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二氧化硅如何提取成单晶硅
2013-9-23    来源:    作者:佚名
二氧化硅如何提取成单晶硅
单晶硅的生产
(1)硅的主要来源是石英砂(二氧化硅),硅元素和氧元素通过共价键连接在一起。因此需要将氧元素从二氧化硅中分离出来,换句话说就是要将硅还原出来,采用的方法是将二氧化硅和碳元素(可以用煤、焦炭和木屑等)一起在电弧炉中加热至2100°C左右,这时碳就会将硅还原出来。化学反应方程式为:SiO2 (s) + 2C (s) = Si (s) + 2CO (g)(吸热)
(2)上一步骤中得到的硅中仍有大约2%的杂质,称为冶金级硅,其纯度与半导体工业要求的相差甚远,因此还需要进一步提纯。方法则是在流化床反应器中混合冶金级硅和氯化氢气体,最后得到沸点仅有31°C的三氯化硅。化学反应方程式为:Si (s) + 3HCl (g) = SiHCl3 (g) + H2 (g)(放热)
(3)随后将三氯化硅和氢气的混合物蒸馏后再和加热到1100°C的硅棒一起通过气相沉积反应炉中,从而除去氢气,同时析出固态的硅,击碎后便成为块状多晶硅。这样就可以得到纯度为99.9999999%的硅,换句话说,也就是平均十亿个硅原子中才有一个杂质原子。
(4)进行到目前为止,半导体硅晶体对于芯片制造来说还是太小,因此需要把块状多晶硅放入坩埚内加热到1440°C以再次熔化
为了防止硅在高温下被氧化,坩埚会被抽成真空并注入惰性气体氩气。之后用纯度99.7%的钨丝悬挂硅晶种探入熔融硅中,晶体成长时,以2~20转/分钟的转速及3~10毫米/分钟的速率缓慢从熔液中拉出:
探入晶体“种子”
长出了所谓的“肩部”
长出了所谓的“身体”
这样一段时间之后就会得到一根纯度极高的硅晶棒,理论上最大直径可达45厘米,最大长度为3米。
以上所简述的硅晶棒制造方法被称为切克劳斯法(Czochralski process,也称为柴氏长晶法),此种方法因成本较低而被广泛采用,除此之外,还有V-布里奇曼法(Vertikalern Bridgman process)和浮动区法(floating zone process)都可以用来制造单晶硅。
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