硅的历史 1、 锗的研究
1947年末巴丁(bardeen)和巴拉顿(brattain)证明在锗中存在二极管效应,随后晶体生长、提纯和掺杂工艺在20世纪40、50年代被发展起来,另外,对硅等其他半导体材料的兴趣渐有增长。但由于当时的条件无法提取出高纯硅,在20世纪40年代硅的半导体性质仍然被怀疑。1949年皮尔森(Pearson)和巴丁(bardeen)给出了硅半导体特性的证据。但由于所用的样品不是单晶,因此比锗的半导体性能低3倍,仅有一小部分研究者投入到硅及其晶体生长的研究中。
于此同时,微波的重要性不断提高,部分基于多晶硅的各种半导体探测器由于尺寸小、截止频率高,在微波应用方面取代了微波管。硅开始进军通讯技术。另外锗有80度热应力的限制,在产热量提高的情况下变得不适合做半导体材料。
但是20世纪50年代早期工业界,硅离作为一种半导体材料的普遍应用还很远。 2、硅的研究小组
从20世纪50年代开始,关于硅的研究小组主要有:贝尔实验室的G.K.迪尔(Teal)小组(1952年去德州仪器),主要研究硅单晶的生长;西门子集团的W.Heywang小组。西门子想再重要的新兴的半导体物理和技术领域展开竞争,而且拥有一定的研发优势:已拥有自己的整流器制造设备,有晶体管生产设施;西门子与豪斯科(Halske)材料研究实验室1951年开始主要从事硅的纯化,制出高纯度硅。在普莱茨菲尔德(Pretzfeld)的E.斯潘科(E.Spenke)领导下仍然在从事硒研究的功率整流器实验室,也加入到硅的工作中。 3、 硅的大规模生产
1)垂直区熔法:1952年贝尔实验室斯尤尔(,降低杂质含量,需要开展不同西门子小组之间的紧密合作,另一方面开展与化学供应商瓦克的合作。经过若干技术改进、适用于大规模生产,可以制造直径为几个厘米,长度超过1m的硅棒。然而由于垂直区熔自身在物理上得局限,致使这些棒的直径受到制约。
2)经典坩埚提拉法:由于对更大直径硅晶片持续增长的需求,垂直区熔法被根据切克劳斯基(czochralski)法设计的经典坩埚提拉法取代,该方法在美国被广泛使用。 4、硅的器件应用
西门子-舒克特,斯潘科和他得小组为了在高功率整流器中的商业应用不懈地致力于硅的研发和技术提高以取代老得硒技术。这种新方法,包括器件技术,在1956年为应用做好了准备,并首先用于西门子机车中的功率整流器。整个国际西门子功率电子市场给这些整流器的应用提供了空间。西门子不追逐在硅市场垄断的政策,而是给全部高纯硅的制造过程颁发许可,不仅颁给德国瓦克,也颁给其他主要位于美国和日本的化学公司。这些许可协议也包括合作,以便进一步的改进能够被交换,以及发展国际范围的合作。
1957年基尔比(Killby)搭建了第一批功能化的集成电路。1960年贝尔实验室的康(Kahng)和艾塔拉(Atalla)首次研制出MOS晶体管。这两项发明为硅集成电路在信息技术中用用所必要地大规模市场开辟了道路。 5、 硅工业的发展
大规模工业生产高品质单晶硅对于计算机通讯系统、传感器、医疗设备、光伏器件、卫星、宇宙飞船等都有重大影响,美国的贝尔实验室、德州仪器公司、欧洲的菲利普、西门子和瓦克等全球大公司抓住了机遇成为初期的硅生产厂家。20世纪50年代开发的西门子c制程包括有高品质的单晶硅、多熔区区域提纯硅和悬浮区熔硅(FZ)等关键技术,这些技术后被瓦克公司采用,FZ硅片最初主要是用于功率器件。切克劳斯基直拉工艺是另一种硅生产技术,CZ硅片用于德州仪器和仙童公司设计的集成电路。
1970年前后,多晶硅在MOS工艺中的首次应用是MOS技术的一次关键突破,因为他利
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用了多晶硅的主要优势,从那时起,由于多晶硅的诸多性质如雨硅技术中所使用的其他材料的兼容性,超过1000度的温度稳定性,易于掺杂和氧化以及能够产生等角台阶覆盖,多晶硅已被用于各种类型器件的制作中。
1970-1976年,采用冷壁大气压反应炉进行多晶硅沉积,硅栅PMOS和NMOS集成电路成为20世纪70年代早期半导体市场的主角。1976年,低压化学气相沉积工艺被用于沉积多晶硅薄膜,从那时起 lpcvd系统一直是用于集成电路多晶硅沉积的主要手段。
随着光伏产业的发展,由铸锭多晶硅生产的太阳电池被认为是成本低、生产效率高而且转换效率损失不太大的唯一现存工艺。铸锭技术必须用便宜的原材料,因为在切片过程中将损失60%原材料。由于上述原因,光伏产业一直在使用微电子工业的不合格材料,目前光伏市场的增长比微电子市场快,原材料的成本翻了3倍,其结果是硅原材料称为最严重的问题。
1975年,瓦克公司为替代传统的直拉技术生产廉价太阳电池衬底材料提出了一种新的称为铸锭工艺的方法,随后世界上众多研究小组和公司开发了其他许多铸锭工艺技术,例如Solarex(UCP)、Crystal-System(HEM)、CGE/photowatt(Polix)、IBM(DS)、NEC/OTC(NMR)Eurosolare、Cystalox、Bayer。
1981-1985年间,OTC和SERI开发了一种感应加热的冷坩埚铸锭技术。由住友SiTiX公司(前OTC)、EMP-Madylam和Photowatt一起开发的垂直连续拉制方法由EMIX SA使用。
1975年有三家公司同时首次生产出硅带材料Westinghouse的dendritic WEB技术称为“web”带硅工艺,ASE-Americas(前MobilTyco/Mobil-Solar)公司使用两个石墨模片的边缘限制生产工艺称为EFG工艺,Motorola采用激光熔化的带晶体生长工艺称为RTR工艺,法国cge公司开发了一种在炭片上沉积双面膜的RAD工艺。硅带技术正在迅速发展。 6、 硅工业的扩散
随着半导体和光伏产业的迅速发展,对硅的需求大量增加,硅工业也逐渐扩散到世界各地,包括全球性公司如瓦克公司等地全球扩张和其他发展中国家硅工业的发展。
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硅材料的历史
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