纳米集成电路用大直径硅与硅基材料的研究进展

本文阐述了大直径硅单晶的生长、杂质缺陷行为、表面质量控制及硅基材料的研究现状；讨论了应变硅与绝缘体上硅（SOI）相结合的发展趋势；展望了纳米集成电路用大直径硅及硅基材料的技术经济前景。     

纳米集成电路用大直径硅及硅基材料研究进展

本文叙述了大直径硅单晶生长、杂质缺陷行为、表面质量控制及硅基材料的研究现状,讨论了应变硅与绝缘体上硅(SOI)相结合的发展趋势,展望了纳米集成电路用大直径硅及硅基材料的技术经济前景.     

深亚微米集成电路用硅单晶材料

由于经济和技术的发展,深亚微米集成电路要求硅单晶材料向大直径和无（少）缺陷方向发展。综述了深亚微米集成电路用硅单晶材料的研究和发展,指出对于已开始应用的300毫米硅单晶而言,磁场拉晶、计算机模拟、线切割、双面抛光等工艺成为大直径硅单晶研制的重要特征;利用晶体生长速率和固液界面的温度梯度的设计,硅单晶中的自间隙硅原子、空位以及相关的微缺陷可以被控制;通过快速热处理,引入和控制空位,进而控制氧沉淀的新型内吸杂技术,可以制备高质量的表面清洁区;利用氮杂质掺杂,可以抑制硅单晶中VOID缺陷和增加硅片的机械强度。最后,还讨论了硅单晶材料的今后的研究方向和趋势。     

硅基发光材料研究进展

硅基发光材料是光电子集成的基础材料。发光多孔硅是硅基发光材料的一个新进展，已实现了硅基光电子集成。随着多孔硅研究的深化和纳米科学的发展，硅基发光材料正向纳米方向开拓，与此同时，在新的理论认识与技术条件下，硅材料改性，杂质发光，缺陷工程和硅然异质外延也呈现出新的发展趋势。     

硅基光致发光膜:(Zn2SiO4/Si):Tb/Mn的制备

利用溶胶-凝胶涂膜技术及高温固相反应技术,在硅片表面生长了掺铽和锰的两种高效硅基光致发光膜.XRD和吸收光谱分析测试结果表明,当固相反应温度高于850℃时,在硅片表面形成了晶态的Zn2SiO4薄膜.荧光光谱实验结果表明这种利用高温固相反应生成的掺铽或掺锰的Zn2SiO4薄膜的发光强度高,余辉为10ms数量级.本方法制备的硅基发光膜热稳定性及化学稳定性好,有希望与硅集成电路工艺兼容.     

具有“荷叶效应”的硅基仿生表面的制备及其微摩擦性能

用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)观测了荷叶表面的双微观结构,即特征尺度在10μm左右的微米乳突和直径为50～100 nm的纳米蜡质晶体.提出了制备具有"荷叶效应"的硅基仿生表面的两种方法,一是将表面制有特征尺度为100 nm左右纳米结构的硅片进行硅烷化疏水处理,仅制作了纳米结构,部分模拟了"荷叶效应;"另一种方法是将表面制有特征尺度为10μm左右微米结构的硅片进行烷基烯酮二聚体(AKD)化处理,该方法获得了具有双微观结构的仿生表面,比较完整地模拟了"荷叶效应."微摩擦性能测试结果表明光滑硅片微观摩擦系数为0.08～0.10,而具有120 nm～25μm微结构的硅片微观摩擦系数为0.04～0.07;具有特征尺度为200 nm线条阵列的粗糙区平均黏附力与光滑区平均黏附力之比为0.59.硅基仿生表面有利于降低摩擦系数和减小黏附,"荷叶效应"对于微机电系统(micro electro mechanical system,MEMS)防黏减摩具有一定的潜在应用价值.     

多孔硅表面氧化钒热敏电阻薄膜的阻温特性

用电化学腐蚀法制备了具有不同导热系数的多孔硅样品(孔隙率为80％±2、厚度为110μm时,导热系数可降低至0．20 W／m·K),并在其表面沉积了氧化钒热敏薄膜,研究了多孔硅样品的热绝缘性能对氧化钒热敏薄膜阻温特性的影响．结果表明:多孔硅良好的热绝缘性使在其表面制备的氧化钒热敏薄膜电阻的灵敏度远高于在硅基底上制备的热敏电阻的(多孔硅和硅片上的氧化钒薄膜电阻随功率变化斜率分别为120 kΩ／μW和2．1 kΩ／μW),且热敏电阻的灵敏度随着多孔硅孔隙率和厚度的增大而升高．     

纳米CeO2颗粒的制备及其对硅晶片（100）和（111）的抛光性能

以硝酸铈和六亚甲基四胺为原料,在微波辐射条件下,使用乙醇/水反应体系,通过均相沉淀法制备了纳米CeO2颗粒,利用X射线衍射仪（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、傅里叶转换红外光谱仪（FT-IR）和比表面积测定仪（BET-N2）等手段对样品的成分、物相结构、形貌、颗粒大小以及团聚情况进行了表征.将所制备的纳米CeO2颗粒作为磨料用于硅晶片（100）和（111）的化学机械抛光,用原子力显微镜（AFM）观察抛光表面的微观形貌,测量表面粗糙度,并对抛光表面划痕进行了分析.结果表明,微波辐射以及乙醇/水反应体系均有利于制备出粒径更小、分散性更好的纳米CeO2颗粒,而且微波辐射能够显著加快反应速度;经纳米CeO2磨料抛光的硅晶片（100）和（111）表面非常平整,在2μm×2μm范围内的粗糙度Ra值分别为0.275 nm和0.110 nm,获得了具有亚纳米量级粗糙度的抛光表面.     

硅块红外探伤检测方法研究

在光伏产、监中,多晶硅锭是产业链的前端,是生产硅片的原料,然而在生产过程中,硅锭中不可避免的会出现裂缝、杂质、黑点、阴影、微晶等缺陷,这些缺陷在硅锭开方成硅块后不能进行切片,需要提前切除,所以进行检测非常必要。本文主要对抛光硅块和非抛光硅块在硅块检测时,对缺陷的检测效果作出对比,并得出相关结论。     

廉价、低品位硅可使太阳能电池成本降低

加里弗尼亚大学伯克利分校开发出一个使低品位硅中缺陷减少的新工艺，此项成果可使太阳能电池成本降低。目前，全世界近90％的太阳能电池是用与集成电路使用的高纯硅相同的材料制造的。大量的、廉价的低级硅，由于含有许多杂质和缺陷，而不适于制造太阳能电池。提纯工艺成本昂贵，低级硅虽然便宜却又不适应用。     

Monocrystalline silicon used for integrated circuits: still on the way

With the rapid development of semiconductor technology, highly integrated circuits (ICs) and future nano-scale devices require large diameter and defect-free monocrystalline silicon wafers. The ongoing innovation from silicon materials is one of the driving forces in future micro and nano-technologies. In this work, the recent developments in the controlling of large diameter silicon crystal growth processes, the improvement of material features by co-doping with the intend-introduced impurities, and the progress of defect engineered silicon wafers (epitaxial silicon wafer, strained silicon, silicon on insulator) are reviewed. It is proposed that the silicon manufacturing infrastructure could still meet the increasingly stringent requirements arising from ULSI circuits and will expand Moore’s law into a couple of decades.     

Monocrystalline silicon used for integrated circuits: still on the way

With the rapid development of semiconductor technology, highly integrated circuits (ICs) and future nano-scale devices require large diameter and defect-free monocrystalline silicon wafers. The ongoing innovation from silicon materials is one of the driving forces in future micro and nano-technologies. In this work, the recent developments in the controlling of large diameter silicon crystal growth processes, the improvement of material features by co-doping with the intend-introduced impurities, and the progress of defect engineered silicon wafers (epitaxial silicon wafer, strained silicon, silicon on insulator) are reviewed. It is proposed that the silicon manufacturing infrastructure could still meet the increasingly stringent requirements arising from ULSI circuits and will expand Moore’s law into a couple of decades.     

Bidirectional Reflectance Distribution Function of Rough Silicon Wafers

The trend towards miniaturization of patterning features in integrated circuits (IC) has made traditional batch furnaces inadequate for many processes. Rapid thermal processing (RTP) of silicon wafers has become more popular in recent years for IC manufacturing. Light-pipe radiation thermometry is the method of choice for real-time temperature monitoring in RTP. However, the radiation environment can greatly affect the signal reaching the radiometer. The bidirectional reflectance distribution function (BRDF) of rough silicon wafers is needed for the prediction of the reflected radiation that reaches the radiometer and for reflective RTP furnace design. This paper presents the BRDF measurement results for several processing wafers in the wavelength range from 400 to 1100 nm with the spectral tri-function automated reference reflectometer (STARR) at the National Institute of Standards and Technology (NIST). The rms roughness of these samples ranges from 1 nm to 1 m, as measured with an optical interferometric microscope. Correlations between the BRDF and surface parameters are obtained using different models by comparing theoretical predictions with experiments.     

太阳电池铸造多晶硅材料的结构缺陷及其控制

铸造多晶硅具有高的性价比,已成为主要的光伏材料,其晶体内的结构缺陷显著影响太阳电池的转换效率。综述了传统铸造多晶硅太阳电池材料和新型黑硅太阳电池材料的研究进展,同时阐述了控制多晶硅中的杂质、晶界、位错的途径及方法。     

超大规模集成电路硅片的内吸杂

介绍了吸杂的分类与效果以及内吸杂工艺，并综述了金属在硅中的性质，主要阐明了乳在内吸杂中的作用，简述了氮对吸杂的影响，并讨论了内吸杂的物理机理。最后探讨了今后吸杂的发展方向。     

硅晶体缺陷发光及应用

信息技术的发展要求在集成电路内部用光子代替电子来传导信息,这就使得硅基光源成为技术发展的方向和光电子集成的关键,是当前急需解决的科学挑战之一.硅晶体缺陷发光是十分重要的硅基发光现象,已引起广泛的关注.在硅基位错发光原理的基础上,综述了硅晶体中缺陷的光致发光和电致发光的研究进展,以及硅晶体缺陷在发光器件方面的应用.     

太阳能级硅中轻质元素(C,N,O)研究进展

C,N,O等轻质元素的存在对太阳能级晶体硅材料的性能有着广泛影响,而硅材料作为太阳能电池的主要原材料,其纯度对电池的电学性能有着决定性作用。本文总结了晶体硅中C,N,O元素的存在形态、分布规律、形成机制及工艺控制等的研究进展,并对未来硅中轻质元素的研究进行了展望,使用各种提纯工艺的优势交叉互补来控制及去除硅中的杂质值得研究及关注,对硅中C,N,O元素的交互作用的深入研究也将会对硅材料质量的提高有着积极作用。     

Direct Microrolling Processing on a Silicon Wafer

Although, varieties of micro‐ to nanoscale fabrication technologies have been invented and refined for silicon (Si) processing because Si is the basic material of integrated circuits, the layouts are based on layer‐by‐layer approaches, making it difficult to realize three‐dimensional (3D) structures with complicated shapes normal to the planar surface (along the out‐of‐plane direction) of the wafers used. Here, a novel and direct Si‐processing technology that enables to bend thin layers of Si surfaces into various 3D curved structures at the micrometer scale is introduced. This bending is achieved by porosifying a Si wafer surface using anodic oxidation and then performing conventional photolithography patterning and wet etching. The porosity gradient in the depth direction gives rise to a stress‐internalized layer in which self‐rolling action is induced via subsequent patterning and wet etching. A subsequent oxidation process further enhances the curvature deformation, leading to the formation of tubes, for example. The rolling directions can be controlled by 2D patterning of the porous Si layer, which is explained well from a structural dynamics perspective. This technology has a wide range of capabilities for realizing 3D structures on Si substrates, enabling new design possibilities for Si‐based on‐chip devices.     

定向凝固法多晶硅杂质控制数值模拟概述

在传统能源日渐消耗及可再生能源开发利用日趋受到重视的形势下,太阳能光伏发电逐渐成为最具潜力的可再生能源技术之一。多晶硅凭借高效率、低成本的优势成为最主要的光伏材料,其铸锭的品质和成本将直接影响太阳能电池的成本和光电转换效率。定向凝固法是制备多晶硅铸锭的重要方法,该方法晶硅生长过程中存在很多问题,包括熔体流动、杂质传输、固液界面的形状和结构以及缺陷。定向凝固过程中引入的有害杂质严重影响晶硅的机械和电学性能,是限制多晶硅光电转换效率的关键因素。长晶过程中定向凝固炉处于高温环境中,内部的传热传质极其复杂,不具备单一的线性关系和可推断性,且难于进行实验测量,因而数值模拟是研究定向凝固过程中传热传质现象的重要方式。降低长晶过程中杂质的含量可从两方面入手:(1)杂质的来源——原材料本身所携带的杂质和长晶过程中生成的杂质;(2)杂质的输运——找到杂质在熔体和氩气中的输运规律,并利用该规律控制杂质的分凝与输运。近年来,从控制杂质产生和输运的角度考虑,国内外对降低多晶硅中有害杂质的研究主要采用以下手段:(1)控制杂质产生,包括减缓坩埚与挡板之间的化学反应、优化顶部坩埚盖板、增设碳化硅涂层等;(2)优化氩气流动,例如使用导流系统、调整炉膛压力和氩气流量;(3)优化熔体对流形式,包括控制熔体流动方式及分凝、调整加热器功率大小及其排布、采用可旋转坩埚和调整石墨碳毡位置等。为进一步降低定向凝固法多晶硅铸锭成本,坩埚尺寸和投料量不断增大,熔体对流、杂质输运和界面形状也更加难于控制,外加磁场则成为控制熔体对流的一种强有力工具,并能进一步控制杂质输运。目前利用外加磁场控制定向凝固法多晶硅杂质的研究仍刚刚起步,具有很大的研究价值,其中电磁场(EMF)和行波磁场(TMF)在控制搅拌熔体对流方面具有巨大潜力,逐渐被用于多晶硅长晶过程。本文在深入分析杂质来源和输运机理的基础上,综述了国内外对多晶硅定向凝固过程中有害杂质的产生、分布、输运以及排出等问题的研究现状,总结了数值模拟中氩气导流系统、加热器以及外加磁场等因素对杂质的影响。