拉晶教程PPT課件

1、1.單晶的制造方法 1. 直拉法 （切克勞斯基法、CZ法）：利用旋轉(zhuǎn)著的籽晶從坩堝中的溶液提拉制備出單晶的方法 課程的主要內(nèi)容第1頁/共23頁 2. 區(qū)熔法 （FZ法） ：采用高頻率線圈從外圍來加熱溶解多晶棒，在與籽晶接觸后移動線圈的方法制取單晶。第2頁/共23頁2. 硅單晶的生長圖1 單晶生長裝置概略圖2.1 硅單晶的生長裝置 機械部分 電氣部分 （1）硬件方面 1.在單晶旋轉(zhuǎn)的同時能上拉 2.軟軸驅(qū)動部、坩堝移動驅(qū)動部 的構(gòu)造能耐高重量負(fù)荷 3.坩堝旋轉(zhuǎn)的同時能夠上下移動 4.耐減壓、耐高溫的構(gòu)造 5.裝置要密封，無漏氣等 6.在停電、地震等非常情況有安全對策功能第3頁/共23頁(2)軟件

2、方面 1.在輸入工藝數(shù)據(jù)后，能自動控制各流程； 2.在單晶等晶過程中具備直徑控制、拉晶速度控制的功能。本控制的程序塊圖表如圖2所示直徑計測值直徑設(shè)定值-+P I D 計算P I D 計算引上速度設(shè)定值出力引上速度平均值引上速度設(shè)定值-+溫度設(shè)定值出力圖2 單晶直徑控制和拉速控制程序模塊第4頁/共23頁 2.2 拉晶工藝過程圖3 拉晶基本流程第5頁/共23頁1） 拆 爐 準(zhǔn)備拆爐用品：1.耐高溫手套 2.酒精（無水乙醇） 3.無塵布 或綢布（可重復(fù)使用） 4.臺車 5.穿好工作服，戴好口罩等注意事項：1.清理干凈（沉積的硅化 物及積硅）2.檢查石墨件的使用情況（裂紋，變形，螺絲松動等）3.安裝熱

3、場要均勻，對稱 4.取光孔要對準(zhǔn)第6頁/共23頁2） 裝料、熔料 3） 籽晶與熔硅的熔接a. 溫度的穩(wěn)定（裝料量越大，所需時間越長）b. 籽晶的預(yù)熱（減少籽晶與熔體的溫度差，從而減少籽晶中產(chǎn)生的熱應(yīng)力） a. 石英坩堝的檢查及安裝（是否有孔、氣泡、黑點、氣泡群或劃傷等） b. 多晶硅的安裝注意點 c. 摻雜 （確認(rèn)與工藝單上一致） 4） 引晶 a. 排除籽晶中的位錯b. 拉速1-5mm/min 直徑3-5mm 長度80-150mm第7頁/共23頁 5） 放 肩 a.減慢提拉速度 （0.5mm） b.降低溶液溫度 （140-160） 6） 轉(zhuǎn) 肩 a.接近預(yù)定目標(biāo)直徑時，提高 拉速(提至150m

4、m/h） b.為保持液面的不變，轉(zhuǎn)肩時或轉(zhuǎn)肩后應(yīng)開啟堝升第8頁/共23頁 7） 等徑生長 a.達(dá)到目標(biāo)直徑時，能實現(xiàn)直徑的自動控制 b.保持晶體的無位錯生長 溫度梯度（軸向、徑向溫度梯度不能過大） 難熔固體顆粒、爐塵（坩堝中的熔體中的SiO揮發(fā)后，在爐膛氣氛中冷卻混結(jié)成的顆粒）、坩堝起皮后的脫落物等方法：1.調(diào)整熱場的結(jié)構(gòu)和坩堝在熱場中的初始位置，可改變晶體中的溫度梯度 2.調(diào)節(jié)保護(hù)氣體的流量、壓力，調(diào)整氣體的流向，可以帶走揮發(fā)物SiO和有害雜質(zhì)CO氣體，防止?fàn)t塵掉落c.無位錯單晶的判斷（111晶向、100晶向）第9頁/共23頁 8） 收 尾 （防止位錯反延） a.逐步縮小晶體的直徑直至最后縮

5、小成為一點 提高拉速 升高溫度 b.位錯反延的距離大約等于生長界面的直徑 c.影響單晶的成品率 9） 冷 卻 停止石墨加熱器的加熱，使單晶冷卻，此時單晶處于急速冷卻狀態(tài)，需調(diào)整冷卻速度，防止單晶產(chǎn)生缺陷（內(nèi)裂，冷卻提速60-80mm，后可減至200mm） 冷卻時間 單晶直徑 剩余堝底料 第10頁/共23頁單晶生長參數(shù)相關(guān)單晶特性1.多晶裝料量2.雜質(zhì)種類（摻雜）3.雜質(zhì)摻雜量4.單晶旋轉(zhuǎn)數(shù)5.坩堝旋轉(zhuǎn)數(shù)6.初始坩堝位置7.單晶生長速度8.單晶冷卻條件1.導(dǎo)電型號（P型或N型）2.電阻率 ( )3.斷面內(nèi)電阻率變化率 ( )4.氧濃度 ( Oi )5.碳濃度 ( Cs )6.單晶缺陷 ( OSF

6、, MD )2.3 拉晶條件和單晶特性a. 晶面 （由籽晶的晶面決定）第11頁/共23頁 b. 導(dǎo)電型 代表性摻雜物和導(dǎo)電型 P型摻雜 B（硼） （鋁鎵銦） N型摻雜 P（磷），Sb（銻），As（砷） c. 電阻率 單晶在固化時出現(xiàn)摻雜劑的偏析現(xiàn)象，單晶頭尾電阻率的變化趨勢 降低比例視摻雜劑的分凝系數(shù)而定。（雜質(zhì)濃度與電阻率反比） B 0.8 P 0.35 As 0.3 Sb 0.026 d. 氧濃度 石英坩堝 硅溶液 單晶棒 1% 以氧化硅的形式從融液表面蒸發(fā)掉 99% 第12頁/共23頁 e. 碳濃度 構(gòu)成熱場的石墨材料 硅多晶混入單晶中 2.4 再加料工藝 提高單晶的生產(chǎn)效率 再加料的注

7、意事項： 第13頁/共23頁 2.5 硅晶體的摻雜 mCsKoWdMNo=目標(biāo)濃度投料量分凝系數(shù)硅的密度阿伏伽德羅常數(shù)摻雜元素原子量m合金KoWsiC合金=CsiCsi目標(biāo)濃度投料量分凝系數(shù)摻雜母合金濃度第14頁/共23頁 例題1：需要拉制重?fù)脚饐尉Ч?，裝料量為60Kg，目標(biāo)電阻率為510-3cm,試計算需要摻入高純硼多少克？ 解：W=60000g d=2.33g/cm3 Cs=2.011019(從表中查出510-3cm對應(yīng)的雜質(zhì)濃度值) M=10.81 （元素周期表 B） No=6.021023 Ko=0.8 2.011019 60000 10.81 M= 11.614g 0.8 2.33

8、6.021023 例題2：裝入60kg高純多晶硅，拉制成812 cm 的摻磷單晶硅，需要摻入 610-3cm 的母合金多少克? 解：以頭部為11 cm 計算摻雜較有保證，可查表得對應(yīng)的目標(biāo)濃度為41014 ，查母合金610-3cm對應(yīng)的濃度為 C合金=1.11019 W=60000g 41014 M = 60000 = 6.85g 0.35 1.1101941014第15頁/共23頁2.6 堝升速度的計算方法保持液面在熱場中的位置不變固液界面穩(wěn)定有利于單晶生長開啟堝升一定的上升速度（堝升隨動）堝升隨動速度偏小液面下降堝升隨動速度偏大液面上升在相同時間內(nèi)生長出的單晶質(zhì)量等于堝升隨動補充的液體質(zhì)量

9、合適的堝升隨動=第16頁/共23頁計算如下：生長出的晶體質(zhì)量： s=1/4 2 S ts 式中 S晶體拉速 t生長時間 s固態(tài)Si密度：2.33g/cm3 晶體直徑補充的液體質(zhì)量： L=1/4 2 S tL 式中 S 堝比隨動速度 t生長時間 L液態(tài)Si密度：2.5g/cm3 坩堝內(nèi)徑s= L S 2 s = S 2 L 2 即 S =0.932 S 2 第17頁/共23頁例：測得457mm坩堝的內(nèi)徑為439mm，晶體直徑為205mm，當(dāng)籽晶的提拉速度為1.6mm/min時，坩堝隨動應(yīng)為多少？ 2 205 205解： S =0.932 S=0.932 1.6 0.325 （mm/min） 2

10、439 439 第18頁/共23頁3. 異常情況及處理方法a. 掛邊或搭橋原因：1.裝料間隙大，增加料的總高度 2.沒有裝成小山型，坩堝上壁接觸硅料較多3.熔料時，沒有及時下降堝位或者下降堝位不夠后果：拉晶過程中會黏附上很多揮發(fā)物，時而會掉入堝中，破壞單晶的生長1.降低堝位（不得降過下限位），轉(zhuǎn)動坩堝，將掛邊處轉(zhuǎn)至熱場中溫 度較高的一方（一般在兩邊電極的方位）2.升高功率，讓掛邊處硅料迅速熔化處理方法：注意：防止“跳硅” 第19頁/共23頁坩堝裂縫的具體情況b. 坩堝裂縫1.熔料時發(fā)現(xiàn)堝裂，立即降溫停爐2.拉晶時發(fā)現(xiàn)堝裂，視裂紋是否深入液體情況處理方法：降溫停爐時，要將坩堝升至最高處，防止結(jié)晶時，坩堝炸裂，脹破加熱器 后果：燒壞部件，造成重大損失第20頁/共23頁c. 突然停電、停水1.瞬間停電（幾秒），檢查恢復(fù)停電前的工藝狀態(tài)，并進(jìn)行干預(yù)，使工藝恢復(fù)正常，2.停電時間較長，液面都快結(jié)晶，則應(yīng)先關(guān)閉真空泵，并手動搖柄將坩堝下降或轉(zhuǎn)動晶升電機（注意方向），使單晶脫離液面，同時關(guān)閉氬氣閥（防止正壓）及時來電或者長時間不來電，視具體情況具體操作停水的主要原因：循環(huán)水泵燒壞、缺相或抽不上水停水的后果：爐壁、爐蓋