半导体生产与洁净度PPT课件

半导体生产与洁净度 主要内容 1 半导体的发展简介2 半导体的基本知识3 半导体特性决定其制造过程必须有洁净度要求4 洁净区的管理 微电子的发展史 1904年英国人弗来明 J A Fleming 发明真空二极管 1906年美国人德福雷斯特 Leedoforest 发明真空三极管 三极管具有检波 放大和振荡三种国能 它被称为电子设备的心脏 但电子管体积大 耗电多 散热大 易破碎 寿命短等 例如1945年美国莫克利 J W Mauchly 和埃克特 J PEokert 研制成功的世界第一台电子计算机共使用了18000个电子管 重30吨 占地170m2 耗电150KW 运算速度5000次 sec 平均无故障时间仅7分钟 但它比手摇计算速度快1000倍 比人工快20万倍 1947年12月23日 贝尔研究所物理学家巴丁 JBardeen 和布拉顿用两根触丝放在锗半导体的表面 当触丝十分靠近时观察到了信号放大特征 但是接触晶体管利用触须接点很不稳定 1950年贝尔研究所领导肖克利 W BShockley 与物理学家巴丁 布拉顿成功开发第一个结型晶体管 并于1956年获诺贝尔奖金 1958年德州仪器 TI 公司 基比尔 J CKilby 和仙童公司诸伊斯 R NWoyce 相继研究成功世界上第一块集成电路 经过了40年的发展 集成电路从小规模集成电路发展到了巨大规模集成电路和系统芯片 集成的元器件数也从几个发展到目前的几十亿个 晶体管和集成电路从美国发明 开始重点都放在军用上 集成电路踏入民用领域还是从1964年通过日本大公司 计算器等民用产品的生产 日本科技独创性不强 但它能利用美国的科研成果从产业化入手 创造出无与伦比的辉煌业绩 90年代韩国依靠财团的雄厚资金 踩着日本人的足迹也获得了成功 在21世纪通讯 航天 民用电器等方面更广泛应用微电子技术 微电子行业更能有突飞猛进的发展 在半导体另一个新辟领域 即利用半导体特有的性能 使光热能通过半导体硅多晶硅或硅单晶变为电能 第一个太阳能电池是1951年诞生在美国贝尔实验室 60年代主要用于航天领域 那时太阳能电池效率只有10 70年代中东石油危机对西方国家能源带来威胁 西方国家政府开发 生产及利用再生能源 提到议事日程 随即太阳能电池技术迅速发展 以半导体硅材料为基础的大规模工业生产的太阳能电池其理论计算转换效率达20 在后来20多年发展过程中 由于大规模集成电路的迅速发展 给晶体硅太阳能技术的进一步革新提供了很多优越的借鉴条件 大规模生产的太阳能电池转换效率不断提高 多晶硅太阳能转换效率达到15 以上 单晶硅可达到17 以上 近年来 太阳能电池每年销售量在全球范围内以每年25 速度在递增 1997年为100MW 年 1998年135 MW年 2001年为401MW 年 1999年美国的太阳能电池销售量为61MW 日本为85MW 以上电子器件的结构原理就是从半导体特征性能P N结为基础的 下面就最基础的半导体原理讲起 从其P N结制造的过程 提出了 洁净度 的要求 半导体基本知识 1 1半导体的晶体结构 硅是已知的12个带有半导体性质中最重要的元素半导体是位于元素周期表中第三周期四族的第二个元素 硅晶体原子以共价键结合 硅的原子序数为14是4价元素 硅晶体中以共价键结合 具有正四面体晶体特征在常压下硅晶体为金刚石型结构如图 1 图 1 硅半导体材料晶体结构 金刚石型 硅晶体有一些重要的晶向和晶面 常用的有 111 110 100 111 如图2 图2硅面 立晶系中的重要晶面 在自然界 除了上面所说的导体和绝缘体外 还存在着导电性能介于导体和绝缘体之间的许多物体 这就是半导体 半导体是一种晶体 它的种类很多 目前用得最广得是锗 硅 硒等 按电阻值来讲 电阻值大于1 10e11为绝缘体 电阻值小于1 10e4为导体 电阻值在1 10e11 1 10e4之间的为半导体 对于具有金刚石结构的硅来讲 每个原子与相邻的四个原子成链接 如图3所示硅原子的最外层电子轨道具有四个价电子它可以与四个相邻分享其价电子称为共价键 在室温时这些共价电子被局限在共价键上 在温度和光照作用下 共价键被破坏即能激发电子参与放电行为 在硅晶体待参杂时 破坏了共价键的平衡 产生导电行为 在外界条件的影响下 局部晶体结构被破坏令产生缺陷 图3金刚石型晶体结构的四面体结构在二维空间的链接示意图 1 2半导体的导电性能n型和p型半导体 如果我们在纯净的本征半导体中掺入少量杂质锑 或磷 砷之类 把么在这块半导体中就产生了许多新电子 这些新产生的电子数量远远超过原来未掺入杂质前的电子或空穴的数量 因此在全部载流子中现在占压倒多数的是电子 而空穴数目很少 在这种半导体中起支配地位的载流子是电子 导电作用主要有电子来决定 所以称电子为 多数载流子 而空穴是 少数载流子 这种类型的半导体叫做电子型半导体 简称n型半导体 如图4所示 相反 如果我们在纯净的本征半导体中掺入少量杂质铟 或铝 硼之类 那么在这块半导体终究会产生许多新的空穴 这些空穴的数量大大超过未掺杂质前原有的电子和空穴的数量 因此在全部载流子中 占压倒多数的是空穴 而电子的数量很少 所以这种半导体中对导电起支配作用的载流子是空穴 空穴是多数载流子 而电子是少数载流子 这种类型的半导体叫做空穴型半导体 简称P型半导体 如图5所示 图4 型半导体示意图图5 型半导体示意图 由于在本征半导体掺入的杂质不同 两种类型的半导体中多数载流子和少数载流子也就有所不同 在P型半导体中空穴是多数载流子 电子是少数载流子 而在n型半导体中则恰好相反 此外 掺入杂质的数量愈多 多数载流子的数目也就愈多 半导体的导电能力也就愈强 因此掺入的杂质对半导体的性质有着特别重要的影响 必须指出 不论是 型半导体还是 型半导体 他们虽然都有一种载流子是占多数 但是他们本身仍是不带电的 正如导体中有大量自由电子 但导体本身并不带电一样 由于 型和 型半导体都有带电的载流子 带正电的空穴和负电的电子 这些载流子在电场的作用下就要有定向运动 可以想象 如果节上外加电压 外电路上就会有电流流通 在一块 型但导体二端加上一个电压 则在半导体内就会产生一个电场 如图6 1所示 型半导体中的多数载流子 电子在电场的作用下外加电压的 正端 移动 而 型半导体中的少数载流子 空穴在电场的作用下向外加电压的 负端 移动 在半导体内就构成电流 由于在 型半导体中电子是多数载流子 电流主要是由电子的移动构成的 电流的方向与带负电的电子运动方向相反 如图中的箭头所示 图6 1 型半导体图6 2 型半导体 如果是p型半导体 情况是相似的 图6 2 所不同的是现在多数载流子是空穴 而少数载流子是电子 当然这时半导体中的电流主要由空穴的移动构成的 电流的方向与带正电的空穴运动方向相同 1 3P N结的单向导电性 如果把一块n型半导体和一块p型半导体合在一起 由于在n型半导体中电子数远远超过空穴数 而在p型半导体中 空穴数却远远超过电子数 因此两边的电子和空穴的分布是不均匀的 由于这种不均匀的分布 n型区域内的电子就向p型区逐渐扩散 结果是n型区域中邻近p型区一边的薄层A中就有一部分电子扩散到p区去了 由于薄层A失去了一些电子 因此便带有正电 如图8 a 同样 p型区中邻近n型一边的薄层B中就有一部分空穴扩散到n型区 由于薄层B失去了一些空穴 因此便带有负电 如图8 b 图8载流子在半导体中的扩散 由于电子和空穴的扩散是同时进行的 所以上现所说的带电的薄层A和B同时产生于n型和p型交界面的两侧 问题是n区中的电子和p区中的空穴会不会不断地向对方扩散呢 由上现可知 电子和空穴是带电载流子 由于空穴和电子扩散 使薄层A带正电 而薄层B带负电 因此在薄层A B间产生一个电场 如图9 这个电场的方向是由n区指向p区 这个电场企图把进入薄层B向p区扩散的电子拉回n区 图9电子和空穴扩散在pn结交界处产生的电场 以把进入薄层A向n区扩散的空穴拉回p区 就是说这个电场阻止电子继续往p区扩散也组织空穴继续往n区扩散 刚开始时 电子和空穴的扩散占优势 但是随着电子和空穴的不断扩散 n区和p区失去的电子和空穴越来越多 薄层A和B越来越厚 形成的电场的作用越来越强 最后 电场的作用完全抵消了扩散 这时便达到了动态平衡状态 上面所说的薄层A和B 称为 pn结 又称为 阻挡层 意思是这个薄层阻挡电子和空穴的继续扩散 这个薄层的厚度大约为10 4 10 5立米左右 Pn结是半导体二极管最基本的结构 是各种半导体管的基本组成环节 也是学习半导体管入门的向导和基础 下面进一步分析pn结的特性 如果我们在pn结两端接上电池 而且电池正极接p型半导体 电池负极接n型半导体 如图10 a 这时我们发现电路上有很大的电流流通 电流表有读数 如果换一个方向 即电池正极接n型半导体 如图10 a 这时电路上的电流很小 电流表的读数接近零 图10pn结加压的实验 当pn结正向连接时 即p区接电池正极 n区接电池负极 这时 外加电压在pn结中产生的电场方向是由p区指向n区的 恰好与pn结原来形成的电场方向相反 如图11 a 因此 pn结中原来的电场被削弱了 阻挡层的厚度减小了 P区的空穴和N区的电子在外加电场作用下不断走向交界处 空穴由左方流向右方和电子由右方流向左方都相当于电流由左方流向右方 由于P区空穴很多 N区电子很多 这股电流很大 这就是正向连接时出现大电流的原因 外加正向电压越大 在PN结中外加电场的作用就越强 更进一步消弱原来PN结的电场 所以电流更要增加 当PN结反向连接时 即P区接电池负极 N区接电池正极 这时外加电压在PN结中产生的电场方向是由N区指向P区 与PN结原来形成的电场方向一致 使阻挡层的厚度增加了 N区中的多数载流子 电子和P区中的多数载流子 空穴很难通过PN结向对方移动 这就是反向连接时电流极小的原因 但是 这时P区中的少数载流子 电子和N区中的少数载流子 空穴在反向电场帮助下向交界处移动 电子由左方流向右方和空穴由右方流向左方形成反电流 但由于少数载流子数目很少 反向电流是很小的 因此 我们可以把PN结看成是电流通道上的一道开关 接上正向电压时 即P型半导体接电池正极 N型半导体接电池负极 开关打开让电流通过 我们称此时PN结 导通 接上反向电压时开关关上 阻止电流通过 我们称此时PN结 截止 PN结这种只让电流单方向通过的性能称PN结的单向导电性 PN结的 导通 和 截止 是相互矛盾的两个方面 双方斗争而又互相依存着 共处于一个统一体中 这两个对立的双方在一定外加电压的条件下互相转化 当外加电压极性改变时矛盾双方各转化到相反的方面 1 4太阳能电池1 4 1太阳能电池材料多晶硅制造 1 4 2多晶Si太阳能电池片生产工艺流程图 2 半导体特性决定其制造过程必须有洁净度要求 综上所述杂质对半导体的特性有着改变或破坏其性能的作用 所以在半导体器件生产过程中对杂质必须严格控制 杂质要有各种各样的 如金属离子会破坏半导体器件的导电性能 灰尘粒子破坏半导体器件的表面结构等等 2 1生产环境洁净 半导体器件生产环境要求很严 除了要求恒温 恒湿以外 对生产环境洁净度要求很严 须建立洁净室 按单位体积中规定的尺寸灰尘粒子为标准分成洁净度的等级 一般分为10级 100级 1000级 10000级 100000级 美国联邦标准中规定了洁净度和洁净区内空气浮游粒子洁净等级 2 1 1洁净室的分类 紊流式 TurbulentFlow 也称乱流式适用于洁净室等级为1000 10000级层流式 laminar 分水平层流和垂直层流两种 其适用洁净室等级为Class100 1级 复合式 MixedType 其系乱流式及层流式复合并用分为 a 洁净隧道 CleanTunnel b 洁净管道 CleanTube c 拼装局部洁净室 CleanSpot 2 1 2浮游粒子的洁净等级 洁净度以每立方米 每立方英尺 空气中的最大允许粒子数来确定 洁净区洁净室种类a 交竣洁净室b 停工洁净室c C 运行洁净室 洁净度的等级 见表1 表1浮游粒子洁净等级 半导体用洁净室各区域的要求见表2 表2半导体用洁净室各区域的要求 2 1 3浮游粒子洁净度的检测 1 采样 任何洁净区的取样点不得少于2个 除受洁净区划内的设备限制外 取样点应在整个洁净区均匀分布 每个选定的取样点应至少取样一次 在一个区内总共应最少取样5次 每个取样点取样应多于一次 而不同的取样点取样次数可以不同 2 取样量和取样时间 取样空气量不得少于0 00283立方米 合0 1立方英尺 并且计算所得取样量结果不得四舍五入 2 1 4浮游粒子洁净度的监测 监测方法应根据规定的浮游粒子洁净等级和为保护工艺和产品免受污染物影响而控制的污染水平来指定的 应确定监测频率 运行条件和粒子计算方法 取样点和取样点数量 取样量和数据处理方法也应被确定 2 2工艺过程中的洁净 2 2 1清洗用水 对纯水的要求10 18 cm 化学药品 如氨水 NH3 双氧水 H2O2 氢氟酸 HF 盐酸 Hcl 等 2 2 2工艺过程中使用的工器具 石英管 石英舟 传递夹 镊子等 清洗槽 2 2 3工艺过程中使用的设备 2 2 4必须改正一切不利于洁净生产的习惯 2 3洁净室的维护及管理 半导体 洁净室 内污染的来源 经测试结果表明 作业人员引入的污染约占80 在 洁净室 中不规范的动作会产生大量尘埃粒子 从而严重影响 洁净室 的洁净度 经大量实验数据表明 作业人员进出 洁净室 时尘埃粒子有明显的增加 有人动作时其洁净度马上会恶化 可见室内的人是影响 洁净室 洁净度的主要因素 人体不同动作时尘埃粒子产生数见表3所示 由于作业人员的行动