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什麽是單晶矽棒制作方法

(1)

矽的主要來源是石英砂(二氧化矽),矽元素和氧元素通過***價鍵連接在壹起。因此需要將氧元素從二氧化矽中分離出來,換句話說就是要將矽還原出來,采用的方法是將二氧化矽和碳元素(可以用煤、焦炭和木屑等)壹起在電弧爐中加熱至2100°C左右,這時碳就會將矽還原出來。化學反應方程式為:SiO2 (s) + 2C (s) = Si (s) + 2CO (g)(吸熱)

(2)

上壹步驟中得到的矽中仍有大約2%的雜質,稱為冶金級矽,其純度與半導體工業要求的相差甚遠,因此還需要進壹步提純。方法則是在流化床反應器中混合冶金級矽和氯化氫氣體,最後得到沸點僅有31°C的三氯化矽。化學反應方程式為:Si (s) + 3HCl (g) = SiHCl3 (g) + H2 (g)(放熱)

(3)

隨後將三氯化矽和氫氣的混合物蒸餾後再和加熱到1100°C的矽棒壹起通過氣相沈積反應爐中,從而除去氫氣,同時析出固態的矽,擊碎後便成為塊狀多晶矽。這樣就可以得到純度為99.9999999%的矽,換句話說,也就是平均十億個矽原子中才有壹個雜質原子。

(4)

進行到目前為止,半導體矽晶體對於芯片制造來說還是太小,因此需要把塊狀多晶矽放入坩堝內加熱到1440°C以再次熔化 。為了防止矽在高溫下被氧化,坩堝會被抽成真空並註入惰性氣體氬氣。之後用純度99.7%的鎢絲懸掛矽晶種探入熔融矽中,晶體成長時,以2~20轉/分鐘的轉速及3~10毫米/分鐘的速率緩慢從熔液中拉出:

探入晶體“種子”

長出了所謂的“肩部”

長出了所謂的“身體”

這樣壹段時間之後就會得到壹根純度極高的矽晶棒,理論上最大直徑可達45厘米,最大長度為3米。

以上所簡述的矽晶棒制造方法被稱為切克勞斯法(Czochralski process,也稱為柴氏長晶法),此種方法因成本較低而被廣泛采用,除此之外,還有V-布裏奇曼法(Vertikalern Bridgman process)和浮動區法(floating zone process)都可以用來制造單晶矽。