传感器制造中常见的半导体材料及应用概览-PART.1

硅是对人类最有用的元素之一，因为绝大多数半导体器件都是以硅为基础制成的。目前，相较其他传感器材料而言，硅它可以制成更大的晶圆，具有更好的价格优势同时具有非常好的均匀性。因此该材料在许多不同等级(特别是工业级)的市场上广泛销售。

硅作为一种轻质的半导体材料，目前被广泛用作成像传感器材料，它可用于低能辐射成像和粒子追迹。在20 keV以下的X射线成像和200 keV以下的电子成像中，硅具有良好的吸收效率。目前硅传感器已广泛应用于电子显微镜、元素分析、空间辐射计量学、X射线谱学、X射线衍射等领域。

硅传感器通常能用于广泛的能量范围，从低能应用到高能应用。对特定能量范围和辐射类型的适用性取决于所选的硅材料、设计、工艺和厚度。以下是一些使用硅传感器的典型能量范围和应用：

● 低能电子：硅传感器可以有效检测和测量能量范围从5 keV到200 keV 的电子。这包括透射电子显微镜 (TEM)、扫描电子显微镜 (SEM) 和电子能量损失谱 (EELS) 等应用。

● 中能粒子：硅传感器也用于中能范围内的加速粒子检测，通常在兆电子伏 (MeV) 范围内。硅传感器用于放射治疗、核医学和放射性物质环境监测等应用中的辐射剂量检测和测量。

● 高能粒子：硅传感器用于高能物理实验，例如粒子对撞机和宇宙射线实验，这些实验中探测的粒子能量范围从数十亿电子伏特 (GeV) 到数万亿电子伏特 (TeV)。硅传感器能够跟踪和测量这些实验中产生的高能粒子。

按质量计算，硅是宇宙中第八大常见元素，但很少以纯元素形式存在于地壳中。地壳的 90% 以上由硅酸盐矿物组成，使硅成为地壳中含量第二丰富的元素（按质量计算约占 28%），仅次于氧。任何半导体级硅的基本成分都是从沙子中提取的。

硅材料在地壳中含量丰富，主要是一种由约 25% 至 50% 的二氧化硅组成的化合物。大多数生产的单质硅仍为硅铁合金，只有约 20% 被提炼至冶金级纯度。全球约 15% 的冶金级硅被进一步提炼至半导体纯度。这通常是“九九”或 99.9999999% 纯度、几乎无缺陷的单晶材料。可以说很难找到比硅纯度更高的材料。

半导体级硅是使用不同技术生长成锭的，生长技术对硅中杂质的数量有重大影响。用于半导体器件的绝大多数硅是使用Czochralski（直拉法，简称CZ)方法生长的。CMOS制造厂使用的硅通常是直拉单晶硅(CZ-Si)，其晶圆尺寸最大可达 450 毫米。在直拉法中，熔炉中的熔融石英坩埚中装满电子级多晶硅，所需的掺杂原子以掺杂Si原子或元素形式进行添加，将已知晶体取向的小单晶种子浸入熔融的硅中并从熔体中拉出。在晶体拉制过程中，生长的硅锭和装有熔融硅的坩埚以相反的方向旋转。

在直拉法晶体生长过程中，熔融石英坩埚在熔融液体中会缓慢溶解，这个过程增加了杂质的数量。最常见的杂质是碳、氧、铝和硼，它们会在一定程度上存在于生长的硅锭中。

探测器级硅通常具有非常高的纯度，通常使用浮区法 (FZ) 或磁控直拉法 (MCZ) 生长，晶圆尺寸限制为 200 毫米。像素探测器和电力电子设备中使用的大多数硅都使用FZ硅，因为它具有高纯度和电阻率。MCZ硅与典型的CZ硅不同，因为在晶体生长过程中施加了磁场，因此杂质较少。磁场能够作用于熔融的硅，并对生长的硅晶体中杂质的浓度和数量产生影响。

浮区 (FZ) Si 非常干净，其电阻率可高达30k Ω·cm。主要优点是无坩埚生长，可防止硅受到容器本身的污染。在FZ生长过程中，加热线圈将扫过一根电子级多晶硅棒的超纯棒，其末端带有籽晶。该过程在真空处理室或惰性纯气体下进行。移动加热元件将在 Si 中形成局部熔融区，从而产生高纯度单晶硅。

硅锭生长后，将用线锯将锭切成晶片。晶片将进一步研磨至接近目标厚度并抛光。研磨和抛光步骤的目的是获得光滑的硅表面。抛光步骤将去除研磨过程在硅表面上留下的损伤层。经过抛光后，晶片表面几乎没有缺陷，并且晶片具有一定的机械强度。晶片可以进行单面或双面抛光。

传感器级硅晶片加工要求生产线保持清洁。高电阻率硅晶片对有机或无机污染都很敏感。在高温退火或氧化（> 1000C）步骤之前无法从硅晶片上清除的有机或金属杂质将扩散到硅的晶格中，破坏高电阻率（即材料纯度），导致器件的电气特性下降。由于扩散速率增加，即使是微量的杂质也会在退火步骤中污染硅晶片。杂质将会导致电荷载体寿命的缩短和硅探测器漏电流的增加。铜或金等金属杂质会破坏硅的半导体特性。所谓的IC清洁工艺仅允许在其上处理非常有限数量的金属（即Al、Mo、Ti等）。

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