冶金与半导体材料的关系

冶金与半导体材料的关系是冶金可以提升半导体光电转换特性。在半导体元素提取领域，采用光电化学沉积的方法进行半导体元素的电化学冶金提取，即在半导体元素电沉积提取过程中，对阴极表面施加光照，以促进阴极还原反应的进行，并强化沉积过程，在电沉积提取半导体元素过程中，一旦沉积开始进行，电极上就会生成一层半导体膜覆盖在原始基底表面，电化学反应发生场所由导体/电解液界面，转变为半导体/电解液界面。当光照射至电极表面时，半导体本身和半导体/电解液界面的性质会发生显著变化，使得电沉积过程与传统工作状态相比产生明显差异，从而提高沉积效果，结合半导体特性以及光电化学基本理论，光电化学沉积提取半导体元素具备一系列优势，半导体元素的导电性差，是其电沉积技术存在各种问题的根本原因，而光电化学技术利用半导体元素的光电导效应，也就是当半导体吸收能量大于带隙宽度的光子以后产生光生电子空穴对，使载流子浓度的上升，使其电导率增加，这就为解决半导体元素电沉积过程中半导体导电性差带来的系列问题提供了有效途径，从而起到了全面强化电沉积效果的作用。

（1）

硅的主要来源是石英砂（二氧化硅），硅元素和氧元素通过共价键连接在一起。因此需要将氧元素从二氧化硅中分离出来，换句话说就是要将硅还原出来，采用的方法是将二氧化硅和碳元素（可以用煤、焦炭和木屑等）一起在电弧炉中加热至2100°C左右，这时碳就会将硅还原出来。化学反应方程式为：SiO2 (s) + 2C (s) = Si (s) + 2CO (g)（吸热）

（2）

上一步骤中得到的硅中仍有大约2%的杂质，称为冶金级硅，其纯度与半导体工业要求的相差甚远，因此还需要进一步提纯。方法则是在流化床反应器中混合冶金级硅和氯化氢气体，最后得到沸点仅有31°C的三氯化硅。化学反应方程式为：Si (s) + 3HCl (g) = SiHCl3 (g) + H2 (g)（放热）

(3）

随后将三氯化硅和氢气的混合物蒸馏后再和加热到1100°C的硅棒一起通过气相沉积反应炉中，从而除去氢气，同时析出固态的硅，击碎后便成为块状多晶硅。这样就可以得到纯度为99.9999999%的硅，换句话说，也就是平均十亿个硅原子中才有一个杂质原子。

（4）

进行到目前为止，半导体硅晶体对于芯片制造来说还是太小，因此需要把块状多晶硅放入坩埚内加热到1440°C以再次熔化 。为了防止硅在高温下被氧化，坩埚会被抽成真空并注入惰性气体氩气。之后用纯度99.7%的钨丝悬挂硅晶种探入熔融硅中，晶体成长时，以2~20转/分钟的转速及3~10毫米/分钟的速率缓慢从熔液中拉出：

探入晶体“种子”

长出了所谓的“肩部”

长出了所谓的“身体”

这样一段时间之后就会得到一根纯度极高的硅晶棒，理论上最大直径可达45厘米，最大长度为3米。

以上所简述的硅晶棒制造方法被称为切克劳斯法（Czochralski process，也称为柴氏长晶法），此种方法因成本较低而被广泛采用，除此之外，还有V-布里奇曼法（Vertikalern Bridgman process）和浮动区法（floating zone process）都可以用来制造单晶硅。

对于功率半导体器件，芯片焊接材料必须在这些器件工作的较高温度下能够保持可靠焊接，同时为工作中的器件提供一个高导热的散热路径。如果芯片粘接材料能够承受比高铅焊料更高的工作温度，这将意味着它在宽禁带半导体器件如SiC功率二极管和晶体管应用中会有优势。由于更高的热导率、更高的击穿电压和更高的饱和载流子速度，SiC器件的功率密度可以实现大幅度增长。更宽禁带的SiC允许更高的结温，而不影响性能[1]。高铅焊料的传统冶金替代品如金锡共晶合金，有较高的作业温度，超过了半导体可以容忍的性能不退化温度；另一种替代品为填银的环氧树脂，但是这种环氧树脂又存在热导率不够的问题，不能保持芯片以最高效率工作所需的温度[1,2]。纳米颗粒具有较高的表面活性，这意味着将会有比块状银熔点961.8 ℃更低的熔点（图1），例如2.4 nm银子熔点为350 ℃[3]。这样的粒子外层在较低的温度下有类似于熔融状态的移动性，使它们在远低于传统的银粉烧结所需温度下，通过润湿和扩散彼此结合或与其他兼容材料相结合。虽然烧结过程中施加外部压力增加了粒子的接触面积，但是在纳米银粒子烧结中这并不是必须的。即使温度低于回流高铅焊料的温度，银表面的移动原子所产生的毛细管作用力也足以保证相邻粒子接触的润湿力。由于银比焊料具有更高的强度，实现本应用中所需的强度不要求高密度银。事实上，多孔结构较低的d性模量有利于减小热循环过程中由于热膨胀系数差异产生的芯片应力。当正确配制时，基于纳米银粒子的焊膏可在高铅焊料所要求的类似温度和更低的温度范围内形成可靠焊点。纳米银将高活性的纳米银粒子递送到焊接区域，并使其结合形成一个满足电气和热导率要求的结构强健的焊点，还是有许多挑战的。

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