硅是對(duì)人類最有用的元素之一，因?yàn)榻^大多數(shù)半導(dǎo)體器件都是以硅為基礎(chǔ)制成的。目前，相較其他傳感器材料而言，硅它可以制成更大的晶圓，具有更好的價(jià)格優(yōu)勢(shì)同時(shí)具有非常好的均勻性。因此該材料在許多不同等級(jí)(特別是工業(yè)級(jí))的市場(chǎng)上廣泛銷售。

硅作為一種輕質(zhì)的半導(dǎo)體材料，目前被廣泛用作成像傳感器材料，它可用于低能輻射成像和粒子追跡。在20 keV以下的X射線成像和200 keV以下的電子成像中，硅具有良好的吸收效率。目前硅傳感器已廣泛應(yīng)用于電子顯微鏡、元素分析、空間輻射計(jì)量學(xué)、X射線譜學(xué)、X射線衍射等領(lǐng)域。

硅傳感器通常能用于廣泛的能量范圍，從低能應(yīng)用到高能應(yīng)用。對(duì)特定能量范圍和輻射類型的適用性取決于所選的硅材料、設(shè)計(jì)、工藝和厚度。以下是一些使用硅傳感器的典型能量范圍和應(yīng)用：

● 低能電子：硅傳感器可以有效檢測(cè)和測(cè)量能量范圍從5 keV到200 keV 的電子。這包括透射電子顯微鏡 (TEM)、掃描電子顯微鏡 (SEM) 和電子能量損失譜 (EELS) 等應(yīng)用。

● 中能粒子：硅傳感器也用于中能范圍內(nèi)的加速粒子檢測(cè)，通常在兆電子伏 (MeV) 范圍內(nèi)。硅傳感器用于放射治療、核醫(yī)學(xué)和放射性物質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用中的輻射劑量檢測(cè)和測(cè)量。

● 高能粒子：硅傳感器用于高能物理實(shí)驗(yàn)，例如粒子對(duì)撞機(jī)和宇宙射線實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)中探測(cè)的粒子能量范圍從數(shù)十億電子伏特 (GeV) 到數(shù)萬億電子伏特 (TeV)。硅傳感器能夠跟蹤和測(cè)量這些實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的高能粒子。

按質(zhì)量計(jì)算，硅是宇宙中第八大常見元素，但很少以純?cè)匦问酱嬖谟诘貧ぶ?。地殼?90% 以上由硅酸鹽礦物組成，使硅成為地殼中含量第二豐富的元素（按質(zhì)量計(jì)算約占 28%），僅次于氧。任何半導(dǎo)體級(jí)硅的基本成分都是從沙子中提取的。

硅材料在地殼中含量豐富，主要是一種由約 25% 至 50% 的二氧化硅組成的化合物。大多數(shù)生產(chǎn)的單質(zhì)硅仍為硅鐵合金，只有約 20% 被提煉至冶金級(jí)純度。全球約 15% 的冶金級(jí)硅被進(jìn)一步提煉至半導(dǎo)體純度。這通常是“九九”或 99.9999999% 純度、幾乎無缺陷的單晶材料。可以說很難找到比硅純度更高的材料。

半導(dǎo)體級(jí)硅是使用不同技術(shù)生長成錠的，生長技術(shù)對(duì)硅中雜質(zhì)的數(shù)量有重大影響。用于半導(dǎo)體器件的絕大多數(shù)硅是使用Czochralski（直拉法，簡(jiǎn)稱CZ)方法生長的。CMOS制造廠使用的硅通常是直拉單晶硅(CZ-Si)，其晶圓尺寸最大可達(dá) 450 毫米。在直拉法中，熔爐中的熔融石英坩堝中裝滿電子級(jí)多晶硅，所需的摻雜原子以摻雜Si原子或元素形式進(jìn)行添加，將已知晶體取向的小單晶種子浸入熔融的硅中并從熔體中拉出。在晶體拉制過程中，生長的硅錠和裝有熔融硅的坩堝以相反的方向旋轉(zhuǎn)。

在直拉法晶體生長過程中，熔融石英坩堝在熔融液體中會(huì)緩慢溶解，這個(gè)過程增加了雜質(zhì)的數(shù)量。最常見的雜質(zhì)是碳、氧、鋁和硼，它們會(huì)在一定程度上存在于生長的硅錠中。

探測(cè)器級(jí)硅通常具有非常高的純度，通常使用浮區(qū)法 (FZ) 或磁控直拉法 (MCZ) 生長，晶圓尺寸限制為 200 毫米。像素探測(cè)器和電力電子設(shè)備中使用的大多數(shù)硅都使用FZ硅，因?yàn)樗哂懈呒兌群碗娮杪?。MCZ硅與典型的CZ硅不同，因?yàn)樵诰w生長過程中施加了磁場(chǎng)，因此雜質(zhì)較少。磁場(chǎng)能夠作用于熔融的硅，并對(duì)生長的硅晶體中雜質(zhì)的濃度和數(shù)量產(chǎn)生影響。

浮區(qū) (FZ) Si 非常干凈，其電阻率可高達(dá)30k Ω·cm。主要優(yōu)點(diǎn)是無坩堝生長，可防止硅受到容器本身的污染。在FZ生長過程中，加熱線圈將掃過一根電子級(jí)多晶硅棒的超純棒，其末端帶有籽晶。該過程在真空處理室或惰性純氣體下進(jìn)行。移動(dòng)加熱元件將在 Si 中形成局部熔融區(qū)，從而產(chǎn)生高純度單晶硅。

硅錠生長后，將用線鋸將錠切成晶片。晶片將進(jìn)一步研磨至接近目標(biāo)厚度并拋光。研磨和拋光步驟的目的是獲得光滑的硅表面。拋光步驟將去除研磨過程在硅表面上留下的損傷層。經(jīng)過拋光后，晶片表面幾乎沒有缺陷，并且晶片具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。晶片可以進(jìn)行單面或雙面拋光。

傳感器級(jí)硅晶片加工要求生產(chǎn)線保持清潔。高電阻率硅晶片對(duì)有機(jī)或無機(jī)污染都很敏感。在高溫退火或氧化（> 1000C）步驟之前無法從硅晶片上清除的有機(jī)或金屬雜質(zhì)將擴(kuò)散到硅的晶格中，破壞高電阻率（即材料純度），導(dǎo)致器件的電氣特性下降。由于擴(kuò)散速率增加，即使是微量的雜質(zhì)也會(huì)在退火步驟中污染硅晶片。雜質(zhì)將會(huì)導(dǎo)致電荷載體壽命的縮短和硅探測(cè)器漏電流的增加。銅或金等金屬雜質(zhì)會(huì)破壞硅的半導(dǎo)體特性。所謂的IC清潔工藝僅允許在其上處理非常有限數(shù)量的金屬（即Al、Mo、Ti等）。

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