半导体制造技术实践总结 - 图文

半导体制造技术实践总结报告

姓 名： 学 号： 学 科： 学 院： 导 师 姓 名： 指 导 教 师：

2014 年 春季 学期

一、实践目的

通过生产实习学习半导体器件与集成电路相关制造工艺原理，掌握半导体工艺设备的结构原理、操作方法和半导体制造工艺技术以及工艺过程测试与分析方法，并学以致用、理论联系实际，巩固和理解所学的理论知识。同时了解半导体器件和集成电路的新工艺和新技术，积累实践知识，拓宽专业知识面，为器件和集成电路的设计与制造奠定基础。另外，培养在实际生产过程中发现问题、分析问题、解决问题和独立工作的能力，增强综合实践能力，建立劳动观念、实践观念和创新意识，树立实事求是、严肃认真的科学态度，提高综合素质。同时生产实践也是了解本专业发展现状、把握科技前沿脉搏和半导体相关专业理论知识在生产实际中应用状况的重要课堂，开阔专业视野，拓宽专业知识面。从而巩固专业思想，明确努力方向。

二、实践安排

2014-7-7~2014-7-8 2014-7-9~2014-7-10 2014-7-10~2014-7-11 2014-7-12~2014-7-13 2014-7-14 硅片清洗和表面制绒 扩散制结 去磷硅玻璃、等离子刻蚀 镀减反射膜 丝网印刷、烧结 三、实践过程和具体内容

学习太阳能电池板的制作过程来了解各个工艺步骤，帮助巩固所学理论知识，初步了解半导体器件的生产实际，提高知识应用和实际动手能力。

1、 太阳能电池工作原理

太阳能电池板是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置，大部分太阳能电池板的主要材料为“硅”。 太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅， 非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原

理基本相同，现以晶体硅为例描述光发电过程。 P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结。

当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。

一、太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

（1） 光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍。一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500美元。因此，适用小规模特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。

（2） 光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的

图3-1 太阳能电池板成品

制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电转换效应。

图3-2 太阳能电池板的工作原理

图3-2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。 太阳电池板分类主要有以下几种：

晶体硅电池板：多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池。 非晶硅电池板：薄膜太阳能电池、有机太阳能电池。 化学染料电池板：染料敏化太阳能电池。

柔性太阳能电池

图3-3 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3-4 绒面

单晶硅绒面的制备是利用硅的各向异性腐蚀，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，

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，基质晶格的原子3和4必先移动分开到足够让原子1通过。

图8 扩散机制示意图

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，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。

图9 空位机制示意图

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

图10 环形机制示意图

机制在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（MOCVD）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原材料靶的表面原子之间的动量交换，把物质从原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。

实习期间在实践中学到了很多平时学不到的东西，接触了从没有过的机器，认识了理论和实践的差距，这会更好的帮助我们讲理论和实践相结合起来，培养了自己独立思考的能力和动手能力，培养了专业技能，懂得了日常事务和一些工作流程。学会了用各种手段解决实际纯在的问题，并且掌握了一门生存技能，发现问题后能独立判断是什么原因导致的，并且快速的制定一些改进措施，能够时刻保持清晰的头脑，清楚的理智的判断，能从多个方面做切入点，更深层次的分析问题。

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