产生电子-空穴对；多数 载流子在两探针间存在浓度差并向 冷探针附近扩散；探针间形成电位 差。产生的电流流经光点检测计， 引起检测计偏转，依据偏转方向 可判断材料类型。
硅单晶加工及质量要求
桂林电子科技大学职业技术学院
单晶硅性能测试
测试项目主要包括： 物理性能：单晶体检验、晶向测定 电气性能：导电类型与电阻率测试 缺陷及杂质含量确定
物理性能测试—单晶体检验 物理性能测试主要包括外观检验、规格检验和晶向测定 单晶体外表面晶向一致，对光线的反射均匀—外观检验 规格检验：直径与重量测量—是否符合标准
电阻率测试—四探针法
C V23
I14
作用原理：试样接直流电源，采用四根探针与被测样品形成欧姆接触， 在探针1和4间通电流I1-4，探针2与3之间形成电位差V2-3，计算可得样品 的电阻率。C为修正因子，取决于探针排列方法与针距。
非平衡少数载流子寿命测试
半导体材料内运动的电子、空穴处于产生和复合的动态平衡过程， 采用光照或离子注入等外界干扰影响材料时，平衡状态被打破，引入的 多余电子或空穴对导致出现非平衡状态。引入的电子、空穴对就称为非 平衡载流子。