半导体基础知识半导体基础知识硅材料事业部第1頁物质的结构物质的结构导体和绝缘体导体和绝缘体半导体半导体杂质半导体杂质半导体二极管和三极管二极管和三极管集成电路集成电路硅片衬底硅片衬底硅材料事业部第2頁物质的结构物质的结构硅材料事业部第3頁原子是组成物质的基本单元单质，化合物H2ONaCl O2水盐氧物质的结构物质的结构硅材料事业部第4頁原子由质子、中子和电子组成质子和中子的半径是0.81015m原子核的大小大约是10 15至 14m%(物质的结构物质的结构硅材料事业部第5頁原子由质子、中子和电子组成质子和中子形成原子核物质的性质由质子的数量决定质子中子氢原子核碳原子核物质的结构物质的结构硅材料事业部第6頁电子围绕原子核旋转问题：氢原子核的半径是问题：氢原子核的半径是0.80.8 10101515mm，核外电子的轨道半径是核外电子的轨道半径是0.530.53 10101010mm，如果把原子核放大到如果把原子核放大到0.10.1mmmm（尘粒）尘粒），则电子离原子核多远？，则电子离原子核多远？物质的结构物质的结构硅材料事业部第7頁核外电子分层排布内层电子比较稳定最外层电子决定物质的导电性能128428523氢（H）硅（Si)硼（B）磷（P）导体与绝缘体导体与绝缘体硅材料事业部第8頁物质的导电性带电粒子在电场作用下定向流动 电子导电离子 导电 铜导线电子 盐水电极Cl-Na+-导体与绝缘体导体与绝缘体硅材料事业部第9頁电阻率的定义电阻R = 面积导线长度长度L面积S导体与绝缘体导体与绝缘体硅材料事业部第10頁各种物质的电阻率(单位）银银( (Ag)Ag)1.6101.610-8-8铜铜( (Cu)Cu)1.7101.710-8-8铝铝( (Al)Al) 2.910 2.910-8-8半导体半导体10101010电木电木1010101010101414橡胶橡胶1010131310101616导体与绝缘体导体与绝缘体硅材料事业部第11頁外层电子数量对导电性能的影响第一层饱和电子数是最外层饱和电子数是gSiCuAr 银铜硅氩导体与绝缘体导体与绝缘体硅材料事业部第12頁金属原子的外层电子易脱离原子而成为自由电子，这是金属易于导电的原因。金属导电示意金属原子自由电子导体与绝缘体导体与绝缘体硅材料事业部第13頁非金属原子的外层电子不易脱离原子而成为自由电子，这是非金属不易于导电的原因。束缚电子半导体元素半导体元素硅材料事业部第14頁原子的外层电子数为2842841 硅锗半导体元素半导体元素硅材料事业部第15頁原子的外层电子数为纯净的半导体是不导电的一个硅原子分别与个其它的硅原子组合外层电子共用，形成共价健纯净的半导体中没有自由电子半导体元素半导体元素硅材料事业部第16頁纯净硅的结构iiiiiiiiiiiiiiii杂质半导体杂质半导体硅材料事业部第17頁在纯净硅中有意识地掺入杂质磷iiiiiiiiiiiiiii电子杂质磷原子电电子子导导电电型型杂质半导体杂质半导体硅材料事业部第18頁在纯净硅中有意识地掺入杂质硼iiiiiiiiiiiiiii空穴杂质硼原子空空穴穴导导电电型型杂质半导体杂质半导体硅材料事业部第19頁杂质是有意识地地掺入的不是所有的元素都可以作为杂质掺入掺入的杂质的数量是经过精确计算的杂质半导体杂质半导体硅材料事业部第20頁掺入的杂质的数量是非常少的，掺入的杂质的数量是非常少的，极少的杂质会极大地影响半导体极少的杂质会极大地影响半导体的导电性能的导电性能纯净硅不含杂质纯度99.99999999999%1B/50000000Si 电阻率10 cm1B/7143Si 电阻率 0.01 cm杂质半导体杂质半导体硅材料事业部第21頁警告！警告！要杜绝其它杂质的进入要杜绝其它杂质的进入要杜绝各种可能的污染要杜绝各种可能的污染极少量的杂质能极大地改变半极少量的杂质能极大地改变半导体的导电性能导体的导电性能半导体生产的超浄要求半导体生产的超浄要求硅材料事业部第22頁生产中采取的各种措施：生产中采取的各种措施：各道工序加工后都进行清洗各道工序加工后都进行清洗使用超纯水进行清洗（使用超纯水进行清洗（17M以上）以上）使用超纯气体（使用超纯气体（99.999%以上）以上）使用电子纯的化学试剂使用电子纯的化学试剂在净空厂房内生产在净空厂房内生产超净包装超净包装半导体生产的超浄要求半导体生产的超浄要求硅材料事业部第23頁生产中对作业人员的限制：生产中对作业人员的限制：不能用手接触产品不能用手接触产品进入净空厂房要穿着超净服进入净空厂房要穿着超净服不能化妆不能化妆不能穿戴金银饰品不能穿戴金银饰品不要穿毛衣不要穿毛衣要保持良好的卫生习惯要保持良好的卫生习惯半导体二极管半导体二极管硅材料事业部第24頁空穴导电空穴导电电子导电电子导电型半导体型半导体型半导体型半导体半导体二极管半导体二极管硅材料事业部第25頁型半导体和型半导体在一起型半导体和型半导体在一起型成结型成结型型半半导导体体N型型半半导导体体N区电子向P区扩散P区空穴向N区扩散形成PN结半导体二极管半导体二极管硅材料事业部第26頁结的单向导电性结的单向导电性PN结内电场外电场电流导通半导体二极管半导体二极管硅材料事业部第27頁结的单向导电性结的单向导电性PN结内电场外电场电流不导通半导体三极管半导体三极管硅材料事业部第28頁三极管的结构（型）三极管的结构（型）发射极集电极基极结结半导体三极管半导体三极管硅材料事业部第29頁三极管的结构（型）三极管的结构（型）发射极集电极基极结结集成电路集成电路硅材料事业部第30頁集成电路集成电路1947年发明第一个锗晶体管年发明第一个锗晶体管1958年诞生第一块集成电路年诞生第一块集成电路1969年在米粒大小的面积上可以集年在米粒大小的面积上可以集成成1000多个晶体管多个晶体管1999年奔腾年奔腾4芯片的集成度达到在芯片的集成度达到在一个指甲大小的面积上集成了一个指甲大小的面积上集成了4000多万个晶体管多万个晶体管上海申和热磁电子有限公司上海申和热磁电子有限公司 硅材料事业部硅材料事业部硅片加工项目生产规模：400000片/月开工日期：2002年6月投产日期：磨片产品9月抛光片产品 10月申和公司硅片出口加工项目合作方：日本东芝公司日本三井物产技术来源：日本东芝公司产品销售：全部出品 硅片加工项目产品种类：主要轻掺杂硅片掺杂剂：硼，磷新增产品：掺砷硅片重掺硅材料掺杂剂电阻率缺点磷 0.00080.018爆炸，自掺杂 锑 0.00180.018原子大,挥发性砷0.00150.004有毒性硅材料中的砷硅材料中的砷硅材料事业部第37頁在纯净硅中有意识地掺入杂质砷iiiiiiiiiiiiiii电子杂质磷原子电电子子导导电电型型As主要工艺流程主要工艺流程第38頁多晶制造单晶拉制切片多晶制造单晶拉制切片 倒角倒角 磨片化学腐蚀热处理磨片化学腐蚀热处理 背损伤背损伤 CVD CVD 边缘抛光粗抛光边缘抛光粗抛光 精抛光精抛光 清洗清洗 检验洁净包装检验洁净包装关于砷砷是地壳中广泛分布的一种元素元素砷是银灰色，象金属一样的材料少量的砷元素对健康是有益的。砷的化合物是剧毒的物质As2O3（砒霜）这种化合物是致命的。关于砷关于砷如果吞下砷，砷会很快进入人的身体如果通过呼吸吸进空气中的粉尘，砷的颗粒会通过肺部的血管进入身体至于皮肤接触，不会有大量的砷进入身体，所以不应该有什么问题。关于砷关于砷人每天通过饮水，食物和空气中的灰尘，会有.05mg的砷进入人的身体其中0.0035mg是无机砷有机砷和无机砷都会以尿的形式排出体外大部分的砷会在几天内排出体外，少量的砷会在体内停留几个月或更长。掺砷材料生产废物固体废物在硅工艺中使用的砷是单质状态并且在硅工艺过程中保持单质状态。在硅棒和硅片的工艺中有几种固态砷废弃物来源。埚底料加工废料氧化物 掺砷材料生产废物当加工掺砷硅晶体时，将晶体切断取样。然后是滚磨，切片和研磨。所有这些工艺将会产生硅粉。这些掺砷硅晶体在通常情况下与工艺水混合在一起。）一些掺砷硅在腐蚀过程中溶解于腐蚀溶液中。这些小量废水可以和其他废水在PH值调整之后混合，作为工业废水排放。 掺砷材料生产废物气态废弃物一个是单晶炉生长工艺排气另外一个来源是腐蚀液排气含砷废物的处理固体废物在特定的工业掩埋场掩埋或者焚化在授权的废弃物处理工厂。上海市在嘉定投资两亿元建设掩埋场处理费 2000元/吨左右含砷废物的处理废液先去除滚磨和切片的固态粒子，然后与来自腐蚀，抛光和清洗的废水混合。混合后的废水中砷的浓度通常小于0.25ppm，在0.49ppm排放限定内，因此可以作为工业废水排放。也可按酸硷废水作常规处理进一步降低浓度 含砷废物的处理废气水环真空泵真空扫除系统废气淋洗装置关于含砷废水的计算假定：年产40,000公斤4”掺砷晶棒。电阻率平均0.003欧姆-厘米，原生外径108毫米。晶体收率是55%，但是熔体的85%凝固装料40公斤，每炉250克砷总炉数=40.000/40/55%=1818炉/年使用72720公斤多晶/年 关于含砷废物的计算总的掺杂砷量=2501818=454.5公斤/年大约38,508公斤硅作为固体废弃物处理。大约403.2公斤的砷需要作为固体废弃物处理。因为砷在水中不溶解，从滚磨，切片和磨片来的废水可以和其他工艺水混合，作为工业废弃物排放。留在酸或者抛光浆中的砷少于2公斤/年。关于含砷废物的计算申和项目用水量的500000立方米/年。砷 的 浓 度 将 是 2公 斤 /500,000平 方 米=0.004上海地区废水排放标准0.5毫克/升