半导体制造技术实践总结

《半导体制造技术实践总结》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体制造技术实践总结（15页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、半导体制造技术实践总结报告姓名：陈曦学号：1108520630学科：集成电路工程学院：自动化与信息工程导 师 姓名：蒲红斌指导教师： 封先锋 臧源2012 年 春季 学期一、实践目的 把所学用于实践，通过实践加深对所学知识的理解二、实践安排（含时间、地点、内容等） 实践地点：晶体楼一楼（校内）。2012-7-82012-7-9硅片清洗和表面制绒2012-7-102012-7-11扩散制结2012-7-12去磷硅玻璃、等离子刻蚀2012-7-132012-7-14镀减反射膜2012-7-15丝网印刷、烧结三、实践过程和具体内容通过制造太阳电池的过程来了解各个工艺步骤。首先，简单了解一下太阳电池的

2、结构。结衣阳光线上电极N型硅P型硅下电极图 1 太阳电池结构原理图 1 所示为太阳电池的基本结构，从上到下依次为：上电极和栅线、减反射膜（图上未显示）、N型区、PN结、P型区以及下电极。等离子刻蚀Plasmar&rnovslEtching扩散 制结 Diffusion騒吉f - J丝网 印屈 Screen碱反射膜 制备 PECVDlesimg anaSortingDry 6f/SinteringQPrinting图2太阳电池生产工艺步骤工艺步骤按照电池结构可分为：硅片清洗和表面制绒扩散制结去磷硅玻璃等离子刻蚀减反射膜制备丝网印刷烧结。第一步 硅片清洗和表面制绒。图3 绒面单晶硅绒面的制备是利用

3、硅的各向异性腐蚀，在每立方厘米硅表面形成几百万个四面方锥体也即金字塔结构。由于入射光在表面的多 次反射和折射，增加了光的吸收，提高了电池的短路电流和转换效率。 硅片表面织构化方法比较多，主要有刻槽、化学腐蚀等。其中化学腐 蚀方法工艺简单，成本低廉，适用于大规模工业生产，是当前研究热 点之一。化学腐蚀也成为湿法腐蚀，就是将晶片置于液态的化学腐蚀 液中进行腐蚀。其腐蚀过程与一般化学反应相同。在腐蚀过程中，腐 蚀液将把它所接触到的材料浸蚀溶掉。单晶硅的绒面制作是采用择优腐蚀的方法来完成的。一般步骤 为：1、NaOH清洗损伤层。在40 L去离子水+800 g NaOH粉末+750ml异丙醇的混合液中超

4、声波清洗，水温80C左右，清洗10分钟。这一步的主要作用是去除表面损伤层，减薄硅片厚度。硅片在碱溶液中会发生的化学反应为si + 2NaOH + H O T Na SiO + 2H T2 2 3 22、去离子水清洗2遍。先用热水清洗，水温7080C ；再用冷 水清洗（20L水）。这一步主要是洗掉硅片表面残留的第1步的去损 伤层液体。3、制绒。20 L 去离子水+300 g NaOH+400 g NaSiO +1 L 异丙醇23的混合溶液，水温80C左右，把硅片放入其中反应30分钟。在这里 所加入的异丙醇为表面活性添加剂，如果只用碱溶液来腐蚀单晶硅表 面，做出的金字塔型绒面并不均匀，原因是硅表面

5、的可沾性较差，所 以通常加入表面活性添加剂来曾加单晶硅表面的可沾性，同时也能提 供OH-离子，促进单晶硅表面织构化的充分进行。4、去离子水清洗2遍。先用热水清洗，水温7080C ；再用冷 水清洗（20L水）。去除第3步残留液。5、HF清洗。把硅片放入20L去离子水+0.4LHF的混合液中， 水温80C左右，反应6分钟。6、去离子水清洗2遍。先用热水清洗，水温7080C ；再用冷 水清洗（20L水）。去除第5步残留液。7、HCl清洗。把硅片放入20L去离子水+2L HCl的混合液中， 常温下，反应 6分钟。8、去离子水清洗2遍。冷水清洗2次（20L水）。去除第7步残 留液。第二步 扩散制结。图

6、4 PN 结制备原理太阳能电池需要一个大面积的PN结以实现光能到电能的转换，而扩散炉即为制造太阳能电池PN结的专用设备。如图4所示，扩散 一般用三氯氧磷液态源作为扩散源。把P型硅片放在管式扩散炉的石 英容器内，在800900C高温下使用氮气将三氯氧磷带入石英容器， 通过三氯氧磷和硅片进行反应，得到磷原子。在有氧的情况下：4 POCI + 5 O T 2 PO + 6 Cl T322522 P O + 5 Si = 5 SiO + 4 P J252生成的磷原子在硅片表面形成一层磷硅玻璃，然后通过硅原子之间的 空隙向硅片内部渗透扩散，形成了N型半导体和P型半导体的交界 面，也就是PN结。第三步 去

7、磷硅玻璃。目的：去除硅片表面氧化层和扩散时形成的磷硅玻璃（P2O5和 SiO2的混合物）。原理：P2O5 溶于 HF 酸，SiO + 6HF = H SiF + 2H O，H2SiF6 溶于2 2 6 2水。具体工艺：把硅片置于20L去离子水+1LHF的混合液中，反应5 分钟。洗磷后用去离子水将硅片冲洗干净。 第四步 等离子刻蚀。由于在扩散过程中，即使采用背靠背扩散，硅片的所有表面包括 边缘都将不可避免的扩散上磷。PN结的正面所收集到的光生电子会 沿着边缘扩散有磷的区域流到PN结的背面，而造成短路。因此，必 须对太阳电池周边的掺杂硅进行刻蚀，以去除电池边缘的PN结。通常采用等离子刻蚀技术完成这

8、一工艺。等离子刻蚀是在低压状 态下，反应气体CF4的母体分子在射频功率的激发下，产生电离并形4成等离子体。等离子体是由带电的电子和离子组成的，反应腔体中的 气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还能吸收能量并形成大量 的活性基团。活性反应基团由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表 面，在那里与被刻蚀材料表面发生化学反应，并形成挥发性的反应生 成物脱离被刻蚀物质表面，被真空系统抽出腔体。工艺参数：cF4流量200 SCCM、。2流量20 SCCM、叫流量20SCCM、刻蚀时间15min、射频功率750W。第五步 镀减反射膜。等离子体样品加热基座+接抽气机吒体入口气休入口被绝缘的射频输入/半导体晶

9、片图 5 平板式 PECVD 反应器结构示意图抛光硅表面的反射率为35%，为了减少表面反射，提高电池转换 效率，需要沉积一层氮化硅减反射膜。在太阳电池表面沉积深蓝色减 反射膜 SiNx 膜，其还具有卓越的抗氧化和绝缘性能，同时具有良好x的阻挡钠离子、掩蔽金属和水蒸气扩散的能力；它的化学稳定性也很好，除氢氟酸和热磷酸能缓慢腐蚀外，其他酸与它基本不反应。现在工业生产中常采用PECVD设备制备减反射膜，PECVD即等离子增强型化学气相沉积。它的技术原理是利用低温等离子体作为能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体SiH4和NH3，气体经 4

10、3一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜即氮化硅 薄膜。图5所示为工艺中使用的平板式PECVD反应器示意图。反应器 中电极有两块直径660mm间隔50mm的平行金属圆板构成。上电 极经匹配网络与lkw, 50kHz的高频电源相接，下电极接地并作为衬 底基底。为改善沉积膜厚度均匀性，下电极由磁性旋转机构驱动旋转。 反应气体通过旋转轴的中心孔进入扁圆的反应腔，沿径向流向四周后 由底部的四根排气管抽走。实验所用的工艺参数为：SiH流量6sccm, NH流量60sccm,射 43频功率380W，时间24min。镀完后的硅片呈深蓝色，如图6 所示。图 6 镀完减反射膜后的硅片第六步 丝网印

11、刷。银铝浆、铝浆图7丝网印刷过程示意图太阳电池经过制绒、扩散及PECVD等工序后，已经制成PN结， 可以在光照下产生电流，为了将产生的电流导出，需要在电池表面上 制作正、负两个电极。制造电极的方法很多，而丝网印刷是目前制作 太阳电池最普遍的一种生产工艺。如图 7所示，丝网印刷是采用压印的方式将预定的图形印刷在基 板上，该设备由电池背面银铝浆印刷、电池背面铝浆印刷和电池正面 银浆印刷三部分组成。其工作原理为：利用丝网图形部分网孔透过浆料，用刮刀在丝网 的浆料部位施加一定压力，同时朝丝网另一端移动。浆料在移动中被 刮刀从图形部分的网孔中挤压到基片上。由于浆料的粘性作用使印迹 固着在一定范围内，印刷

12、中刮板始终与丝网印版和基片呈线性接触， 接触线随刮刀移动而移动，从而完成印刷形成。具体工艺：1、电池背面（正极），银浆印刷，作用引导电流。2、电池背面（铝脊场），铝浆印刷，作用反射层，通过应力吸收 杂质。3、电池正面（负极），银浆印刷，作用收集光生载流子。4、烘干。分成若干温区，180200C,浆料中有机物挥发；250C 以上，燃烧有机物。第七步 烧结。经过丝网印刷后的硅片，不能直接使用，需要烧结炉快速烧结， 将有机树脂粘合剂燃烧掉，剩下几乎纯粹的、由于玻璃质作用而密合 在硅片上的银电极。当银电极和晶体硅在温度达到共晶温度时，晶体 硅原子以一定的比例融入到熔融的银电极材料中去，从而形成上下电

13、极的欧姆接触，提高电池片的开路电压和填充因子两个关键参数，使 其具有电阻特性，以提高电池片的转换效率。烧结过程：1、预烧结。一、二温区，目的是使浆料中的高分子粘合剂分解 燃烧掉，此阶段温度慢慢上升。2、Al烧结。三、四温区，温度577C左右，铝和硅共晶，形成 电阻膜结构，使其真正具有电阻特性。3、Ag烧结。五、六温区，温度790800C，银和硅发生反应，形成电阻膜结构，使其具有电阻特性，该阶段温度达到峰值。4、降温冷却。七、八温区，玻璃冷却硬化并凝固，使电阻膜结 构固定地粘附于基片上。四、实践体会与心得在硅片清洗和表面制绒中，了解到绒面除了能使入射光多次反射 从而达到增加电池表面的光吸收外，另

14、一个特点是光射入硅中的角度 确保光线在靠近电池表面的地方被吸收，这将增加电池对光的收集 率，特别是对于较弱的波长部分。绒面电池的缺点是使电池吸收的红 外线增加，而这种光不能产生载流子，只能使电池的温度升高。此外， 由于表面腐蚀成绒面，加大了电池的表面积，经绒面的多次反射，使 入射光在电池表面分布不均，这些都会对电池的开路电压有影响。通过扩散制结，进一步了解了扩散的机制。扩散的机制大致可分 为间隙机制、空位机制和环形机制。间隙机制。当某原子从一个间隙位置转移到另一个间隙位置而没 有引起基质晶格的永久性畸变，我们就可以说该原子是借助于间隙机 制进行了扩散。如图中所示间隙原子要从位置1 移动到位置2

15、，基质图 8 扩散机制示意图晶格的原子3和4 必先移动分开到足够让原子1 通过。这种局部地暂 时的畸变构成了一个填隙原子改变位置的势垒。在杂质原子的半径比 基质原子的半径小得多时，往往采用间隙机制来进行扩散。当填隙原 子半径逐渐地和基质原子一样大时，跃迁引起的局部畸变过大，就会被另外的机制所取代。空位机制。某个占有正常格点位置的原子跃迁到邻近的空位上，图 9 空位机制示意图这个原子就可以说是空位机制的扩散。空位机制的扩散也要克服一定 的势垒。空位机制要求的畸变能并不大，这种机制目前是在各种离子 化合物和氧化物及合金中占有支配地位。环形机制。两个最邻近的原子进行简单的位置变换而进行扩散的机制在

16、1930 年提出，由于这种位置交换可能引起较大的局部，并没有被大多数人接受。到1950年，Zener指出，如果3到4个原子作 为一组进行旋转，这样引起的局部畸变将比简单的两个原子的位置交 换要小。人们把这种利用一组原子旋转来进行的扩散称作环形扩散机 制。本次扩散制结的机制为间隙机制。通过镀减反射膜工艺，了解到半导体薄膜制备有多种方法：外延 法、CVD法、辉光放电淀积、蒸发与溅射和溶胶凝胶法。根据向衬底表面输送外延原子的方式，半导体薄膜层的外延生长 分为气相外延、液相外延固相外延以及分子束外延和离子团束外延 等。气相外延利用化合物气体在适当高的温度下通过热解或置换等化 学反应产生晶体生长所需要的

17、物质源。液相外延是将衬底晶片浸没在 外延材料的低温饱和溶液中生长单晶薄层的一种薄膜生长方法，在需 要避免使用高温条件时特别有用。固相外延，顾名思义，生长源应该 是固体，而且不经过固液相变或固气相变，直接或通过同样也是固体 的中间介质向生长界面输运生长物质。分子束外延是在超高真空中通 过分子束(含原子束，下同)将生长物质输运到衬底表面生长单晶薄 层的一种晶体外延方法。CVD法按淀积时气压的高低，热CVD有常压CVD和低压CVD(LPCVD) 之分；按加热方式，有热壁CVD (HWCVD)和冷壁CVD(CWCVD)之分； 此外还有光CVD、等离子体增强CVD(PECVD)和金属有机物CVD(MOC

18、VD) 等。辉光放电淀积是利用稀薄气体在电场中发生的等离子体反应，在 低温衬底上淀积固体薄膜的一种材料制备方法，又称等离子体淀积或 等离子体 CVD。蒸发法通常用电阻加热法或电子束加热法在低气压条件下使淀 积物从固态源蒸发出来，在真空中膨胀并最后冷凝在衬底上。溅射法 是利用气体辉光放电过程中产生的阳离子与源材料靶的表面原子之 间的动量交换，把物质从源材料靶上转移到衬底上，实现薄膜的淀积。溶胶-凝胶法的原理和过程：首先将金属醇盐或无机盐类的原料 通过水解、缩合反应在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，然后将其均 匀地涂覆于衬底表面，经干燥、焙烧使溶剂蒸发，同时使溶胶中的胶 粒缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶薄膜。通过这个工艺流程，我直观的了解到了半导体制造技术，我的第 一印象是神奇，通过一步步工艺，最后制作出来的太阳电池真的可以 工作，真的有电流，觉得非常神奇。每一步工艺都亲身参与其中也锻 炼了我的动手能力。总的来说收获挺多的。