半導(dǎo)體材料與工藝之 單晶半導(dǎo)體材料制備技術(shù)

1、p布里奇曼布里奇曼Bridgman法法 GaAs p直拉生長直拉生長Czochralski法法 GaAs 單晶硅單晶硅p區(qū)熔生長區(qū)熔生長 單晶硅單晶硅nA scientist from Kcynia Poland, Jan Czochralski, was many years ahead of his time. In 1916 he developed a method for growing single crystals, which was basically forgotten until after World War II. nToday the semiconductor i

2、ndustry depends on the Czochralski method for manufacturing billions of dollars worth of semiconductor materials.nHe was accused of being a Nazi sympathizer but was later acquitted and died in Poland in 1953.n What a wacky world, Bill Gates is the richest man on earth and most people dont even know

3、how to pronounce Czochralski! JAN CZOCHRALSKI, BERLIN CA 1907 Czochralski apparatus (left) and Bridgman-Stockbarger furnace (right). p水平水平Bridgman法（法（horizontal Bridgman method ），最早用于最早用于Ge單晶。屬于正常凝固。單晶。屬于正常凝固。p原料（如原料（如GeGe粉）放入石英舟，石英舟前端植入籽晶（粉）放入石英舟，石英舟前端植入籽晶（單晶體），推入爐內(nèi)使原料熔化，籽晶不熔。石英舟單晶體），推入爐內(nèi)使原料熔化，籽晶不熔

4、。石英舟內(nèi)內(nèi)GeGe粉完全熔融并與籽晶良好潤濕時(shí)，緩慢將其向外粉完全熔融并與籽晶良好潤濕時(shí)，緩慢將其向外拉出。使其順序冷凝成晶錠。拉出。使其順序冷凝成晶錠。horizontal Bridgman method p在結(jié)晶過程中，原子排列受到籽晶中原子排列的引導(dǎo)在結(jié)晶過程中，原子排列受到籽晶中原子排列的引導(dǎo)而按同樣的規(guī)則排列起來，并且會(huì)保持籽晶的晶向。而按同樣的規(guī)則排列起來，并且會(huì)保持籽晶的晶向。只要石英舟的拉出速度足夠低，同一晶向?qū)⒈３值饺壑灰⒅鄣睦鏊俣茸銐虻?，同一晶向?qū)⒈３值饺垠w全部冷凝為止。于是，當(dāng)全過程終結(jié)時(shí)，即可制成體全部冷凝為止。于是，當(dāng)全過程終結(jié)時(shí)，即可制成一根與石英舟具有相同

5、截面形狀的晶錠。一根與石英舟具有相同截面形狀的晶錠。p也有固定石英舟而移動(dòng)高溫爐的做法，道理同前面一也有固定石英舟而移動(dòng)高溫爐的做法，道理同前面一樣，只是方向相反。樣，只是方向相反。p除除GeGe外，外，GaAsGaAs以及其他許多半導(dǎo)體也都可以用這種方以及其他許多半導(dǎo)體也都可以用這種方法來生長晶錠。不過，在制備像法來生長晶錠。不過，在制備像GaAsGaAs這樣這樣含有高蒸氣含有高蒸氣壓成分的晶體壓成分的晶體時(shí)，原料必須置于時(shí)，原料必須置于密封容器密封容器( (如真空密封如真空密封的石英管）中。否則，易揮發(fā)組分在高溫下?lián)]發(fā)散失的石英管）中。否則，易揮發(fā)組分在高溫下?lián)]發(fā)散失后，無法生長出結(jié)構(gòu)完美

6、的理想晶體。后，無法生長出結(jié)構(gòu)完美的理想晶體。p此外，為了保持晶體生長過程中易揮發(fā)組分的化學(xué)配此外，為了保持晶體生長過程中易揮發(fā)組分的化學(xué)配比，往往采用比，往往采用兩段溫區(qū)式兩段溫區(qū)式的裝置，即將易揮發(fā)組分的的裝置，即將易揮發(fā)組分的原料置于獨(dú)立溫區(qū)令其揮發(fā)并保持一定的過壓狀態(tài)，原料置于獨(dú)立溫區(qū)令其揮發(fā)并保持一定的過壓狀態(tài)，讓與之連通的另一溫區(qū)中的熔體在其飽和蒸氣壓下緩讓與之連通的另一溫區(qū)中的熔體在其飽和蒸氣壓下緩慢凝結(jié)為晶體。慢凝結(jié)為晶體。A schematic diagram of a Bridgman two-zone furnace used for melt growths of si

7、ngle crystal GaAs. AsHorizontal Bridgman Methodp在使用密封容器的時(shí)候，可以將爐子和容器都豎起來在使用密封容器的時(shí)候，可以將爐子和容器都豎起來。這就是。這就是立式布里奇曼法立式布里奇曼法。p用立式布里奇曼法制備的晶錠，其截面形狀與容器截用立式布里奇曼法制備的晶錠，其截面形狀與容器截面完全一樣，因而比較容易獲得圓柱形晶錠或其他截面完全一樣，因而比較容易獲得圓柱形晶錠或其他截面形狀的晶錠面形狀的晶錠p而水平布里奇曼法由于熔體受重力的影響，晶錠截面而水平布里奇曼法由于熔體受重力的影響，晶錠截面很難完全保持其容器截面的形狀。很難完全保持其容器截面的形狀。

8、Vertical Bridgman Method 隔熱區(qū)隔熱區(qū)p布里奇曼法的主要缺點(diǎn)是熔體需要盛在石英舟或布里奇曼法的主要缺點(diǎn)是熔體需要盛在石英舟或其他用高溫穩(wěn)定材料制成的容器內(nèi)。這除了導(dǎo)致其他用高溫穩(wěn)定材料制成的容器內(nèi)。這除了導(dǎo)致舟壁對(duì)生長材料的嚴(yán)重玷污之外，舟材料與生長舟壁對(duì)生長材料的嚴(yán)重玷污之外，舟材料與生長材料在熱膨脹系數(shù)上的差異還會(huì)使晶錠存在很嚴(yán)材料在熱膨脹系數(shù)上的差異還會(huì)使晶錠存在很嚴(yán)重的生長應(yīng)力，從而使原子排列嚴(yán)重偏離理想狀重的生長應(yīng)力，從而使原子排列嚴(yán)重偏離理想狀態(tài)，產(chǎn)生高密度的晶格缺陷。態(tài)，產(chǎn)生高密度的晶格缺陷。p相比較而言，由于在臥式布里奇曼法中熔體有較相比較而言，由于在臥

9、式布里奇曼法中熔體有較大的開放面，其應(yīng)力和器壁站污問題比立式布里大的開放面，其應(yīng)力和器壁站污問題比立式布里奇曼法小。奇曼法小。 p硒化鎘、碲化鎘和硫化鋅等硒化鎘、碲化鎘和硫化鋅等II-VIII-VI族化合物最初就是族化合物最初就是用立式布里奇曼法制成的。用立式布里奇曼法制成的。p砷化鎵和磷化鎵等在凝固時(shí)體積要膨脹的砷化鎵和磷化鎵等在凝固時(shí)體積要膨脹的III-VIII-V族化族化合物材料不適合采用立式布里奇曼法，但可以用水合物材料不適合采用立式布里奇曼法，但可以用水平布里奇曼法生長。平布里奇曼法生長。p 區(qū)熔法區(qū)熔法 (Zone meltng method) 又稱又稱Fz 法法 (Float-Z

10、one method)，即，即懸浮區(qū)熔法懸浮區(qū)熔法，于，于1953 年由年由Keck 和和Golay 兩兩人將此法用在生長硅單晶上。人將此法用在生長硅單晶上。p區(qū)熔硅單晶由于在它生產(chǎn)過程申不使用石英坩堝，氧含區(qū)熔硅單晶由于在它生產(chǎn)過程申不使用石英坩堝，氧含量和金屬雜質(zhì)含量都遠(yuǎn)小于直拉硅單晶，因此它主要被量和金屬雜質(zhì)含量都遠(yuǎn)小于直拉硅單晶，因此它主要被用于制作高壓元件上，如可控硅、整流器等，其區(qū)熔高用于制作高壓元件上，如可控硅、整流器等，其區(qū)熔高阻硅單晶阻硅單晶 (一般電阻率為幾千一般電阻率為幾千cm以至上萬以至上萬cm)用于用于制作探測器件。制作探測器件。Fz法的基本設(shè)備法的基本設(shè)備 Fz硅單

11、晶，是在惰性氣體保護(hù)下，用射頻加熱制取的，它硅單晶，是在惰性氣體保護(hù)下，用射頻加熱制取的，它的基本設(shè)備由機(jī)械結(jié)構(gòu)、電力供應(yīng)及輔助設(shè)施構(gòu)成。的基本設(shè)備由機(jī)械結(jié)構(gòu)、電力供應(yīng)及輔助設(shè)施構(gòu)成。p機(jī)械設(shè)備包括機(jī)械設(shè)備包括:晶體旋轉(zhuǎn)及升降機(jī)構(gòu)，高頻線圈與晶棒相對(duì)移動(dòng)的機(jī)構(gòu)，晶體旋轉(zhuǎn)及升降機(jī)構(gòu)，高頻線圈與晶棒相對(duì)移動(dòng)的機(jī)構(gòu)，硅棒料的夾持機(jī)構(gòu)等。硅棒料的夾持機(jī)構(gòu)等。p電力供應(yīng)包括電力供應(yīng)包括:高頻電源及其傳送電路，各機(jī)械運(yùn)行的控制電路。高頻電高頻電源及其傳送電路，各機(jī)械運(yùn)行的控制電路。高頻電源的頻率為源的頻率為24MHz。p輔助設(shè)施包括輔助設(shè)施包括:水冷系統(tǒng)和保護(hù)氣體供應(yīng)與控制系統(tǒng)、真空排氣系統(tǒng)等。水冷系統(tǒng)和

12、保護(hù)氣體供應(yīng)與控制系統(tǒng)、真空排氣系統(tǒng)等。區(qū)熔單晶區(qū)熔單晶區(qū)熔硅單晶的生長區(qū)熔硅單晶的生長l原料的準(zhǔn)備原料的準(zhǔn)備:將高質(zhì)量的多晶硅棒料的表面打磨光滑，將高質(zhì)量的多晶硅棒料的表面打磨光滑，然后將一端切磨成錐形，再將打磨好的硅料進(jìn)行腐蝕然后將一端切磨成錐形，再將打磨好的硅料進(jìn)行腐蝕清洗，除去加工時(shí)的表面污染。清洗，除去加工時(shí)的表面污染。l裝爐裝爐:將腐蝕清洗后的硅棒料安裝在射頻線圈的上邊。將腐蝕清洗后的硅棒料安裝在射頻線圈的上邊。將準(zhǔn)備好的籽晶裝在射頻線圈的下邊。將準(zhǔn)備好的籽晶裝在射頻線圈的下邊。關(guān)上爐門，用真空泵排除空氣后，向爐內(nèi)充入惰性氣關(guān)上爐門，用真空泵排除空氣后，向爐內(nèi)充入惰性氣體體 (氮?dú)?/p>

13、或氫與氮的混合氣等氮?dú)饣驓渑c氮的混合氣等)，使?fàn)t內(nèi)壓力略高于大，使?fàn)t內(nèi)壓力略高于大氣壓力。氣壓力。l給射頻圈送上高頻電力加熱，使硅棒底端開始熔給射頻圈送上高頻電力加熱，使硅棒底端開始熔化，將棒料下降與籽晶熔接。當(dāng)溶液與籽晶充分化，將棒料下降與籽晶熔接。當(dāng)溶液與籽晶充分熔接后，使射頻線圈和棒料快速上升，以拉出一熔接后，使射頻線圈和棒料快速上升，以拉出一細(xì)長的晶頸，消除位錯(cuò)。細(xì)長的晶頸，消除位錯(cuò)。l晶頸拉完后，慢慢地讓單晶直徑增大到目標(biāo)大小晶頸拉完后，慢慢地讓單晶直徑增大到目標(biāo)大小，此階段稱為，此階段稱為放肩放肩。放肩完成后，便轉(zhuǎn)入。放肩完成后，便轉(zhuǎn)入等徑生等徑生長長，直到結(jié)束。，直到結(jié)束。區(qū)熔單

14、晶生長的幾個(gè)問題：區(qū)熔單晶生長的幾個(gè)問題：熔區(qū)內(nèi)熱對(duì)流熔區(qū)內(nèi)熱對(duì)流（a）集膚效應(yīng)，表面溫度高）集膚效應(yīng)，表面溫度高，（b）多晶硅棒轉(zhuǎn)速很慢時(shí)，）多晶硅棒轉(zhuǎn)速很慢時(shí)，與單晶旋轉(zhuǎn)向與單晶旋轉(zhuǎn)向（c）與單晶旋轉(zhuǎn)反向）與單晶旋轉(zhuǎn)反向（d）表面張力引起的流動(dòng)）表面張力引起的流動(dòng)（e）射頻線圈引起的電磁力）射頻線圈引起的電磁力在熔區(qū)形成的對(duì)流在熔區(qū)形成的對(duì)流（f）生長速率較快時(shí)的固液）生長速率較快時(shí)的固液界面界面區(qū)熔單晶生長的幾個(gè)問題：區(qū)熔單晶生長的幾個(gè)問題：p表面張力：懸浮區(qū)熔法中熔體之所以可以被支撐在單晶表面張力：懸浮區(qū)熔法中熔體之所以可以被支撐在單晶與棒料之間，主要是由于硅熔體表面張力的作用。假設(shè)與

15、棒料之間，主要是由于硅熔體表面張力的作用。假設(shè)它是唯一支撐力，能夠維持穩(wěn)定形狀的最大熔區(qū)長度它是唯一支撐力，能夠維持穩(wěn)定形狀的最大熔區(qū)長度Lm為：為：A=2.623,.41。對(duì)硅。對(duì)硅 。適用于小直徑單晶。適用于小直徑單晶。大直徑單晶比較復(fù)雜，依靠經(jīng)驗(yàn)確定。大直徑單晶比較復(fù)雜，依靠經(jīng)驗(yàn)確定。12mrLAg125 .4rm mg區(qū)熔單晶生長的幾個(gè)問題：區(qū)熔單晶生長的幾個(gè)問題：p電磁托力：高頻電磁場對(duì)熔區(qū)的形狀及穩(wěn)定性都有一定電磁托力：高頻電磁場對(duì)熔區(qū)的形狀及穩(wěn)定性都有一定的影響，尤其當(dāng)高頻線圈內(nèi)徑很小時(shí)，影響較大。以至的影響，尤其當(dāng)高頻線圈內(nèi)徑很小時(shí)，影響較大。以至此種支撐力在某種程度上能與表面

16、張力相當(dāng)。晶體直徑此種支撐力在某種程度上能與表面張力相當(dāng)。晶體直徑越大，電磁支撐力的影響就越顯著。越大，電磁支撐力的影響就越顯著。p重力：重力破壞熔區(qū)穩(wěn)定。當(dāng)重力的作用超過了支撐力重力：重力破壞熔區(qū)穩(wěn)定。當(dāng)重力的作用超過了支撐力作用時(shí)，熔區(qū)就會(huì)發(fā)生流垮，限制了區(qū)熔單晶的直徑。作用時(shí)，熔區(qū)就會(huì)發(fā)生流垮，限制了區(qū)熔單晶的直徑。目前目前150mm單晶。若無重力影響，單晶。若無重力影響，F(xiàn)z法理論上可以生長法理論上可以生長出任何直徑的單晶。出任何直徑的單晶。p離心力：由晶體旋轉(zhuǎn)引起，主要影響固液界面的熔體。離心力：由晶體旋轉(zhuǎn)引起，主要影響固液界面的熔體。晶體直徑越大，影響愈大。大單晶制備需要用低轉(zhuǎn)速。

17、晶體直徑越大，影響愈大。大單晶制備需要用低轉(zhuǎn)速。 摻雜方法摻雜方法 區(qū)熔硅單晶的摻雜方法是多樣的。較原始的方法是將區(qū)熔硅單晶的摻雜方法是多樣的。較原始的方法是將B2O3或或P2O5 的酒精溶液直接的酒精溶液直接 涂抹在多晶硅棒料的表面涂抹在多晶硅棒料的表面。這種方法生產(chǎn)出的單晶硅，電阻率分布極不均勻，且。這種方法生產(chǎn)出的單晶硅，電阻率分布極不均勻，且摻雜量也摻雜量也 很難控制。下面介紹幾種摻雜方法。很難控制。下面介紹幾種摻雜方法。 (1) 填裝法填裝法 這種方法較適用于分凝系數(shù)較小的雜質(zhì)，如這種方法較適用于分凝系數(shù)較小的雜質(zhì)，如Ga (分凝系分凝系數(shù)為數(shù)為0.008)、In (分凝系數(shù)分凝系數(shù)

18、 為為0.0004)等。這種方法是在等。這種方法是在原料棒接近圓錐體的部位鉆一個(gè)小洞，把摻雜原料填塞原料棒接近圓錐體的部位鉆一個(gè)小洞，把摻雜原料填塞在小洞里，依靠分凝效應(yīng)使雜質(zhì)在單晶的軸向分布趨于在小洞里，依靠分凝效應(yīng)使雜質(zhì)在單晶的軸向分布趨于均勻。均勻。 (2)氣相摻雜法氣相摻雜法 這種摻雜方法是將易揮發(fā)這種摻雜方法是將易揮發(fā)的的PH3 (N型型)或或B2H6(P型型)氣體直接吹入熔區(qū)內(nèi)。這氣體直接吹入熔區(qū)內(nèi)。這是目前最普遍使用的摻雜是目前最普遍使用的摻雜方法之一，所使用的摻雜方法之一，所使用的摻雜氣體必須用氧氣稀釋噴嘴氣體必須用氧氣稀釋噴嘴后，再吹入熔區(qū)后，再吹入熔區(qū)氣相摻雜法氣相摻雜法

19、(3)中子嬗變摻雜中子嬗變摻雜(NTD) p采用一般摻雜方法。電阻率不均勻率一般為采用一般摻雜方法。電阻率不均勻率一般為1525%。p利用利用NTD法，可以制取法，可以制取N型、電阻率分布均勻的型、電阻率分布均勻的FZ硅單晶硅單晶。它的電阻率的徑向分布的不均勻率可達(dá)。它的電阻率的徑向分布的不均勻率可達(dá)5%以下。以下。pNTD法目前廣泛地被采用，它是在核反應(yīng)堆中進(jìn)行的。法目前廣泛地被采用，它是在核反應(yīng)堆中進(jìn)行的。 p硅有三種穩(wěn)定性同位素，硅有三種穩(wěn)定性同位素，28Si占占92.23%，29Si占占 4.67%, 30Si占占3.1% 。其中。其中30Si俘獲一個(gè)熱中子成為俘獲一個(gè)熱中子成為31S

20、i。31Si極不穩(wěn)定極不穩(wěn)定，釋放出一個(gè)電子而嬗變?yōu)?，釋放出一個(gè)電子而嬗變?yōu)?1P。 30Si+n 31Si+r 31Si 31P+e 式中式中 n-熱中子，熱中子，r-光子，光子，e-電子。電子。 31Si的半衰期為的半衰期為2.6h (3)中子嬗變摻雜中子嬗變摻雜(NTD) p由于由于30Si在在Si中的分布是非常均勻的，加之熱中子對(duì)硅而言中的分布是非常均勻的，加之熱中子對(duì)硅而言幾乎是透明的，所以幾乎是透明的，所以Si中的中的30Si俘獲熱中子的概率幾乎是相俘獲熱中子的概率幾乎是相同的，因而嬗變變產(chǎn)生的同的，因而嬗變變產(chǎn)生的31P 在硅中的分布非常均勻，因此在硅中的分布非常均勻，因此電阻率

21、分布也就非常均勻。電阻率分布也就非常均勻。p在反應(yīng)堆中，除熱中子外還有大量的快中子，快中子不能在反應(yīng)堆中，除熱中子外還有大量的快中子，快中子不能被被30Si俘獲，而快中子將會(huì)撞擊硅原子使之離開平衡位置。俘獲，而快中子將會(huì)撞擊硅原子使之離開平衡位置。p另一方面，在進(jìn)行核反應(yīng)過程中，另一方面，在進(jìn)行核反應(yīng)過程中， 31P大部分也處在晶格的大部分也處在晶格的間隙位置。間隙間隙位置。間隙31P是不具備電活化性的，所以中子輻照后是不具備電活化性的，所以中子輻照后的的Fz硅表觀電阻率極高，這不是硅的真實(shí)電阻率，需要經(jīng)硅表觀電阻率極高，這不是硅的真實(shí)電阻率，需要經(jīng)過過800C850的熱處理的熱處理，使在中子

22、輻照中受損的晶格得到，使在中子輻照中受損的晶格得到恢復(fù)，這樣中子輻照后的硅的真實(shí)電阻率才能得到確定?；謴?fù)，這樣中子輻照后的硅的真實(shí)電阻率才能得到確定。中子嬗變摻雜中子嬗變摻雜(NTD)的的缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：l生產(chǎn)周期長生產(chǎn)周期長，中子照射后的單晶必須放置一段時(shí)間，使照射，中子照射后的單晶必須放置一段時(shí)間，使照射后硅單晶中產(chǎn)生的雜質(zhì)元素衰減至半衰期后才能再加工，避后硅單晶中產(chǎn)生的雜質(zhì)元素衰減至半衰期后才能再加工，避免對(duì)人體產(chǎn)生輻射免對(duì)人體產(chǎn)生輻射;l增加了生產(chǎn)成木和能源消耗增加了生產(chǎn)成木和能源消耗，每公斤硅單晶的中子輻照費(fèi)用，每公斤硅單晶的中子輻照費(fèi)用為為400元，一個(gè)中子反應(yīng)堆消耗的能源相當(dāng)可觀元，

23、一個(gè)中子反應(yīng)堆消耗的能源相當(dāng)可觀;區(qū)熔硅單晶區(qū)熔硅單晶的產(chǎn)量受中子照射資源的限制，不能滿足市場需求。的產(chǎn)量受中子照射資源的限制，不能滿足市場需求。中子輻照中子輻照摻雜低電阻率的單晶非常困難摻雜低電阻率的單晶非常困難，這種方法只適于制，這種方法只適于制取電阻率大于取電阻率大于30cm(摻雜濃度為摻雜濃度為l.510l4cm-3) 的的N 型產(chǎn)品型產(chǎn)品。電阻率太低的產(chǎn)品，中子輻照時(shí)間太長，成本很高。電阻率太低的產(chǎn)品，中子輻照時(shí)間太長，成本很高。p懸浮區(qū)熔懸浮區(qū)熔工藝：為了防止由于熔體與坩堝材料的化學(xué)工藝：為了防止由于熔體與坩堝材料的化學(xué)反應(yīng)造成的玷污，而發(fā)展了反應(yīng)造成的玷污，而發(fā)展了無坩堝直拉無坩

24、堝直拉工藝，這種工工藝，這種工藝對(duì)拉制硅單晶尤其合適。藝對(duì)拉制硅單晶尤其合適。p一根垂直安裝并能旋轉(zhuǎn)的多晶硅棒，利用水冷射頻感一根垂直安裝并能旋轉(zhuǎn)的多晶硅棒，利用水冷射頻感應(yīng)線圈使棒的下端熔化。以低阻硅可以直接加熱熔化應(yīng)線圈使棒的下端熔化。以低阻硅可以直接加熱熔化，但對(duì)高阻材料硅則必須用其它方法使棒預(yù)熱。，但對(duì)高阻材料硅則必須用其它方法使棒預(yù)熱。p因?yàn)楣杳芏鹊鸵驗(yàn)楣杳芏鹊?2.42g/cm(2.42g/cm3 3) )、表面張力大、表面張力大(720(720達(dá)因達(dá)因/ /厘厘米米) )，加上高頻電場產(chǎn)生的懸浮力的作用支撐著熔融硅，加上高頻電場產(chǎn)生的懸浮力的作用支撐著熔融硅，使之與硅棒牢牢地粘附

25、在一起。然后，把一根經(jīng)過，使之與硅棒牢牢地粘附在一起。然后，把一根經(jīng)過定向的籽晶使其繞垂直軸旋轉(zhuǎn)并從下面插入熔體中，定向的籽晶使其繞垂直軸旋轉(zhuǎn)并從下面插入熔體中，象直拉工藝所采用的方法一樣，慢慢向下抽拉籽晶，象直拉工藝所采用的方法一樣，慢慢向下抽拉籽晶，于是單晶就生長出來了。于是單晶就生長出來了。p為了保持熔體與高頻感應(yīng)線圈的相對(duì)位置固定不變，為了保持熔體與高頻感應(yīng)線圈的相對(duì)位置固定不變，多晶棒也要向下移動(dòng)。也可使高頻感應(yīng)線圈向上移動(dòng)多晶棒也要向下移動(dòng)。也可使高頻感應(yīng)線圈向上移動(dòng)而不必移動(dòng)整根料棒和晶體。而不必移動(dòng)整根料棒和晶體。p這種生長裝置可以拉制比料棒直徑大的晶體。常規(guī)生這種生長裝置可以

26、拉制比料棒直徑大的晶體。常規(guī)生產(chǎn)的晶體直徑一般為產(chǎn)的晶體直徑一般為7.510cm (Sirtl1977, Herrmann等等1975)。如果在垂直多晶棒的頂部建立熔區(qū)，那么，也。如果在垂直多晶棒的頂部建立熔區(qū)，那么，也可以用相反的方向拉晶可以用相反的方向拉晶(Dash1959a)。這種工藝叫做。這種工藝叫做基基座拉晶法座拉晶法，它拉制的晶體直徑比基座的直徑小。，它拉制的晶體直徑比基座的直徑小。p由于沒有坩堝，所以晶體中最終的雜質(zhì)含量主要是決由于沒有坩堝，所以晶體中最終的雜質(zhì)含量主要是決定于原材料和氣氛的純度以及生長容器的清潔度。晶定于原材料和氣氛的純度以及生長容器的清潔度。晶體亦可在真空下生

27、長。除了高頻加熱之外，還可用電體亦可在真空下生長。除了高頻加熱之外，還可用電子束聚焦的加熱方法。子束聚焦的加熱方法。p為了改善熔體的攪拌和減少多晶棒與單晶直接接觸而凝為了改善熔體的攪拌和減少多晶棒與單晶直接接觸而凝固的危險(xiǎn)，有時(shí)要使多晶棒和單晶的垂直軸彼此稍微錯(cuò)固的危險(xiǎn)，有時(shí)要使多晶棒和單晶的垂直軸彼此稍微錯(cuò)開。開。p一般采用預(yù)先摻好的多晶棒來完成摻雜工作。不過，采一般采用預(yù)先摻好的多晶棒來完成摻雜工作。不過，采用生長過程中的用生長過程中的氣相摻雜氣相摻雜法也漸漸多起來了，因?yàn)檫@種法也漸漸多起來了，因?yàn)檫@種方法能更為準(zhǔn)確地控制摻雜量。方法能更為準(zhǔn)確地控制摻雜量。p懸浮區(qū)熔法也能用作進(jìn)一步提純硅

28、材料的一種區(qū)熔提懸浮區(qū)熔法也能用作進(jìn)一步提純硅材料的一種區(qū)熔提純工藝，為除去殘留的硼、磷雜質(zhì)需在高真空條件下純工藝，為除去殘留的硼、磷雜質(zhì)需在高真空條件下使熔區(qū)多次通過。磷和砷雜質(zhì)濃度也因蒸發(fā)而減少。使熔區(qū)多次通過。磷和砷雜質(zhì)濃度也因蒸發(fā)而減少?？紤]了這些因素，考慮了這些因素，Ziegler(1958)推導(dǎo)出一種改進(jìn)的區(qū)推導(dǎo)出一種改進(jìn)的區(qū)熔提純公式熔提純公式式中的式中的 ；為衡量蒸發(fā)速率的一個(gè)量，它取為衡量蒸發(fā)速率的一個(gè)量，它取決于幾何條件和壓力的大?。粵Q于幾何條件和壓力的大??；f0為熔區(qū)移動(dòng)速率。為熔區(qū)移動(dòng)速率。0111 exp/Ckux lCuu0/uklfp縱向懸浮區(qū)熔縱向懸浮區(qū)熔技術(shù)不

29、能用來生長大直徑的鍺單晶，因技術(shù)不能用來生長大直徑的鍺單晶，因?yàn)殒N的表面張力太小而不能維持熔區(qū)。為鍺的表面張力太小而不能維持熔區(qū)。p不過，采用不過，采用Pfann(1953,1958)提出的提出的區(qū)域均衡法區(qū)域均衡法能生長能生長鍺單晶。這一方法所用的裝置與區(qū)熔提純的設(shè)備大致鍺單晶。這一方法所用的裝置與區(qū)熔提純的設(shè)備大致相同。其過程是把經(jīng)過提純的鍺棒裝入石英舟中，石相同。其過程是把經(jīng)過提純的鍺棒裝入石英舟中，石英舟要經(jīng)用裂解諸如甲苯之類的碳?xì)浠衔锼玫教加⒅垡?jīng)用裂解諸如甲苯之類的碳?xì)浠衔锼玫教己谶M(jìn)行涂敷處理，以防止熔料與舟壁沾潤以及舟壁上黑進(jìn)行涂敷處理，以防止熔料與舟壁沾潤以及舟壁上成核

30、。用射頻加熱形成熔區(qū)。在石英舟的低端放入籽成核。用射頻加熱形成熔區(qū)。在石英舟的低端放入籽晶，使熔區(qū)在背離籽晶的方向移動(dòng)，便生長出單晶。晶，使熔區(qū)在背離籽晶的方向移動(dòng)，便生長出單晶。單晶的形狀與舟的形狀相同。拉晶開始時(shí)，把一定量單晶的形狀與舟的形狀相同。拉晶開始時(shí)，把一定量的摻雜劑加到熔區(qū)里。用這種方法可以獲得沿錠長均的摻雜劑加到熔區(qū)里。用這種方法可以獲得沿錠長均勻的摻雜分布。勻的摻雜分布。p目前用于制備元素半導(dǎo)體晶錠的主要生長工藝是以原來目前用于制備元素半導(dǎo)體晶錠的主要生長工藝是以原來發(fā)明的發(fā)明的直拉法直拉法為基礎(chǔ)為基礎(chǔ)(Czochralski,1918)，并經(jīng)過，并經(jīng)過Teal和和Littl

31、e(1950)、Teal和和Buehler(1952)等人的進(jìn)一步改進(jìn)，等人的進(jìn)一步改進(jìn)，使之發(fā)展成為完善的方法。直拉法又稱使之發(fā)展成為完善的方法。直拉法又稱Cz法法.Czochralski Methodp第一步是熔化盛裝在坩堝里的多晶原料，坩堝置于耐火第一步是熔化盛裝在坩堝里的多晶原料，坩堝置于耐火的高純材料或水冷材料制作的拉晶爐里，爐子或者被抽的高純材料或水冷材料制作的拉晶爐里，爐子或者被抽真空或者有氬氣或氫氣等惰性氣體。真空或者有氬氣或氫氣等惰性氣體。p一般的坩堝裝置由內(nèi)外坩堝組成，內(nèi)坩堝為石英坩堝，一般的坩堝裝置由內(nèi)外坩堝組成，內(nèi)坩堝為石英坩堝，用來盛裝熔料；外坩堝為高純石墨坩堝，它起

32、支撐石英用來盛裝熔料；外坩堝為高純石墨坩堝，它起支撐石英坩堝的作用。坩堝的作用。p對(duì)鍺而言，通常只使用一個(gè)石墨坩堝。用電阻加熱或射對(duì)鍺而言，通常只使用一個(gè)石墨坩堝。用電阻加熱或射頻加熱使原料熔化。把一定數(shù)量的摻雜劑加入熔體里，頻加熱使原料熔化。把一定數(shù)量的摻雜劑加入熔體里，或使用預(yù)先摻好雜質(zhì)的原料。或使用預(yù)先摻好雜質(zhì)的原料。直拉法生長爐示意圖直拉法生長爐示意圖1 1提拉桿；提拉桿；2 2隔熱塞；隔熱塞；3 3觀察孔；觀察孔；4 4隔熱層；隔熱層；5 5籽晶；籽晶；6 6生長成的晶體；生長成的晶體；7 7測測量用熱電耦；量用熱電耦；8 8控制用熱電耦；控制用熱電耦；9 9固溶液；固溶液；1010

33、坩堝；坩堝；1111加熱元件；加熱元件；1111氧化氧化鋁瓷管鋁瓷管p熔完以后，把經(jīng)過定向的小籽晶慢慢地降到熔體里，熔完以后，把經(jīng)過定向的小籽晶慢慢地降到熔體里，有意地讓籽晶的一小部分熔掉以保證熔體與籽晶的充有意地讓籽晶的一小部分熔掉以保證熔體與籽晶的充分融接。分融接。p當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，使籽晶沿著垂直的方向從熔體向上當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，使籽晶沿著垂直的方向從熔體向上慢慢提拉，同時(shí)降低熔體的溫度，即生長過程開始。慢慢提拉，同時(shí)降低熔體的溫度，即生長過程開始。在晶體和熔體的界面上固化的材料與籽晶有相同的結(jié)在晶體和熔體的界面上固化的材料與籽晶有相同的結(jié)晶形式和取向。晶形式和取向。p然后，再降低輸入功率，

34、晶體直徑隨之增加。然后，再降低輸入功率，晶體直徑隨之增加。p為了減少熱的不對(duì)稱性，籽晶和坩堝一般都要旋轉(zhuǎn)，為了減少熱的不對(duì)稱性，籽晶和坩堝一般都要旋轉(zhuǎn)，因此，晶體成為有規(guī)則的柱體。因此，晶體成為有規(guī)則的柱體。p當(dāng)達(dá)到所要求的直徑時(shí)，必須調(diào)節(jié)熱條件使晶體保持當(dāng)達(dá)到所要求的直徑時(shí)，必須調(diào)節(jié)熱條件使晶體保持等直徑生長。這就意味著，固等直徑生長。這就意味著，固-液界面的位置是處在使液界面的位置是處在使彎月面與晶體的接觸角彎月面與晶體的接觸角正好是等直徑生長所要求的角正好是等直徑生長所要求的角度度(硅的硅的=11，鍺的，鍺的=13 )(Surek1976)。p用這種工藝所能得到的最大直徑實(shí)際上僅取決于生

35、長用這種工藝所能得到的最大直徑實(shí)際上僅取決于生長設(shè)備的容量和有效功率。設(shè)備的容量和有效功率。p硅的直拉工藝有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，因?yàn)槿酃璧幕瘜W(xué)反應(yīng)硅的直拉工藝有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，因?yàn)槿酃璧幕瘜W(xué)反應(yīng)性很活潑。熔體與石英坩堝壁的直拉接觸會(huì)引起熔體的性很活潑。熔體與石英坩堝壁的直拉接觸會(huì)引起熔體的污染，尤其是氧。這就導(dǎo)致原生晶體中含有較高的氧濃污染，尤其是氧。這就導(dǎo)致原生晶體中含有較高的氧濃度度(O21018cm-3)(Kaiser1956)。p這些氧雜質(zhì)會(huì)使晶體在生長期間或生長后的熱處理中產(chǎn)這些氧雜質(zhì)會(huì)使晶體在生長期間或生長后的熱處理中產(chǎn)生氧施主或形成微缺陷，而且從熔體中蒸發(fā)出來的一氧生氧施主或形成微缺

36、陷，而且從熔體中蒸發(fā)出來的一氧化硅化硅(SiO)會(huì)在坩堝上沉積。會(huì)在坩堝上沉積。p這些沉積的顆?？赡苡謺?huì)重新掉入熔體之中，并在熔體這些沉積的顆?？赡苡謺?huì)重新掉入熔體之中，并在熔體中有向生長著的晶體運(yùn)動(dòng)的傾向，從而粘附在晶體上，中有向生長著的晶體運(yùn)動(dòng)的傾向，從而粘附在晶體上，這就破壞了單晶的生長這就破壞了單晶的生長(Runyan1965)。p彌補(bǔ)的辦法是用大的惰性氣體流或降低壓力彌補(bǔ)的辦法是用大的惰性氣體流或降低壓力p硼是熔凝石英中的常見雜質(zhì)，一般也會(huì)有一定數(shù)量溶解于硼是熔凝石英中的常見雜質(zhì)，一般也會(huì)有一定數(shù)量溶解于熔體之中。熔體之中。p晶體也可能存在碳雜質(zhì)。碳的主要來源是石墨托碗和加熱晶體也可

37、能存在碳雜質(zhì)。碳的主要來源是石墨托碗和加熱部件。直拉硅單晶的碳含量一般為部件。直拉硅單晶的碳含量一般為101631017/cm3。p因?yàn)槿廴阪N的化學(xué)反應(yīng)性不活潑，利用石墨坩堝能生長出因?yàn)槿廴阪N的化學(xué)反應(yīng)性不活潑，利用石墨坩堝能生長出半導(dǎo)體級(jí)的高純鍺晶體。半導(dǎo)體級(jí)的高純鍺晶體。p通常采用所謂的懸浮坩堝裝置，可以獲得軸向均勻的摻雜通常采用所謂的懸浮坩堝裝置，可以獲得軸向均勻的摻雜分布。用來制造核子探測器的超高純鍺單晶分布。用來制造核子探測器的超高純鍺單晶(殘留的電學(xué)活殘留的電學(xué)活性雜質(zhì)濃度在性雜質(zhì)濃度在1016/cm3才以下才以下)，則用石英坩堝拉制出來，則用石英坩堝拉制出來。p1961年，在中國

38、半導(dǎo)體研究所林蘭英院士的指導(dǎo)下我國研年，在中國半導(dǎo)體研究所林蘭英院士的指導(dǎo)下我國研制成功第一臺(tái)硅單晶爐，單晶直徑為制成功第一臺(tái)硅單晶爐，單晶直徑為20mm(0.8in);p1972年年73mm(1.5英寸英寸)1979年年50mm (2英寸英寸)1983年年75mm(3英寸英寸)1991年年100mm(4英寸英寸)1996年年150 mm(6英英寸寸)1998年年200 mm(8英寸英寸)p己經(jīng)能夠滿足穩(wěn)定生產(chǎn)己經(jīng)能夠滿足穩(wěn)定生產(chǎn)200 mm集成電路級(jí)的硅單晶，能夠集成電路級(jí)的硅單晶，能夠滿足規(guī)模生產(chǎn)滿足規(guī)模生產(chǎn)212mm( 8.5英寸英寸)的太陽能光伏電池級(jí)硅單晶的太陽能光伏電池級(jí)硅單晶的能

39、力的能力;p300mm(12英寸英寸)的硅單晶商品化。的硅單晶商品化。p目前，目前，98%98%的電子元件都是用硅材料制作的，其中約的電子元件都是用硅材料制作的，其中約85%85%是用直拉硅單晶制作的。是用直拉硅單晶制作的。p直拉硅單晶由于具有較高的氧含量，機(jī)械強(qiáng)度比直拉硅單晶由于具有較高的氧含量，機(jī)械強(qiáng)度比FzFz硅單晶大，在制電子器件過程申不容易形變。硅單晶大，在制電子器件過程申不容易形變。p由于它的生長是把硅熔融在石英坩堝中，而逐漸拉由于它的生長是把硅熔融在石英坩堝中，而逐漸拉制出的，其直徑容易做得大。目前直徑制出的，其直徑容易做得大。目前直徑300mm300mm的硅單的硅單晶己商品化，

40、直徑晶己商品化，直徑450mm450mm的硅單晶已試制成功，直徑的硅單晶已試制成功，直徑的增大，有利于降低電子元器件的單位成本。的增大，有利于降低電子元器件的單位成本。CzCz法基本設(shè)備有法基本設(shè)備有: :爐體、晶體及坩堝的升降和傳動(dòng)部分、電爐體、晶體及坩堝的升降和傳動(dòng)部分、電器控制部分和氣體制部分，此外還有熱場的配置。器控制部分和氣體制部分，此外還有熱場的配置。(1)(1) 爐體：爐體：爐體采用夾層水冷式的不銹鋼爐壁，上下爐室用爐體采用夾層水冷式的不銹鋼爐壁，上下爐室用隔離閥隔開，上爐室為生長完成后的晶棒停留室，下爐室隔離閥隔開，上爐室為生長完成后的晶棒停留室，下爐室為單晶生長室，其中配有熱

41、場系統(tǒng)。為單晶生長室，其中配有熱場系統(tǒng)。(2) (2) 晶體及坩堝的轉(zhuǎn)動(dòng)及提升部分：晶體及坩堝的轉(zhuǎn)動(dòng)及提升部分：晶體一般由軟軸即吊線晶體一般由軟軸即吊線掛住，軟軸可用不銹鋼或鎢絲做成。在爐的頂部配有晶軸掛住，軟軸可用不銹鋼或鎢絲做成。在爐的頂部配有晶軸的旋轉(zhuǎn)和提升機(jī)構(gòu)。坩堝支撐軸為空心水冷式的不銹鋼軸的旋轉(zhuǎn)和提升機(jī)構(gòu)。坩堝支撐軸為空心水冷式的不銹鋼軸。在爐體下部配有轉(zhuǎn)動(dòng)及升降機(jī)構(gòu)。拉晶時(shí)，晶體和坩堝。在爐體下部配有轉(zhuǎn)動(dòng)及升降機(jī)構(gòu)。拉晶時(shí)，晶體和坩堝是反向旋轉(zhuǎn)的。是反向旋轉(zhuǎn)的。8.4.3.1 Cz8.4.3.1 Cz法的基本設(shè)備法的基本設(shè)備CzCz法的基本設(shè)備法的基本設(shè)備泄漏托盤（爐底護(hù)盤）泄漏

42、托盤（爐底護(hù)盤）單晶硅單晶硅石英坩堝石英坩堝碳加熱器碳加熱器石墨坩堝石墨坩堝坩堝支柱（軸）坩堝支柱（軸）電極電極水冷室水冷室隔熱屏（保溫筒）隔熱屏（保溫筒）籽晶籽晶直拉單晶爐部件直拉單晶爐部件(3)控制部分：控制部分：控制部分是用以晶體生長中控制各種參數(shù)的電控制部分是用以晶體生長中控制各種參數(shù)的電控系統(tǒng)，直徑控制器通過控系統(tǒng)，直徑控制器通過CCD讀取晶體直徑讀取晶體直徑;并將讀數(shù)送并將讀數(shù)送至控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)會(huì)輸出信號(hào)調(diào)整拉速及溫度，以使至控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)會(huì)輸出信號(hào)調(diào)整拉速及溫度，以使晶體直徑維持在設(shè)定位。同樣的，控制器對(duì)晶體轉(zhuǎn)速、坩晶體直徑維持在設(shè)定位。同樣的，控制器對(duì)晶體轉(zhuǎn)速、坩堝轉(zhuǎn)速

43、、坩堝升速、爐內(nèi)壓力堝轉(zhuǎn)速、坩堝升速、爐內(nèi)壓力;Ar流量、冷卻水流量及各流量、冷卻水流量及各項(xiàng)安全報(bào)警等進(jìn)行著全程監(jiān)控項(xiàng)安全報(bào)警等進(jìn)行著全程監(jiān)控;(4) 氣體控制部分：氣體控制部分：主要控制爐內(nèi)壓力和氣體流量，爐內(nèi)壓主要控制爐內(nèi)壓力和氣體流量，爐內(nèi)壓力力-般為般為10-20torr(毫米汞柱，毫米汞柱，ltorr= 133.322Pa), Ar流量一流量一般為般為60-150slpm(標(biāo)升標(biāo)升/分分)。8.4.3.1 Cz8.4.3.1 Cz法的基本設(shè)備法的基本設(shè)備(5） 熱場配置熱場配置p熱場包括石英坩堝、石墨坩堝、加熱器、保溫層等。熱場包括石英坩堝、石墨坩堝、加熱器、保溫層等。p石英坩堝石

44、英坩堝內(nèi)層一般須涂一層高純度的內(nèi)層一般須涂一層高純度的SiO2，以減少普通石，以減少普通石英中的雜質(zhì)對(duì)熔硅的污染。由于石英在英中的雜質(zhì)對(duì)熔硅的污染。由于石英在1420時(shí)會(huì)軟化，時(shí)會(huì)軟化，將石英坩堝置于石墨坩堝之中，由石墨坩堝支撐著。將石英坩堝置于石墨坩堝之中，由石墨坩堝支撐著。p石墨坩堝石墨坩堝通過一石墨桿與爐體的坩堝軸連接。為了避免在通過一石墨桿與爐體的坩堝軸連接。為了避免在硅液體凝固時(shí)膨脹撐破石墨坩堝，將石墨坩堝做成兩瓣或硅液體凝固時(shí)膨脹撐破石墨坩堝，將石墨坩堝做成兩瓣或三瓣，以釋放硅凝固時(shí)的應(yīng)力。碳素纖維做成的坩堝可做三瓣，以釋放硅凝固時(shí)的應(yīng)力。碳素纖維做成的坩堝可做成整體的。成整體的。

45、8.4.3.1 Cz8.4.3.1 Cz法的基本設(shè)備法的基本設(shè)備(5） 熱場配置熱場配置p加熱器加熱器的作用在于提供熱能。目前加熱器一般為電阻式的的作用在于提供熱能。目前加熱器一般為電阻式的，用石墨或碳素纖維做成，電力為低壓大電流的直流供電，用石墨或碳素纖維做成，電力為低壓大電流的直流供電系統(tǒng)。電壓只有幾十伏系統(tǒng)。電壓只有幾十伏;而電流為幾千安培，所以加熱器而電流為幾千安培，所以加熱器的電阻只有的電阻只有0.01-0.015。p保溫層保溫層一般用石墨和碳?xì)肿龀?，使加熱器發(fā)生的熱盡可能一般用石墨和碳?xì)肿龀?，使加熱器發(fā)生的熱盡可能少地直接輻射到爐壁而被冷卻水帶走。少地直接輻射到爐壁而被冷卻水帶走。

46、8.4.3.1 Cz8.4.3.1 Cz法的基本設(shè)備法的基本設(shè)備 熱場的部件主要包括石熱場的部件主要包括石墨加熱器、三瓣坩堝、墨加熱器、三瓣坩堝、導(dǎo)流筒、保溫筒、堝托導(dǎo)流筒、保溫筒、堝托、坩堝軸、爐底護(hù)盤等、坩堝軸、爐底護(hù)盤等等等熱場的各個(gè)部件主要是采用石墨材料加工而成的，而石熱場的各個(gè)部件主要是采用石墨材料加工而成的，而石墨炭素材料從制成原理分成等靜壓、擠壓和模壓三種。墨炭素材料從制成原理分成等靜壓、擠壓和模壓三種。熱場關(guān)鍵部件如石墨加熱器、三瓣坩堝、導(dǎo)流筒等原則熱場關(guān)鍵部件如石墨加熱器、三瓣坩堝、導(dǎo)流筒等原則上是必須要求用等靜壓材的上是必須要求用等靜壓材的中國目前生產(chǎn)加熱器的廠家很多，所使

47、用的材料也多是中國目前生產(chǎn)加熱器的廠家很多，所使用的材料也多是日本和德國的石墨炭素材料，部分使用國產(chǎn)的材料日本和德國的石墨炭素材料，部分使用國產(chǎn)的材料 (1)(1)溫度梯度與單晶生長溫度梯度與單晶生長 讓熔體在一定的過冷度下，將籽晶作為唯一的非自發(fā)晶讓熔體在一定的過冷度下，將籽晶作為唯一的非自發(fā)晶核插入熔體核插入熔體; ;籽晶下面生成二維晶核，橫向排列，單晶就籽晶下面生成二維晶核，橫向排列，單晶就逐漸形成了，但是要求一定的過冷度，才有利于二維晶核逐漸形成了，但是要求一定的過冷度，才有利于二維晶核的不斷形成，同時(shí)不允許其他地方產(chǎn)生新的晶核的不斷形成，同時(shí)不允許其他地方產(chǎn)生新的晶核; ;熱場的熱場

48、的溫度梯度必須滿足這個(gè)要求溫度梯度必須滿足這個(gè)要求; ;靜態(tài)熱場靜態(tài)熱場動(dòng)態(tài)熱場動(dòng)態(tài)熱場8.4.3.2 8.4.3.2 熱場熱場(1)溫度梯度與單晶生長溫度梯度與單晶生長p對(duì)對(duì)靜態(tài)熱場靜態(tài)熱場的溫度分布進(jìn)行測量，沿著加熱器的中心軸線的溫度分布進(jìn)行測量，沿著加熱器的中心軸線測量溫度的變化發(fā)現(xiàn)加熱器的中心偏下溫度最高。縱向溫測量溫度的變化發(fā)現(xiàn)加熱器的中心偏下溫度最高。縱向溫度梯度用度梯度用dT/dy表示，徑向溫度表示，徑向溫度dT/dr是中心向外逐漸上升是中心向外逐漸上升的，中心最低，加熱器邊緣最高，成拋物線變化。的，中心最低，加熱器邊緣最高，成拋物線變化。加熱器溫度分布示意圖加熱器溫度分布示意圖

49、8.4.3.2 8.4.3.2 熱場熱場晶體的縱向溫度梯度晶體的縱向溫度梯度 T TA A為結(jié)晶溫度，虛線表示液面。為結(jié)晶溫度，虛線表示液面。Czochralski crystal growth and temperature distribution. (1)(1)溫度梯度與單晶生長溫度梯度與單晶生長p當(dāng)當(dāng) 較大時(shí)，有利于結(jié)晶潛熱的散發(fā)，對(duì)提高拉速有較大時(shí)，有利于結(jié)晶潛熱的散發(fā)，對(duì)提高拉速有利。實(shí)際上，因?yàn)楸叵到y(tǒng)的制約它不可能太大。利。實(shí)際上，因?yàn)楸叵到y(tǒng)的制約它不可能太大。 p晶體生長時(shí)，熔體的縱向溫度梯度晶體生長時(shí)，熔體的縱向溫度梯度 較大時(shí)，在液體較大時(shí)，在液體中不容易生成其他晶核，

50、利于保持單晶生長，但不利于提高中不容易生成其他晶核，利于保持單晶生長，但不利于提高拉速。拉速。sdTdyLdTdy8.4.3.2 8.4.3.2 熱場熱場LdTdy與晶體生長情況與晶體生長情況LdTdy大大生長界面平生長界面平坦，晶體生坦，晶體生長穩(wěn)定長穩(wěn)定小小負(fù)值負(fù)值無法進(jìn)無法進(jìn)行單晶行單晶生長生長晶體生長不穩(wěn)定晶體生長不穩(wěn)定(1)(1)溫度梯度與單晶生長溫度梯度與單晶生長p熱場的徑向溫度梯度，由加熱器供給的熱能、結(jié)晶釋放的熱場的徑向溫度梯度，由加熱器供給的熱能、結(jié)晶釋放的潛熱和熱能的散發(fā)決定。潛熱和熱能的散發(fā)決定。p固液交界面處，一般來講，晶體上部，中心溫度較低，晶固液交界面處，一般來講，

51、晶體上部，中心溫度較低，晶體邊緣溫度較高，固液界面對(duì)體而言呈凸形；體邊緣溫度較高，固液界面對(duì)體而言呈凸形；p晶體下部，中心溫度較高，晶體邊緣溫度較低，固液界面晶體下部，中心溫度較高，晶體邊緣溫度較低，固液界面對(duì)晶體而言呈凹形。對(duì)晶體而言呈凹形。8.4.3.2 8.4.3.2 熱場熱場0SdTdr0LdTdr在晶體生長中，結(jié)晶界面處的徑向溫度梯度在晶體生長中，結(jié)晶界面處的徑向溫度梯度p硅單晶放肩時(shí)，結(jié)晶界面凸向熔體。隨著晶體的生長，凸硅單晶放肩時(shí)，結(jié)晶界面凸向熔體。隨著晶體的生長，凸的趨勢慢慢減弱，凸界面逐漸變平，然后又由平逐漸凹向的趨勢慢慢減弱，凸界面逐漸變平，然后又由平逐漸凹向晶體，越到尾部

52、凹的趨勢越明顯。晶體，越到尾部凹的趨勢越明顯。p由于現(xiàn)在裝料量大，晶體直徑也大，作到結(jié)晶界面很平坦由于現(xiàn)在裝料量大，晶體直徑也大，作到結(jié)晶界面很平坦是不容易的。平坦的界面有利于二維晶核的成核及長大。是不容易的。平坦的界面有利于二維晶核的成核及長大。S LdTdr8.4.3.2 8.4.3.2 熱場熱場(1)(1)溫度梯度與單晶生長溫度梯度與單晶生長合理的熱場，其分布應(yīng)該滿足如下條件：合理的熱場，其分布應(yīng)該滿足如下條件：p晶體中縱向溫度梯度晶體中縱向溫度梯度 足夠大，但不能過大。足夠大，但不能過大。p熔體中的縱向溫度梯度熔體中的縱向溫度梯度 比較大保證熔體內(nèi)不產(chǎn)生比較大保證熔體內(nèi)不產(chǎn)生新的晶核，

53、但是，過大對(duì)提高拉速不利。新的晶核，但是，過大對(duì)提高拉速不利。p結(jié)晶界面處的縱向溫度梯度結(jié)晶界面處的縱向溫度梯度 適當(dāng)?shù)拇?，使單晶有適當(dāng)?shù)拇螅箚尉в凶銐虻纳L動(dòng)力，但不能太大，否則會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷；徑向足夠的生長動(dòng)力，但不能太大，否則會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷；徑向溫度梯度盡可能小，即溫度梯度盡可能小，即 ，使結(jié)晶界面趨于，使結(jié)晶界面趨于平坦。平坦。sdTdyLdTdySLdTdy0SLdTdr8.4.3.2 8.4.3.2 熱場熱場原料的準(zhǔn)備原料的準(zhǔn)備p還原爐中取出的多晶硅，經(jīng)破碎成塊狀，用還原爐中取出的多晶硅，經(jīng)破碎成塊狀，用HF和和HNO3的的混合溶液進(jìn)行腐蝕，再用純凈水進(jìn)行清洗，直到中性，烘混合溶

54、液進(jìn)行腐蝕，再用純凈水進(jìn)行清洗，直到中性，烘干后備用。干后備用。HF濃度濃度40%，HNO3濃度為濃度為68%。一般。一般HNO3：HF=5：1(體積比體積比)。最后再作適當(dāng)調(diào)整。反應(yīng)式。最后再作適當(dāng)調(diào)整。反應(yīng)式Si+2HNO3 =SiO2+2HNO22HNO2=NO+NO2+H2OSiO2+6HF=H2SiF6+2H2O綜合反應(yīng)式綜合反應(yīng)式 Si+2HNO3+6HF=H2SiF6+ NO2+3H2O8.4.3.3 8.4.3.3 原輔料準(zhǔn)備原輔料準(zhǔn)備p腐蝕清洗的目的是除去運(yùn)輸和硅塊加工中，在硅料表面腐蝕清洗的目的是除去運(yùn)輸和硅塊加工中，在硅料表面留下的污染物。留下的污染物。pHNOHNO3

55、3比例偏大有利于氧化，比例偏大有利于氧化， HFHF的比例偏大有利于的比例偏大有利于SiOSiO2 2的剝的剝離，離， 若若HFHF的比例偏小，就有可能在硅料表面殘留的比例偏小，就有可能在硅料表面殘留SiOSiO2 2，所，所以控制好以控制好HNOHNO3 3和和HFHF的比例是很重要的。的比例是很重要的。p腐蝕時(shí)間要根據(jù)硅料表面污染程度的不同而不同。清洗所腐蝕時(shí)間要根據(jù)硅料表面污染程度的不同而不同。清洗所用純水的純度為：電阻率用純水的純度為：電阻率12M12Mcmcm。清洗中浮渣一定要。清洗中浮渣一定要漂洗干凈。還必須指出的是，腐蝕清洗前必須將附在硅原漂洗干凈。還必須指出的是，腐蝕清洗前必須

56、將附在硅原料上的石墨、石英渣及油污等清除干凈。料上的石墨、石英渣及油污等清除干凈。p石英坩堝若為已清潔處理的免洗坩堝，則拆封后就可使用石英坩堝若為已清潔處理的免洗坩堝，則拆封后就可使用，否則也需經(jīng)腐蝕清洗后才能使用?，F(xiàn)在使用的，否則也需經(jīng)腐蝕清洗后才能使用?，F(xiàn)在使用的10in10in以以上的坩堝，都是免洗坩堝。上的坩堝，都是免洗坩堝。p所用的籽晶也必須經(jīng)過腐蝕清洗后才能使用。所用的籽晶也必須經(jīng)過腐蝕清洗后才能使用。8.4.3.3 8.4.3.3 原輔料準(zhǔn)備原輔料準(zhǔn)備p籽晶是生長單晶硅的種子，目前用得最多的有籽晶是生長單晶硅的種子，目前用得最多的有 111和和100晶向，偶爾用到晶向，偶爾用到1

57、10晶向。晶向。p用用 11l晶向籽晶生長晶向籽晶生長 的單晶仍然是的單晶仍然是 111晶向，它具晶向，它具有三條對(duì)稱的棱線，互成有三條對(duì)稱的棱線，互成120 分布分布;p用用 100晶向的籽晶，生長的單晶仍然是晶向的籽晶，生長的單晶仍然是 100晶向，晶向，它具有四條互成它具有四條互成90 分布的對(duì)稱棱線。分布的對(duì)稱棱線。p這是指正晶向的情況。如果籽晶的晶向偏高度較大，這是指正晶向的情況。如果籽晶的晶向偏高度較大，或者安裝固定籽晶時(shí)發(fā)生了較大偏或者安裝固定籽晶時(shí)發(fā)生了較大偏 離，生長出來的離，生長出來的單晶，對(duì)稱性就差一些，相鄰棱線之間的夾角有寬有單晶，對(duì)稱性就差一些，相鄰棱線之間的夾角有寬

58、有窄，不但影響成晶率，均勻性變差，晶向偏離大，切窄，不但影響成晶率，均勻性變差，晶向偏離大，切片也受影響。片也受影響。籽晶籽晶8.4.3.3 8.4.3.3 原輔料準(zhǔn)備原輔料準(zhǔn)備單晶爐拉晶籽晶單晶爐拉晶籽晶規(guī)格規(guī)格直徑（直徑（mm）長度長度(mm)位錯(cuò)位錯(cuò)晶向偏差晶向偏差方籽晶方籽晶1010或或1212100-120無無 1o圓籽晶圓籽晶12100-120無無 1op籽晶可以利用單晶硅定向切割而成，一般規(guī)格為籽晶可以利用單晶硅定向切割而成，一般規(guī)格為8 88 8100100（mmmm），裝料量較大時(shí)可選用加強(qiáng)型籽晶，），裝料量較大時(shí)可選用加強(qiáng)型籽晶，10101010120(mm)120(mm)

59、或更長大些。切割下來的籽晶除去黏膠或更長大些。切割下來的籽晶除去黏膠，剔出邊角料，再次定向，選出偏離度，剔出邊角料，再次定向，選出偏離度0.50.5的備用。的備用。p籽晶在使用中，有一部分要融入硅熔體，這就意味著籽晶籽晶在使用中，有一部分要融入硅熔體，這就意味著籽晶中的雜質(zhì)熔進(jìn)了硅液中，因此中的雜質(zhì)熔進(jìn)了硅液中，因此切割籽晶用的單晶電阻率最切割籽晶用的單晶電阻率最好高一些好高一些，這樣的新籽晶實(shí)用性強(qiáng)，無論拉制低阻單晶，這樣的新籽晶實(shí)用性強(qiáng)，無論拉制低阻單晶，還是高阻單晶，還是高阻單晶，N N 型的，還是型的，還是P P型的都可以用。型的都可以用。p但是如果已經(jīng)拉制過單晶的舊籽晶就不能隨便使用

60、了，例但是如果已經(jīng)拉制過單晶的舊籽晶就不能隨便使用了，例如，重?fù)絾尉У淖丫Ь筒荒芑仡^再拉制輕摻單晶了。拉制如，重?fù)絾尉У淖丫Ь筒荒芑仡^再拉制輕摻單晶了。拉制過不同型號(hào)的舊籽晶也不要混用。重?fù)阶丫ё詈昧砑訕?biāo)識(shí)過不同型號(hào)的舊籽晶也不要混用。重?fù)阶丫ё詈昧砑訕?biāo)識(shí)，嚴(yán)防誤用。，嚴(yán)防誤用。籽晶籽晶8.4.3.3 8.4.3.3 原輔料準(zhǔn)備原輔料準(zhǔn)備p籽晶在使用前，應(yīng)按照籽晶在夾頭上的固定方式在籽晶上籽晶在使用前，應(yīng)按照籽晶在夾頭上的固定方式在籽晶上切出小口，或者開出小槽，以便用鉬絲捆綁。切出小口，或者開出小槽，以便用鉬絲捆綁。p鉬是熔點(diǎn)很高鉬是熔點(diǎn)很高 （26002600) ) ，鉬絲在直拉爐上有兩個(gè)用