半導(dǎo)體物理講義

1、半導(dǎo)體物理講義一、硅的性質(zhì)硅是一種呈灰色金屬光澤的半金屬。所謂半金屬是其一些物理，化學(xué)特性介于金屬和非金屬之間的元素。硅無(wú)毒，無(wú)害，性脆，易碎。元素符號(hào)為Si，屬周期表中第三周期A族元素，比重為2.33，原子序數(shù)14，原子量為28.086。在自然界中沒(méi)有游離狀態(tài)的硅、多呈氧化物狀態(tài)存在。在巖石圈（自表面深度為16公里內(nèi)的地殼）中的豐度為27.6（重量）%，因而硅的資源極為豐富。硅的資源雖然極為豐富，但由于其在自然界中呈氧化物狀態(tài)存在，想要獲得半導(dǎo)體級(jí)硅實(shí)為不是一件易事。硅的主要原子價(jià)態(tài)是4價(jià)，其次是2價(jià)。常溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于強(qiáng)酸，易溶于堿。在高溫下性質(zhì)活潑，易與多種物資發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。硅在

2、自然界的同位素及其所占的比例分別為：28Si為92.23%, 29Si為4.67 %，30Si為3.10 %。常壓下硅的晶體結(jié)構(gòu)為金剛石型，=0.5431nm, 加壓到15GPa時(shí)，改變?yōu)槊嫘牧⒎叫停?0.6636nm。硅純化到一定程度為良好半導(dǎo)體材料。所謂半導(dǎo)體，是指其電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間，其范圍為10-3-1010.cm的一種固體物質(zhì)。如載流子濃度為1×1018 cm-3的N型重?fù)焦鑶尉?，其電阻率大約為5×10-2.cm，而載流子濃度為1×1012 cm-3的N型高純度硅單晶，其電阻率大約為5000.cm。載流子濃度是一個(gè)與雜質(zhì)濃度有關(guān)的重要電學(xué)參數(shù)，雜

3、質(zhì)含量多少是影響電阻率大小的重要因素。電流是帶正電的空穴和帶負(fù)電的電子定向傳輸實(shí)現(xiàn)的。硅是一種神奇元素，通常的工業(yè)硅（99.0 - 99.9%）不具有半導(dǎo)體性能。這種純度水平的硅多用在制造硅鋼片或與鋁制成合金用在汽車工業(yè)上。只有將硅提純到很高純度，即人們常說(shuō)的89（99.999999 %）到99 （99.9999999 %）時(shí)就顯示出其優(yōu)異的半導(dǎo)體材料性能。半導(dǎo)體硅材料包括：硅多晶，硅單晶，硅單晶片（切片，研磨片以及拋光片等）硅外延片，非晶硅和微晶硅，多孔硅以及以硅基材料（SOI和SiGe/Si材料等）。硅材料已成為制造現(xiàn)代半導(dǎo)體器件不可缺少的重要的基礎(chǔ)材料。硅作為半導(dǎo)體材料，其應(yīng)用始于190

4、6年硅檢波器的發(fā)明。第二次世界大戰(zhàn)期間用硅制作出雷達(dá)檢波二極管，整流器。于1950年制作出硅晶體管。硅晶體管的出現(xiàn)標(biāo)志著信息工業(yè)的革命。隨著晶體管的發(fā)明與應(yīng)用，對(duì)半導(dǎo)體硅的純度，雜質(zhì)分布，晶體結(jié)構(gòu)完整性等性能參數(shù)不斷提出新的更高的要求。1956年制備高純多晶硅的西門子法獲得成功，使得多晶硅的純度得到大幅度提高。1952年采用直拉法生長(zhǎng)出第一根硅單晶，在其后又相繼出現(xiàn)了制備單晶純度更高的懸浮區(qū)溶法。1957年又有外延工藝問(wèn)世，這些都為拓寬硅的應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)硅材料的工藝技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。從1958年發(fā)明了集成電路（每個(gè)芯片僅12個(gè)元件）至今40多年間，對(duì)硅的需求量大幅度增加，硅材料的工藝技術(shù)逐

5、漸成熟，生產(chǎn)規(guī)模以及產(chǎn)品質(zhì)量等也不斷得到提高。目前硅材料已成為生產(chǎn)規(guī)模大，單徑直徑最大（300 mm已規(guī)?；a(chǎn)，400 mm處于實(shí)驗(yàn)階段），生產(chǎn)工藝最完善的半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體硅的主要性能如表1所示。為了與鍺（Ge）和化合物半導(dǎo)體砷化鎵（GaAs）作比較，也將它們的性能同時(shí)列于表1中。表1 半導(dǎo)體硅的主要半導(dǎo)體性能性能參數(shù)、SiGeGaAs1晶格常數(shù)（A）5.4315.6755.6542原子數(shù)（cm-3）5.00 X 10224.43 X 10223禁帶寬度（ev）1.120.661.424禁帶類型間接躍遷間接躍遷直接躍遷5電子遷移率（cm2v-1s-1）1350390085006空穴遷移率（

6、cm2v-1s-1）50019004007本征載流子濃度（cm-3）1.45 X 10102.4X10131.79 X 1068本征電阻率（.cm）2.3 X 105471089相對(duì)介電常數(shù)11.916.012.410熱導(dǎo)率（w.cm-1.K-1 ）150(300K)O.65(300K)0.5150(300K)11硬度（莫氏/布氏）6.5/9506/1904.5/-12晶體結(jié)構(gòu)金剛石金剛石閃鋅礦13熔點(diǎn) ( 0C )1420937.41238 除了雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體的電阻率影響之外，還有溫度的影響。當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻率降低，而溫度降低時(shí)，則其電阻率升高。如高純度硅單晶在室溫下的載流子濃度為1010-

7、1011cm-3，相當(dāng)于電阻率幾萬(wàn).cm。而在5000C時(shí)，其載流子濃度為1017cm-3 ，相當(dāng)于電阻率0.06.cm。溫度變化5000C，電阻率可相差百萬(wàn)倍。半導(dǎo)體的性能變化幅度很大。重?fù)桨雽?dǎo)體材料的性質(zhì)接近導(dǎo)體，而高阻半導(dǎo)體材料性質(zhì)則接近絕緣體。不同電阻率的半導(dǎo)體硅材料適用于不同的半導(dǎo)體器件。各種器件的功能源于半導(dǎo)體材料表面的特性和界面特性。而這些特性的體現(xiàn)是兩種器件結(jié)構(gòu)。第一種稱為PN結(jié)。當(dāng)利用擴(kuò)散，合金化或離子注入，外延生長(zhǎng)等化學(xué)物理方法使N型硅和P型硅結(jié)合在一起時(shí)，在二者界面處形成PN結(jié)。這個(gè)PN結(jié)的基本特性就是單向?qū)щ?，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電（整流）或?qū)㈦姶挪ㄖ械臒o(wú)線電信號(hào)檢出（檢

8、波）就是PN結(jié)的主要功能。 當(dāng)太陽(yáng)照射PN結(jié)時(shí)，PN結(jié)兩端就會(huì)形成電勢(shì)差，這叫光生伏打效應(yīng)，是太陽(yáng)能電池的基本原理。在正向電流作用下，PN結(jié)就會(huì)發(fā)出可見(jiàn)光，這是發(fā)光二極管的原理。與PN結(jié)類似的還有肖特基結(jié)，它們還可完成許多其他功能。第二種稱為MOS結(jié)構(gòu)，全稱為金屬-氧化物-硅結(jié)構(gòu)。它由源極，漏極和柵極組成，其作用與真空管極為相似。由于其特殊結(jié)構(gòu)，更適于大規(guī)模集成。MOS結(jié)構(gòu)不僅是存儲(chǔ)器的基本組成件，也是CCD（電荷偶荷器件）的基本單元，它的應(yīng)用就是攝像管。MOS結(jié)構(gòu)的進(jìn)展已經(jīng)延伸到高壓，大電流領(lǐng)域。現(xiàn)代的電力電子器件就是靠MOS集成電路完成的。由此可以看出，半導(dǎo)體硅材料是一種多功能電子材料。二

9、、半導(dǎo)體硅的應(yīng)用及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的作用和地位半導(dǎo)體硅是微電子工業(yè)電力電子工業(yè)最主要的基礎(chǔ)材料。目前世界的半導(dǎo)體器件98 %以上是用硅材料制作的。在硅材料中，直拉（CZ）硅單晶占85%，主要用來(lái)制作晶體管和集成電路以及外延生長(zhǎng)的襯底材料等。區(qū)熔（FZ）硅單晶主要用來(lái)制作大功率可控硅，整流元件以及閘流管等電力電子器件。硅是集成電路的最主要的功能材料，從1958年以來(lái)，幾乎以每3年集成度提高4倍的速度發(fā)展。在電力電子工藝技術(shù)中的應(yīng)用也正在不斷地拓寬，從現(xiàn)在發(fā)展來(lái)看，硅在微電子技術(shù)中的核心地位不會(huì)改變。以信息高速公路為代表的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展，使世界經(jīng)濟(jì)走向全球化，加速了全球的信息資源，物

10、質(zhì)和金融資源的運(yùn)轉(zhuǎn)，使之發(fā)揮更大的效能。全球已經(jīng)進(jìn)入IT的時(shí)代，IT已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要支柱產(chǎn)業(yè)。而半導(dǎo)體硅材料是信息技術(shù)最關(guān)鍵的基礎(chǔ)材料。三、半導(dǎo)體硅材料的制備1、多晶硅的制備：盡管地殼中硅的含量豐富，可稱得上遍地是硅，但硅元素被發(fā)現(xiàn)的卻很晚。其重要原因是硅熔點(diǎn)以上化學(xué)活潑性極強(qiáng)，難以直接純化。半導(dǎo)體硅的純度主要由多晶硅的純度和多晶硅的制備工藝來(lái)保證。多晶硅的純化主要是通過(guò)氯硅烷（SiHCl3），或硅烷（SiH4）制備的，因而氯硅烷（SiHCl3）和硅烷（SiH4）的提純是保證硅純度的關(guān)鍵技術(shù)。目前制備多晶硅普遍采用的如下主要有兩種方法：即氯硅烷（SiHCl3）氫還原法和硅烷（SiH4）

11、熱分解法。前者又稱西門子法，是當(dāng)前采用最多的制備多晶硅方法。上述兩種方法既可制備棒狀硅又可制備粒狀多晶硅。為了讓我們對(duì)多晶硅的純度有一個(gè)基本概念,首先了解一下冶金硅和高純度多晶硅中的主要雜質(zhì)含量的比較。 表2 冶金硅和高純度多晶硅中的主要雜質(zhì)含量雜 質(zhì)冶金級(jí)硅(原子個(gè)數(shù)比)高純度多晶硅(原子個(gè)數(shù)比)雜 質(zhì)冶金級(jí)硅(原子個(gè)數(shù)比)高純度多晶硅(原子個(gè)數(shù)比)Al15004000.001Fe200030000.1B40800.20.007Mn701000.1P205010.03Ni30900.1Cr502000.1V802000.1（1） 、西門子法：利用合成的SiHCl3作為中間產(chǎn)物進(jìn)行進(jìn)精餾提純，

12、之后使精餾提純的SiHCl3進(jìn)入還原爐，經(jīng)過(guò)氫還原而產(chǎn)生的硅沉積在熾熱的硅芯上，并逐漸形成硅多晶棒。工藝流程圖如下所示： 圖2 西門子法工藝流程示意圖西門子法整個(gè)工藝過(guò)程中主要是利用如下一個(gè)可逆化學(xué)反應(yīng)，即：SiHCL 360 SiHCl3 H2西門子法工藝開(kāi)始是將工業(yè)粗硅在3600C進(jìn)行氯化獲得SiHCl3，之后再將SiHCl3進(jìn)行精餾提純后與氫一起通入還原爐，在11000C熾熱的硅芯上使化學(xué)反應(yīng)向左進(jìn)行，最終得到高純度多晶硅。該方法的優(yōu)點(diǎn)： 主流程的反應(yīng)在常壓下進(jìn)行，設(shè)備和操作相對(duì)比較簡(jiǎn)單。 適合規(guī)模化生產(chǎn)。 產(chǎn)品純度高，完全可以滿足制備單晶的質(zhì)量要求。 可以生產(chǎn)比較大的直徑多晶硅棒（20

13、0mm）。 該方法缺點(diǎn)： 物料直接回收率比較低（30%）。 在生產(chǎn)工藝過(guò)程中要產(chǎn)生大量的反應(yīng)副產(chǎn)品，如SICL4等需要進(jìn)行處理或進(jìn)行綜合利用。 生產(chǎn)中出現(xiàn)的氯化物具有很強(qiáng)的腐蝕性，需要采取有效的環(huán)保措施。（2）、硅烷熱分解法：目前進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的工藝流程如下圖所示： 圖3 硅烷法工藝流程示意圖最先合成硅烷的方法是利用如下反應(yīng)，反應(yīng)的介質(zhì)是乙醚或四氫呋喃。由于未解決爆炸問(wèn)題而被棄用。 LiAlH4SiCl4SiH4LiClAlCl3后來(lái)日本小松公司采用如下反應(yīng)得到的硅烷并經(jīng)過(guò)低溫提純，再熱分解制成多晶硅。 Mg2Si4NH4C NH3 SiH42MgCl24NH3該方法由于消耗金屬鎂和液體氮以致

14、于難以降低成本，不能形成大規(guī)模生產(chǎn)。目前是采用新的硅烷法進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，其工藝流程如圖 所示。氯化反應(yīng)器中，壓力為3.5MPa,溫度在5000C條件下發(fā)生反應(yīng)。Si2H23SiCl4 4SiHCl3 經(jīng)過(guò)上述反應(yīng)得到的SiHCL3在歧化反應(yīng)器(1)中進(jìn)行歧化反應(yīng)，在催化劑作用下將發(fā)生如下反應(yīng)：6SiHCL3 70ºC 3SiH2CL23SiCL4經(jīng)過(guò)上述反應(yīng)得到的SiH2CL2需要在另一個(gè)歧化反應(yīng)器（2）中進(jìn)行歧化反應(yīng)，在催化劑作用下將發(fā)生如下反應(yīng)：3 SiH2CL2 2SiHCL3 SiH4 在該反應(yīng)中得到的SiH4在2.5 MPa壓力下進(jìn)行精餾,然后再進(jìn)行熱分解沉積成多晶硅棒。該

15、方法的優(yōu)點(diǎn)： 熱分解率高，接近100%。 流程封閉，產(chǎn)生的廢物少，容易處理。 多晶硅的純度高，可以適于制備更高純度的單晶，如FZ單晶以及探測(cè)器級(jí)單晶。該方法的缺點(diǎn)： 熱分解過(guò)程中容易產(chǎn)生非晶硅，多晶棒的直徑受到限制目前最大直徑為140mm。 工藝與設(shè)備復(fù)雜。在流化床內(nèi)用氫還原氯硅烷或直接使硅烷熱分解可以得到顆粒狀的多晶硅，并可形成規(guī)?；a(chǎn)。顆粒狀的多晶硅多用于CZ單晶硅工藝中的連續(xù)加料。由于顆粒狀的多晶硅的表面積大，容易受到污染，使純度受到影響。經(jīng)過(guò)提純多晶硅的純度得到了大幅度提高，經(jīng)過(guò)基磷，基硼檢測(cè)后，其電阻率應(yīng)為： N型 300 cm。P型 3000 cm。達(dá)到上述純度的多晶硅完全可以滿

16、足半導(dǎo)體器件的要求。 近幾十年來(lái),我國(guó)半導(dǎo)體硅工業(yè)有了飛速發(fā)展,已經(jīng)成為半導(dǎo)體材料生產(chǎn)大國(guó)，但發(fā)展極不平衡。與單晶硅相比，對(duì)多晶硅研究和生產(chǎn)投入不夠，技術(shù)落后，產(chǎn)量低，年產(chǎn)量不足1000噸，而且質(zhì)量不高，遠(yuǎn)不能滿足單晶生產(chǎn)發(fā)展的需要。目前出現(xiàn)多晶硅生產(chǎn)熱潮，但眾多投資者是著眼用于生產(chǎn)太陽(yáng)能電池單晶的低擋多晶硅。為了了解與國(guó)外多晶硅生產(chǎn)的差距，特列下表作為參考。表3 世界多晶硅生產(chǎn)情況和工藝企業(yè)名稱國(guó)別生產(chǎn)規(guī)模T/年生產(chǎn)工藝占世界產(chǎn)量%產(chǎn)品去向Hemlock美國(guó)6100改良西門子法54.11銷售ASMI美國(guó)4000SiH4熱分解法（棒狀）銷售MEMC美國(guó)1400SiH4熱分解法（粒狀）自用三菱硅

17、美國(guó)1000改良西門子法自用德山曹達(dá)日本3300改良西門子法24.37銷售三菱多晶硅日本1600改良西門子法自用住友日本700改良西門子法自用Wacker德國(guó)4000改良西門子法17.32部分銷售MEMC意大利1000改良西門子法4.33自用合計(jì)23100改良西門子法100 改良西門子法約占目前世界生產(chǎn)總量75%，SiH4熱分解法約目前世界生產(chǎn)總量25% 表 4 2000-2005年世界半導(dǎo)體多晶硅需求年 分1994199519961997199819992000200120022005多晶需求量（t）1100013500152471605014500157001730019000210002

18、9500表5 國(guó)內(nèi)外多晶硅生產(chǎn)主要技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目國(guó)內(nèi)原有水平國(guó)內(nèi)多晶硅廠100t/年國(guó)外水平工藝技術(shù)傳統(tǒng)西門子法改良西門子法改良西門子法多晶硅棒直徑mm40-6011580-200還原電耗Kwh/kg（2-4對(duì)棒）400-500（9對(duì)棒）220（20對(duì)棒）180綜合電耗Kwh/kg800-1000300200-250硅粉 kg/kg5-61.61.2-1.4H2 m3/kg25-401.71.5液cl2 kg/kg20-261.61.4產(chǎn)品質(zhì)量 .cmN: 300 P:3000 N: 300-1000 P: 4000-10000 N: 400-1000 P: 4000-10000生產(chǎn)成本 元/k

19、g400-450220160-200摘自2002年上海硅材料年會(huì)文集2、硅單晶的制備、硅單晶及對(duì)其性能的要求所謂硅單晶是不含有大角晶界或?qū)\晶界的硅晶體。半導(dǎo)體硅是多功能材料，從在半導(dǎo)體器件方面的實(shí)際應(yīng)用角度看，都需要使用硅單晶，這不僅是基于對(duì)單晶的純度要求，而且還基于如下眾多的技術(shù)質(zhì)量參數(shù)要求：a、晶體的高完整性。是指結(jié)晶學(xué)結(jié)構(gòu)的完整性,主要要求晶體無(wú)位錯(cuò)，各類微缺陷密度要低。b、摻雜。有意摻入族和族元素以控制晶體的導(dǎo)電型號(hào)和電阻率范圍。c、均勻性。這里主要指決定電阻率的，摻入和族雜質(zhì)元素以及間隙氧雜質(zhì)在晶體中的徑向分布和軸向分布的均勻性。d、晶體取向（生長(zhǎng)軸方向）。e、晶體直徑（按用戶要求）

20、。f、其他如少數(shù)載流子子壽命以及氧，碳含量控制等。特別指出的是，當(dāng)前隨著集成電路的飛速發(fā)展和集成度不斷提高，從降低器件成本考慮，要求硅單晶直徑越來(lái)越大。根據(jù)moores定律，集成度越高，芯片面積越大。以動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（DRAM）為例，1MDRAM芯片的面積為60mm2，1G芯片的面積為420mm2。 1MDRAM芯片至64GDRAM的芯片面積變化情況如下表所示。從器件廠家的經(jīng)濟(jì)利益要求，每枚硅片上的芯片數(shù)應(yīng)當(dāng)100個(gè)。每出現(xiàn)新一代的集成電路，都給硅材料提出新的技術(shù)課題。建立直徑300mm和450mm硅的生產(chǎn)技術(shù)是硅材料發(fā)展的必然趨勢(shì)。表6 DRAM芯片面積隨集成度的變化Bits/chip1M4M1

21、6M64M256M1G4G16G64G面積cm260901301902804206409601400注釋：集成電路（integrated circuit）是將一個(gè)電路的大量元器件集合于一個(gè)單晶片上所制成的器件。、硅單晶的制備方法總體上講，制備半導(dǎo)體材料單晶的方法有很多，但對(duì)制備硅單晶而言，目前普遍采用的主要有兩種。即:、直拉法 (Czochealski method)，也稱有坩堝法。該方法原為波蘭科學(xué)家J Czochralski早在1918年發(fā)明的。他利用此方法測(cè)定結(jié)晶速率，故又稱切克拉斯基法，簡(jiǎn)稱為CZ法。于1950年美國(guó)科學(xué)家G. K. Teal和J. B. Little將該方法成功地移植

22、到拉制鍺單晶上。之后又被G. K.Teal移植到拉制硅單晶上。1960年Dash采用縮徑方法拉制出無(wú)位錯(cuò)硅單晶。這是硅單晶生長(zhǎng)工藝中取得的一大進(jìn)步。工藝基本原理：如圖7所示,將多晶硅料裝在石英坩堝內(nèi)加熱熔化，將固定在籽晶軸上的籽晶一端與熔體表面熔接，待熔接好后開(kāi)始向上提拉并通過(guò)縮頸，放肩，等徑和收尾等生長(zhǎng)過(guò)程將晶體從熔體中沿垂直方向拉制出。 圖4 直拉法單晶生長(zhǎng)工藝原理示意圖目前85% 的硅單晶是用該方法生產(chǎn)的。該方法的主要特點(diǎn)：a、與區(qū)熔（FZ）法相比，設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，便于操作和摻雜方便。b、可拉制大直徑單晶，200 mm和300 mm單晶已經(jīng)商品化生產(chǎn)，更大直徑的單晶，如400mm單晶的制備

23、正在研究中。c、由于物料與石英坩堝發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而氧的引入,單晶的機(jī)械強(qiáng)度高,適于制造集成電路。d、容易實(shí)現(xiàn)直接進(jìn)行摻雜。不足之處: a、由于石英坩堝在高溫下與熔硅發(fā)生反應(yīng)，使石英坩堝發(fā)生溶解而引起硅溶體污染，影響了生長(zhǎng)的單晶純度。b、由于加熱和保溫系統(tǒng)的引入，會(huì)使晶體中的碳含量增加。、區(qū)熔法（floating-zone method），簡(jiǎn)稱FZ法。該方法的基本原理：通過(guò)高頻線圈加熱，在多晶錠的下端造成一個(gè)熔區(qū)，形成的熔區(qū)完全依靠表面張力和高頻電磁力的支托，懸浮于多晶硅棒與下方生長(zhǎng)的單晶之間，單晶生長(zhǎng)過(guò)程與CZ法單晶生長(zhǎng)過(guò)程相似。此法也稱為懸浮區(qū)熔法，簡(jiǎn)稱FZ法。該方法特點(diǎn)：a、由于該方法沒(méi)有坩

24、堝的引入，從而避免了由于硅溶體與石英坩堝接觸帶來(lái)的污染，因此可以獲得純度極高的單晶，非補(bǔ)償?shù)碾娮杪士蛇_(dá)45000cm以上。其產(chǎn)品可用于制造大功率器件等。b、氧，碳含量低。不足之處：a、單晶直徑受到限制，目前單晶直徑達(dá)到150 mm。b、直接摻雜困難，一般多采用氣相摻雜和中子嬗變摻雜（僅限于N型）,采用前一種摻雜方法單晶的電阻率均勻性較后者差。四、直拉硅單晶生長(zhǎng)過(guò)程中熱傳輸晶體生長(zhǎng)過(guò)程是一個(gè)由液相到固相的轉(zhuǎn)變過(guò)程。熔體在受控下，原子（分子）的空間點(diǎn)陣由無(wú)序排列到有序排列，由多晶到單晶。對(duì)硅單晶生長(zhǎng)而言，這種原子（分子）的由無(wú)序排列到有序結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變不是一個(gè)整體效應(yīng)，而是通過(guò)固液界面的移動(dòng)逐漸完成的

25、。生長(zhǎng)單晶首先要在熔體中形成一個(gè)單晶核（籽晶）。然后，在晶核與熔體交界面上不斷地進(jìn)行原子排列而生長(zhǎng)成單晶。為使單晶不斷長(zhǎng)大，必須令晶核附近的熔體溫度低于凝固點(diǎn)。因此，生長(zhǎng)界面必須處于過(guò)冷狀態(tài)，而且過(guò)冷區(qū)必須集中于界面附近的窄小范圍內(nèi)，而其余部分處于熔點(diǎn)或過(guò)熱狀態(tài)。為了保證單晶穩(wěn)定的和正常的生長(zhǎng)，必須將熔體傳給結(jié)晶生長(zhǎng)界面的熱和結(jié)晶潛熱連續(xù)不斷地從生長(zhǎng)界面，通過(guò)生長(zhǎng)的晶體傳導(dǎo)和表面輻射輸送出去。隨著晶體不斷長(zhǎng)大，生長(zhǎng)界面伴隨熔體減少而向前推進(jìn)，界面附近的過(guò)冷度逐漸減小，過(guò)冷度最終趨于零。為此必須快速散熱，以保證晶體繼續(xù)生長(zhǎng)。熔體中生長(zhǎng)晶體，主要靠熱的傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)，它起著重要的支配作用，不但決定生長(zhǎng)

26、界面形狀，控制生長(zhǎng)速度，甚至整個(gè)晶體質(zhì)量。晶體生長(zhǎng)過(guò)程中主要通過(guò)三種方式實(shí)現(xiàn)熱傳輸：輻射，傳導(dǎo)，和對(duì)流。在晶體生長(zhǎng)不同階段中，起主導(dǎo)作用的熱傳輸方式也各不相同，具體情況應(yīng)根據(jù)工藝條件而定。加熱和晶體生長(zhǎng)時(shí)的傳熱過(guò)程對(duì)晶體生長(zhǎng)速度，晶體直徑和生長(zhǎng)界面形狀等有著重要的影響。在一般情況下，處于高溫時(shí)，界面處的大部分熱量是從晶體表面輻射出去，傳導(dǎo)和對(duì)流的傳熱起次要作用。處于低溫時(shí)，熱量傳輸主要靠傳導(dǎo)來(lái)完成。在熔體中，對(duì)流傳熱起主要作用。1、熱傳導(dǎo)：根據(jù)熱力學(xué)第二定律，物體內(nèi)部存在溫度差時(shí)，熱量會(huì)從高溫向低溫自動(dòng)傳導(dǎo)。單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)物體某截面的熱量：Q = KAdT/dx式中： K 導(dǎo)熱系數(shù)（表示溫度梯

27、度為1度/厘米時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)單位截面積的熱量），A 垂直于熱傳導(dǎo)方向的截面積，dT/dx 沿X方向的溫度梯度，2、熱對(duì)流：是流體流過(guò)固體表面時(shí)相互間的換熱方式或流體內(nèi)部溫度不均而通過(guò)流動(dòng)趨于平衡的過(guò)程。實(shí)際上影響對(duì)流傳熱的因素比較多，如流體流速，流體比重，流體比熱，流體的黏滯系數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù)等。對(duì)流傳熱采用牛頓公式計(jì)算。Q = F（tf - tw）千卡/小時(shí)式中： F放熱面積，tf流體溫度，tw壁面溫度，放熱系數(shù)，3、輻射熱：是當(dāng)物體受熱后，物體中的電子產(chǎn)生振動(dòng)或躍遷并向外發(fā)出輻射熱。其計(jì)算如下。E0 = 0T4千卡/米2小時(shí)式中：0 黑體輻射常數(shù)（4.9×10-8千卡/米2小時(shí)

28、），一般多采用下面公式：E0 = C0（T/100）4千卡/米2小時(shí)，式中： C0 黑體輻射， 4、晶體生長(zhǎng)界面熱平衡 對(duì)晶體生長(zhǎng)速度的影響：當(dāng)晶體穩(wěn)定生長(zhǎng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)由熔體傳到生長(zhǎng)界面處的熱量QL和釋放的結(jié)晶潛熱QF應(yīng)等于生長(zhǎng)界面處向晶體傳導(dǎo)的熱量QC，即： QL + QF = QC （1） 而 QC = QO + QR （2）其中： QO 晶體傳導(dǎo)損失的熱量 ， QR 晶體輻射損失的熱量， 由（1）式可得出晶體生長(zhǎng)速度，即：KC（dT/dz）C KL(dt/dz)L = (3) LPC式中： KC 晶體的導(dǎo)熱率，KL 熔體的導(dǎo)熱率，（dT/dz）C 界面處晶體的縱向溫度梯度，KL(dt/

29、dz)L 界面處熔體的縱向溫度梯度， L 每克熔體的結(jié)晶潛熱，PC 晶體密度。從（3）式可看出，當(dāng)熔體溫度梯度越小，晶體的溫度梯度越大時(shí)，則晶體生長(zhǎng)速度越快。對(duì)晶體直徑的影響：與輻射熱相比通過(guò)細(xì)頸的導(dǎo)熱損失可忽略不計(jì)。則（2）式可寫為：QC QR （4）（4）式又可改寫為： KC（dT/dz）Cr2 = Qr （5） 式中： r 晶體半徑常數(shù) Q 輻射常數(shù)。由式（1）和（5）又可得出： KL(dt/dz)Lr2+PC Lr2= Qr （6） 將（6）式改寫為：+ a1 = a2 / r （7）式中： a1 = KL(dt/dz)L/PCL a2 = Q/PCL由（7）式可知，當(dāng)a1時(shí)，意味著從

30、生長(zhǎng)界面釋放的熱量比從熔體傳到生長(zhǎng)界面處的熱量大得多時(shí)，晶體生長(zhǎng)速度快，而晶體的生長(zhǎng)直徑變小。5、熔體流動(dòng)狀態(tài)：坩堝中熔體流動(dòng)狀態(tài)直接影響熔體中雜質(zhì)的傳遞以及晶體生長(zhǎng)界面處溫度穩(wěn)定性等。從而會(huì)導(dǎo)致晶體微觀生長(zhǎng)的變化，進(jìn)而引起晶體回熔，增加微缺陷形成的幾率。如何控制坩堝中熔體的流動(dòng)一直是從事制備硅材料人員的研究課題。熔體內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)十分復(fù)雜，基本上由五種流動(dòng)類型綜合組成，即： （1）、由浮力驅(qū)動(dòng)的自然熱對(duì)流（2）、由 熔體表面張力驅(qū)動(dòng)的自然熱對(duì)流（3）、由拉速驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)制對(duì)流（4）、由晶體旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的強(qiáng)制對(duì)流（5）、由坩堝旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的強(qiáng)制對(duì)流其中（1）和（4）是最有代表性的兩種熱對(duì)流。眾所周知，在常

31、規(guī)直拉硅單晶生長(zhǎng)過(guò)程中熔體熱對(duì)流發(fā)生情況如圖 所示。熱對(duì)流驅(qū)動(dòng)力的大小是由無(wú)量綱瑞利數(shù)NR表示。 NRqTD2/ 式中： 熱膨脹系數(shù)， Q 重力加速度， T 溫度梯度， D 熔體特征長(zhǎng)度(坩堝直徑，熔體高度) 熔體動(dòng)黏度， 熱擴(kuò)散系數(shù)。Gr越小，熔體熱對(duì)流越弱。通常采用抑制熱對(duì)流的方法是通過(guò)調(diào)節(jié)晶體轉(zhuǎn)速而引起的強(qiáng)制對(duì)流。晶體旋轉(zhuǎn)引起的強(qiáng)制對(duì)流用無(wú)量綱雷諾（Regnolds）數(shù)Re表示。Re= r2/式中： 晶體轉(zhuǎn)速，r 晶體半徑，在兩種熱對(duì)流作用下，熔體穩(wěn)定性由Re2/ Gr比值來(lái)標(biāo)志。當(dāng)Gr > Re2時(shí)，強(qiáng)制對(duì)流不能有效的抑制熱對(duì)流，反之，則強(qiáng)制對(duì)流能有效的抑制邊界層中的質(zhì)量傳輸。隨

32、著單晶直徑不斷大型化發(fā)展，坩堝中加料量不斷增加，熔體熱對(duì)流也隨之增強(qiáng)。抑制熔體熱對(duì)流有效方法是采用MCZ法。五、雜質(zhì)分凝現(xiàn)象與分凝系數(shù)：由兩種話兩種以上元素組成的固溶體熔化后降溫再結(jié)晶時(shí),含量少的雜質(zhì)(溶質(zhì))在晶體和熔體中的濃度是不同的,這種現(xiàn)象稱為分凝現(xiàn)象，也稱偏析現(xiàn)象。分凝現(xiàn)象對(duì)各種半導(dǎo)體材料的提純和單晶生長(zhǎng)均有重要的影響作用。由于分凝效應(yīng)，使得先凝固部分和后凝固部分的雜質(zhì)濃度不同，使得材料得到純化，另外，也使得拉制的晶體的軸向和徑向各部位雜質(zhì)濃度分布不均勻。1、平衡分凝系數(shù)為了定量地了解分凝現(xiàn)象，假設(shè)以無(wú)限緩慢的速度從熔體中凝固出固體，即固相與液相接近平衡狀態(tài)時(shí)，固相中的雜質(zhì)濃度為CS，

33、液相中雜質(zhì)濃度為CL，其比值為 0 = CS/CL0稱作雜質(zhì)對(duì)某一半導(dǎo)體材料的平衡分凝系數(shù)。對(duì)某一半導(dǎo)體材料，雜質(zhì)不同，其0也不同，如銻在硅中的0為0.03，而在鍺中的0為0.003。0還與雜質(zhì)濃度有關(guān)，當(dāng)雜質(zhì)濃度很低時(shí)，0可看作是一常數(shù)。大多數(shù)雜質(zhì)雜質(zhì)均可與硅組成共晶系時(shí)，會(huì)使硅的熔點(diǎn)降低，能降低硅的熔點(diǎn)的雜質(zhì)，其平衡分凝系數(shù)01，其在材料凝固時(shí)被富集到錠條的尾部。使硅熔點(diǎn)升高的少數(shù)雜質(zhì)，其平衡分凝系數(shù)0 1，其在材料凝固時(shí)富集到最先凝固的錠首。當(dāng)雜質(zhì)的0=1時(shí)，凝固前后材料錠條中的組分不變。2、有效分凝系數(shù)0是在假定體系處于固液兩相平衡時(shí)得出的，但實(shí)際上，結(jié)晶不可能在十分緩慢的平衡狀態(tài)下進(jìn)

34、行，總會(huì)有一定的結(jié)晶速度。因此，當(dāng)01的雜質(zhì)在結(jié)晶時(shí)，將有部分雜質(zhì)被結(jié)晶界面排斥而積聚在熔體中。如果結(jié)晶速度大于雜質(zhì)由界面擴(kuò)散到熔體中的速度，雜質(zhì)就會(huì)在界面附近的熔體薄層中堆積起來(lái)，形成濃度梯度，會(huì)加速雜質(zhì)向熔體內(nèi)部擴(kuò)散。最后，當(dāng)濃度梯度引起的雜質(zhì)向熔體內(nèi)部的擴(kuò)散量加上熔體對(duì)流引起的雜質(zhì)向熔體內(nèi)部的流動(dòng)量等于凝固時(shí)從固體排出的雜質(zhì)量時(shí)，薄層的濃度梯度就不再增加，形成穩(wěn)定的分布。這個(gè)雜質(zhì)濃度比較高的薄層稱為雜質(zhì)富集層（亦稱擴(kuò)散層）。為了描述交界面處雜質(zhì)濃度的偏離對(duì)固相中雜質(zhì)濃度的影響，通常將固體雜質(zhì)濃度CS與熔體內(nèi)部的雜質(zhì)濃度CL0的比值定義為有效分凝系數(shù)eff 。 eff = CS / CL0

35、當(dāng)界面不移動(dòng)或生長(zhǎng)速度極其緩慢時(shí)，CLCL0，eff 0。當(dāng)結(jié)晶有一定速度時(shí)eff 0。表7 列出幾種雜質(zhì)在硅中的平衡分凝系數(shù)元素0四面體共價(jià)半徑（A0）元素0四面體共價(jià)半徑（A0）Li0.011.23N7x10-40.70H-0.30P0.301.10Cu4x10-41.35Sb0.0231.36Ag1x10-61.53Bi7x10-41.46Au2.5x10-51.50O1.250.66Zn1x10-41.31S1x10-51.04Cd1x10-61.48Cr2.8x10-5B0.80.88Ti2x10-6In8x10-31.26Mn1x10-5Tl1.7x10-41.44Fe8x10-8

36、Al2x10-31.26V1x10-5C0.071.47Co8x10-6Ge0.331.22Ni3x10-5Sn0.0150.40Ta1x10-2As0.301.18Mo4.5x10-8 3、正常凝固（normal freezing） 熔體在一定的溫度梯度下，從一端開(kāi)始結(jié)晶的過(guò)程稱為正常凝固。由于存在分凝效應(yīng)，正常凝固后的結(jié)晶錠材料內(nèi)雜質(zhì)的分布不再是均勻的。01的雜質(zhì)被趕到錠的尾部，而0 1的雜質(zhì)被富集到錠的首部。為了正確求出正常凝固后雜質(zhì)在材料錠內(nèi)的分布，首先假定正常凝固過(guò)程滿足如下三個(gè)條件：、雜質(zhì)在固體中的擴(kuò)散速度比凝固速度慢得多，可以忽略雜質(zhì)在固體中的擴(kuò)散。雜質(zhì)在固體中的擴(kuò)散速度約為10

37、-1110-13cm/s，凝固速度約大于10-4cm/s。、雜質(zhì)在熔體中的擴(kuò)散速度比凝固速度快得多，可以認(rèn)為雜質(zhì)在熔體中的分布是均勻的。、雜質(zhì)的分凝系數(shù)0是常數(shù)。 這樣，可以列出正常凝固后雜質(zhì)在材料錠內(nèi)的分布式： 令g為錠的凝固分?jǐn)?shù)，如錠凝固g后又凝固dg，則熔體中的雜質(zhì)減少量為 ds=CSdg，即 CS=ds/dg （1） 式中：S為凝固g后，熔體中剩下的雜質(zhì)總量。因?yàn)镃S =CL，CL為凝固g后熔體中的雜質(zhì)濃度。 CL= S/1-g所以 CS = 0S/1-g （2） 由（1），（2）式消去CS并積分得到， S = S0（1g） （3） S0為錠內(nèi)雜質(zhì)總量，又因原始體積為單位體積，所以S0

38、 = COCO為原始材料中的雜質(zhì)濃度，因此，CS =ds/dg =CO（1g）-1 （4）式中： 分凝系數(shù)， CO 原始熔體中雜質(zhì)濃度，g 凝固比例。由上式可以計(jì)算并作出隨凝固部分g變化的分布曲線。六、直拉（CZ）硅單晶制備工藝采用直拉法制備硅單晶需要如下主要三方面條件；即設(shè)備（單晶爐），熱場(chǎng)系統(tǒng)配置和晶體生長(zhǎng)工藝。1、單晶爐：?jiǎn)尉窃趩尉t內(nèi)進(jìn)行生長(zhǎng)的，因此它的結(jié)構(gòu)以及各種控制系統(tǒng)的配備，對(duì)單晶的尺寸以及單晶的質(zhì)量有著極為重要的影響。隨著集成電路和太陽(yáng)能電池事業(yè)的發(fā)展要求，當(dāng)今生產(chǎn)的單晶爐，在設(shè)計(jì)上取得很大進(jìn)步。自動(dòng)化程度高，爐體尺寸大，一次裝料達(dá)幾百公斤，可拉制8英寸，12英寸和16英寸硅

39、單晶，可充分滿足單晶大直徑化的要求。單晶爐上還附有精密的溫度和等徑控制系統(tǒng)，程序控制系統(tǒng)，真空和氣體流量控制系統(tǒng)，磁場(chǎng)系統(tǒng)以及熱屏安放系統(tǒng)等，操作方便，可靠性和安全性都比較高。 90年代我國(guó)各硅單晶生產(chǎn)廠家所用的大型單晶爐多數(shù)是從美國(guó)Kayex公司和德國(guó)Leybold公司購(gòu)進(jìn)的。進(jìn)入20世紀(jì)我國(guó)已有多個(gè)單晶爐廠家已先后開(kāi)發(fā)出不同型號(hào)的適應(yīng)于不同用途的大型單晶爐并形成了規(guī)模生產(chǎn)。下表列出部分廠家生產(chǎn)的單晶爐及其性能特點(diǎn)。 表 8 部分廠家生產(chǎn)的單晶爐及其特點(diǎn) 公司產(chǎn)品型號(hào)拉晶重量應(yīng)用領(lǐng)域西安理工大機(jī)械廠TDR-8060KGsolar北京七星華創(chuàng)電子股份公司HG600160KG 

40、;/75KGsolar京運(yùn)通真空設(shè)備廠JRDL-70/8060KGsolar京儀世紀(jì)自動(dòng)化設(shè)備MCZ-6000A65KGsolar常州天龍仿TDR-80(85)60KGsolar凱克斯浙大機(jī)電CG3000 /600060KGIC華德晶體生長(zhǎng)設(shè)備HDT-1000100KGsolar上海漢虹精密機(jī)械FT-CZ0618S65KGsolar美國(guó)KayexCG-6000150-200IC美國(guó)Kayex公司KX-150200-300IC德國(guó)Leybold公司XGX-1000300IC2、熱場(chǎng)系統(tǒng)配置熱場(chǎng)系統(tǒng)配置和要求：熱系統(tǒng)的溫度分布對(duì)單晶生長(zhǎng)極為重要。熱場(chǎng)可分為：靜態(tài)熱場(chǎng)和動(dòng)態(tài)熱場(chǎng)。所謂靜態(tài)熱場(chǎng)是未進(jìn)行

41、晶體生長(zhǎng)時(shí)的熱場(chǎng)，而動(dòng)態(tài)熱場(chǎng)是在進(jìn)行晶體生長(zhǎng)時(shí)的熱場(chǎng)。熱場(chǎng)系統(tǒng)是由石墨加熱器，石墨坩堝托，保溫筒（一般多采用固化碳?xì)郑厣w板，石墨電極，梅花托以及熱屏等部件配置而成，其中石墨加熱器是主要部件。配置好的熱場(chǎng)首先應(yīng)當(dāng)具有如圖 所示的溫度分布。即： 圖7 熱場(chǎng)溫度分布示意圖對(duì)靜態(tài)熱場(chǎng)測(cè)量表明：熔體徑向溫度梯度100c/cm.熔體縱向溫度梯度100c/cm.晶體縱向溫度梯度35-450c/cm.配置出的熱場(chǎng)達(dá)到了上述溫度分布要求，僅僅是拉制出單晶的必備條件。實(shí)際上對(duì)拉制不同品種（輕摻和重?fù)剑煌睆匠叽绲膯尉У榷夹枰M(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和重新配置。配置成功的熱場(chǎng)不但要保持熔體所需要的溫度和適宜的軸向溫

42、度梯度和徑向溫度梯度，而且又能得到比較低的所需要的加熱功率和具有比較高的成晶率。在熱場(chǎng)配置同時(shí)還要考慮氣流的合理走向，以便減少雜質(zhì)沾污和保證有一個(gè)良好的單晶生長(zhǎng)環(huán)境。獲得一個(gè)合適的穩(wěn)定的熱場(chǎng)是保證生產(chǎn)高質(zhì)量單晶的關(guān)鍵因素。熱場(chǎng)配置是一項(xiàng)既復(fù)雜又細(xì)致的工作。對(duì)比較小型熱場(chǎng)，如對(duì)14英寸以下的熱場(chǎng)可以馮有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師和操作人員能夠共同完成設(shè)計(jì)和配置。但隨著硅單晶直徑大型化，熱場(chǎng)的尺寸不斷增大。熱場(chǎng)已經(jīng)由16英寸向26，28或32英寸過(guò)渡。對(duì)這樣大型熱場(chǎng)的設(shè)計(jì)和配置工作就顯得更為復(fù)雜，難度更大，單馮設(shè)計(jì)師和操作人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行配置是難以勝任的。目前大都借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)完成熱場(chǎng)配置。值得注意的是

43、，熱場(chǎng)系統(tǒng)中最主要部件為加熱器，其設(shè)計(jì)尺寸要根據(jù)石墨材料的電阻和要采用的石英坩堝尺寸而定，并一定需要與加熱電源相匹配。目前硅材料廠家實(shí)際應(yīng)用的熱場(chǎng)系統(tǒng)，雖然各自有所差異，但大致可分為兩種類型：即通常所稱的標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)熱場(chǎng)和如圖11所示的配置熱屏的熱場(chǎng)，也有人稱后者為配置導(dǎo)流桶的熱場(chǎng)。近來(lái)人們?yōu)榱诉M(jìn)一步提高單晶生長(zhǎng)速率，增加生產(chǎn)效率，在熱屏系統(tǒng)中又置放了一冷卻裝置。這種新思路，新創(chuàng)意對(duì)提高單晶生產(chǎn)效率很有價(jià)值。在熱場(chǎng)系統(tǒng)上配置熱屏，是近年來(lái)隨著單晶直徑不斷增大而興起的，而逐漸被眾多單晶廠家所接受的熱場(chǎng)。其最大的特點(diǎn)：、利用熱屏減少熱輻射和熱量損失，降低了加熱功率。僅在加熱功率方面可節(jié)約25%左右。

44、這對(duì)從事大規(guī)模硅單晶生產(chǎn)的廠家是一項(xiàng)很大的節(jié)能措施。、由于熱屏對(duì)爐熱的屏蔽和Ar氣流對(duì)晶體的冷卻，使熱場(chǎng)的軸向溫度梯度增大，因而為提高單晶生長(zhǎng)速度創(chuàng)造條件。與常規(guī)熱場(chǎng)相比，單晶生長(zhǎng)速度可提高大約1倍。如拉制太陽(yáng)能級(jí)單晶，生產(chǎn)效率是十分可觀的。、減少熱對(duì)流，加快蒸發(fā)氣體的揮發(fā)，對(duì)降低單晶氧含量十分有利。與在常規(guī)熱場(chǎng)下拉制的單晶相比，氧含量可降低幾個(gè)ppma。配置熱屏的熱場(chǎng)雖然具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，但也存在不足之處：、拉制具有揮發(fā)性摻雜劑的重?fù)絾尉r(shí)，由于Ar氣流的作用，加速雜質(zhì)從熔體中揮發(fā)，而使單晶的起始電阻率難以控制得更低。、選擇熱屏材料時(shí)，應(yīng)注意其純度和質(zhì)量，否則會(huì)造成單晶頭部邊緣范圍鐵的沾污，造

45、成一段頭部單晶損失。近來(lái)人們?yōu)榱诉M(jìn)一步增加晶體生長(zhǎng)時(shí)的軸向溫度梯度，提高單晶生長(zhǎng)速率，獲得最佳生產(chǎn)效率，在配置熱屏的熱系統(tǒng)中又置放了一冷卻裝置（如圖11所示）。這種新思路始于太陽(yáng)能硅單晶生產(chǎn)企業(yè)中，但對(duì)生產(chǎn)其它品種單晶也具有很好的參考價(jià)值。熱屏和熱屏加冷卻裝置幾種類型熱場(chǎng)配置分別如圖11所示。 a 配置熱屏的系統(tǒng) b 熱屏加冷卻裝置系統(tǒng) 圖8 配置熱屏和熱屏加冷卻裝置示意圖 根據(jù)大尺寸加熱系統(tǒng)的特點(diǎn)，又引入了雙加熱器技術(shù)。即在坩堝底部位置附加另一個(gè)加熱器，以確保固液界面處的溫度梯度。石墨加熱器是熱系統(tǒng)中關(guān)鍵部件，盡管它的尺寸個(gè)不相同，但其設(shè)計(jì)方法，程序和思路都是基本相同的。對(duì)每一位從事硅鍺半導(dǎo)

46、體材料研究和生產(chǎn)工作人員都應(yīng)該了解。3、石墨加熱器設(shè)計(jì) 首先要了解單晶爐的加料量，即根據(jù)加料量多少擬計(jì)劃采用的石英坩堝尺寸，如直徑和高度，石墨電阻率值，電源變壓器規(guī)格和配置，如加熱器總電阻與加熱器的額定電流和額定電壓，使其達(dá)到最佳輸出功率。用于制造加熱器的石墨材質(zhì)應(yīng)具有很高的致密度和很高的機(jī)械強(qiáng)度以及很高的純度和低的灰分含量。另外，在進(jìn)行石墨加熱器設(shè)計(jì)時(shí)，首先要知道所用石墨的電阻率值，其電阻率值一般為1.3×10-3.cm。已知上訴數(shù)據(jù)后，即可開(kāi)始進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)程序：首先需要確定加熱器的尺寸。加熱器的尺寸由下列因素確定：、加熱器內(nèi)徑：加熱器內(nèi)徑是由石墨坩堝托的直徑來(lái)決定，而石墨坩堝托

47、的尺寸是由石英坩堝的尺寸來(lái)決定。石英坩堝的尺寸是由加料量和所拉制的單晶直徑來(lái)確定。一般石英坩堝內(nèi)徑與單晶直徑比2.5。、石英坩堝外徑：根據(jù)石英坩堝的外徑需要確定石墨坩堝托的尺寸，如相對(duì)應(yīng)的直徑，厚度和高度等。、已知石墨坩堝托尺寸，需要確定石墨坩堝托外徑與石墨加熱器內(nèi)徑之間的距離。加熱器內(nèi)徑尺寸：內(nèi)=1 + 2d1 + 2d2 ，1一石英坩堝外徑尺寸，2d1一石墨坩堝壁厚度，2d2一石墨坩堝外徑與石墨加熱器內(nèi)徑間的間隙，d2 石墨坩堝外徑與石墨加熱器內(nèi)徑間的間隙，設(shè)計(jì)者根據(jù)爐子的實(shí)際情況來(lái)確定，間隙過(guò)大會(huì)增加爐子的加熱功率，過(guò)小在操作過(guò)程中兩者可能會(huì)發(fā)生接觸，引起短路。 、石墨加熱器葉片寬度：加

48、熱器葉片寬度是由葉片數(shù)目和石墨加熱器內(nèi)徑來(lái)決定。而葉片數(shù)目是根據(jù)對(duì)于變壓氣要求的負(fù)載電阻，即加熱器總電阻來(lái)決定。、加熱器供電形式：并聯(lián)。石墨加熱器葉片寬度d：d =內(nèi)/nd3 （并聯(lián)）。式中：d3 葉片間的間隙（一般為3 mm）n 葉片數(shù)目、葉片高度h：h = 1 + 2d + 40 mm、葉片厚度W：葉片厚度決定于加熱器總電阻，葉片數(shù)目和高度。加熱器總電R： R = V/I式中 R 電源變壓器次級(jí)輸出電壓I電源變壓器次級(jí)輸出電流當(dāng)采用并聯(lián)時(shí)，加熱器一組葉片的電阻為2R，故葉片厚度W：W =hn/2Rd 石墨熱態(tài)電阻率，1.3×10-3.cmn 組葉片的片數(shù)4、硅單晶生長(zhǎng)工藝技術(shù)硅單

49、晶生長(zhǎng)工藝如圖7所示。首先將經(jīng)過(guò)清洗處理的多晶硅料和母合金裝入石英坩堝內(nèi)，其次將選定好的籽晶固定在上軸的籽晶夾頭上。待上述操作完成后，檢查電極與爐體絕緣以及坩堝和籽晶對(duì)中情況，之后將上爐室和副爐室就位并鎖定好，通水，加熱，將多晶硅料熔化。待熔體溫度穩(wěn)定后，將固定在籽晶軸上的籽晶下端與硅熔體表面接觸，觀察籽晶熔接處光圈變化，確定籽晶與熔接情況。待籽晶熔接好后開(kāi)始提拉籽晶并通過(guò)縮徑生長(zhǎng)使生長(zhǎng)的晶體無(wú)位錯(cuò)化，縮徑的尺寸根據(jù)晶體直徑和重量而定?？s徑生長(zhǎng)達(dá)到設(shè)定長(zhǎng)度后開(kāi)始放肩，待晶體生長(zhǎng)到所需要的直徑尺寸時(shí)提前轉(zhuǎn)肩，轉(zhuǎn)肩后進(jìn)行等徑生長(zhǎng)，待晶體生長(zhǎng)到預(yù)定的長(zhǎng)度后，進(jìn)行收尾，完成單晶整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程。在單晶拉制

50、過(guò)程中，不僅要保證獲得完整的無(wú)位錯(cuò)硅單晶錠，同時(shí)還要嚴(yán)格控制生長(zhǎng)單晶的性能參數(shù)，如單晶直徑尺寸，晶向，導(dǎo)電型號(hào)，電阻率范圍，徑向電阻率均勻性，氧，碳含量以及微缺陷密度等，以滿足器件的要求。為此，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中需要選擇和適當(dāng)調(diào)整如晶體轉(zhuǎn)數(shù)，坩堝轉(zhuǎn)數(shù)，晶體生長(zhǎng)速度，氣體流向和流量以及爐室壓力等單晶生長(zhǎng)工藝參數(shù)。除此之外，為確保生長(zhǎng)單晶的質(zhì)量，還需要對(duì)工藝中所采用的部件如石英坩堝，石墨加熱器，碳?xì)忠约盁崞恋炔馁|(zhì)的純度進(jìn)行選擇。最后工藝中每一個(gè)環(huán)節(jié)操作一定要細(xì)心。就此作如下簡(jiǎn)單介紹。石英坩堝的選擇: 石英坩堝直接與多晶硅熔料接觸,其質(zhì)量對(duì)生長(zhǎng)的單晶性能參數(shù)和成晶率有著重要影響。目前拉制小直徑（4英寸

51、）單晶時(shí)，裝料少，單晶生長(zhǎng)工藝時(shí)間比較短，一般多采用14英寸石英坩堝。當(dāng)拉制大直徑單晶和重?fù)焦鑶尉r(shí)，加料量大，需要的加熱功率相對(duì)高，且單晶生長(zhǎng)工藝所需要的時(shí)間長(zhǎng)，石英坩堝容易發(fā)生嚴(yán)重變形以及相變。發(fā)生相變的石英坩堝會(huì)有顆粒脫落，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中往往會(huì)在硅熔體表面出現(xiàn)難以觀察到的微粒而使生長(zhǎng)的單晶發(fā)生晶變。因此在拉制大直徑單晶和重?fù)焦鑶尉r(shí)，多選用耐高溫的石英坩堝，其內(nèi)表面附有高純度氧化鋇涂層。鋇在硅熔體中的分凝系數(shù)非常?。?0-8），因而不用擔(dān)心它會(huì)對(duì)單晶的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。籽晶：籽晶是生長(zhǎng)單晶的種子，故又稱晶種。用籽晶從熔體引出單晶，實(shí)際上是等于向熔體中置放一個(gè)大的晶核，在適當(dāng)?shù)臏囟鹊葪l件

52、下熔體沿著這個(gè)晶核生長(zhǎng)出單晶。采用什么樣的晶向籽晶就生長(zhǎng)出什么樣的晶向單晶來(lái)。由此可以看出，籽晶決定其后生長(zhǎng)的單晶的晶向。籽晶來(lái)源和要求：籽晶一般是從未經(jīng)摻雜的，純度比較高的單晶切割下來(lái)的，這樣可以避免籽晶與熔體熔接過(guò)程中，由于籽晶熔化使硅熔體的純度受到影響。根據(jù)客戶對(duì)單晶晶向要求，大多都采用<111>和<110>晶向的籽晶。個(gè)別情況也使用<511>晶向的籽晶。用于切割籽晶的單晶首先需要定向，切割好的籽晶也要經(jīng)過(guò)定向驗(yàn)證。一般都使用正晶向籽晶，偏角要求 0.30。籽晶在使用前需要進(jìn)行腐蝕和清洗，去除其表面污物。目前常用的籽晶形狀，其斷面有方形和圓形兩種。根據(jù)生產(chǎn)廠家的條件和習(xí)慣用法進(jìn)行選擇。籽晶的長(zhǎng)度沒(méi)有特別規(guī)定，常用的長(zhǎng)度為80-120 mm。其斷面面積尺寸大小是根據(jù)所拉制的單晶直徑和重量，即其所承受的能力而定。如石英坩堝中裝料20公斤，拉制的單晶直徑為4英寸的硅單晶，采用8 X 8 mm，其截面積為64 mm2就能滿足要求了。但如果裝料量增加到120公斤，拉制的單晶直徑達(dá)到12英寸，則需要采用18 X 18 mm，其截面積為324