硅单晶

半导体材料

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和集成电路。

简介

硅单晶是呈单晶体的半导体硅材料，是产量最大、应用最广的半导体材料。

性能

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,

临界剪切应力(CRSS)1.85MPa(接近熔点时)

应用

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氧化膜，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，绝大多数的电力电子器件(可控硅，整流器等)，功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

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

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：双层水冷炉室、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。

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