淺析單晶硅生長的機(jī)理

1、    淺析單晶硅生長的機(jī)理    金學(xué)桐馮殿義摘 要 單晶硅作為影響國家未來技術(shù)發(fā)展的重要材料，對于我國高新技術(shù)發(fā)展具有戰(zhàn)略性地位。論文主要對形成單晶硅的重要方法即直拉法（cz）單晶硅生長的機(jī)理與工藝進(jìn)行了分析，并對如何提純材料，提純減少雜質(zhì)的措施進(jìn)行了介紹。關(guān)鍵詞 單晶硅；生長機(jī)理；雜質(zhì)tm91 a 2095-6363（2017）17-0002-01單晶硅作為影響國家未來技術(shù)發(fā)展的重要材料屬于立方晶系，單晶硅具有獨(dú)特的金剛石結(jié)構(gòu)。這種材料獨(dú)特的結(jié)構(gòu)屬性，使其成為性能優(yōu)良的半導(dǎo)體材料，單晶硅的發(fā)端可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)左右，從多晶硅材料的使用開始到如

2、今已經(jīng)超過半個世紀(jì)。目前，硅材料的生長技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的非常完善，并在集成電路、光學(xué)元件、太陽能電池等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。單晶硅作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要材料支撐，對國家高新技術(shù)發(fā)展具有難以取代的重要作用，并且sio2在地殼內(nèi)儲備豐富，具有礦源豐富的優(yōu)點(diǎn)。目前，作為新能源產(chǎn)業(yè)重要支柱的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)就是用單晶硅制造的，由于單晶硅具備其他材料所沒有的純度高、光電轉(zhuǎn)換效率高等特征。因此，單晶硅已經(jīng)成為生產(chǎn)太陽能電池的最理想材料，并得到世界各國的重視，單晶硅的發(fā)展為人類清潔能源、新能源發(fā)展帶來了曙光。1 單晶硅生長的原理分析目前，國內(nèi)外通行的制備單晶硅的技術(shù)主要分為兩類，具體包括區(qū)熔法與直拉法，其中區(qū)熔法主要用

3、于大功率器件，而直拉法主要用于集成電路與太陽能電池領(lǐng)域。兩種方法各有所長，但直拉法目前應(yīng)用更重要，特別是在單晶硅的制備方面。直拉法通常被叫做切克勞斯基單晶硅制備方法，該單晶硅制備方法最早是由切克勞斯基在1917年建立的，作為一種重要晶體生長方法，得到業(yè)界普遍認(rèn)同。切克勞斯基單晶硅制備方法生長單晶具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如該方法所采用設(shè)備和工藝比較簡單，易于操作，特別容易實(shí)現(xiàn)自動控制。因此，使用切克勞斯基單晶硅制備方法生產(chǎn)單晶硅的生產(chǎn)效率高，特別是易于制備大直徑單晶。此外，使用切克勞斯基單晶硅制備方法容易控制單晶中雜質(zhì)濃度，可以制備低電阻率單晶。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前世界上硅單晶的產(chǎn)量中70%80%是用切克

4、勞斯基單晶硅制備方法生產(chǎn)的。單晶硅生長的基本原理主要是將原料放在坩堝中，通過石墨加熱器產(chǎn)生的高溫將其熔化；然后，對熔化的硅液稍做降溫，使之產(chǎn)生一定的過冷度，而在這個坩堝的上方有一籽晶桿，把一根固定在籽晶軸上的籽晶插入熔體表面，該桿可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和升降。在籽晶桿下端設(shè)置夾頭捆住籽晶。當(dāng)原料在坩堝中被熔化后，將籽晶插入到高溫的熔體之中，并將溫度控制到一定的范圍內(nèi)，并達(dá)到過飽和溫度，然后一邊進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，一邊進(jìn)行提拉，晶體便會在籽晶下端生長這樣就可以最終獲得所需單晶。其中使用直拉法生長單晶硅的工藝步驟主要包括：多晶硅的裝料與熔化，然后進(jìn)行引晶，引晶主要是控制籽晶生長出一段長為100mm左右、直徑為3mm5

5、mm的細(xì)頸，通過引晶來消除高溫溶液對籽晶熱沖擊所產(chǎn)生的負(fù)向作用，這個負(fù)向作用會導(dǎo)致原子排列的位錯。隨后，進(jìn)行縮頸，放大晶體直徑到工藝要求的大小，通常是75mm300mm，進(jìn)行放肩。然后，進(jìn)行等頸并最終完成收尾工藝。進(jìn)行提高拉速，開始轉(zhuǎn)肩操作，做到的標(biāo)準(zhǔn)是使肩部近似直角。接著，通過控制熱場溫度和晶體提升速度的處理方法，使得單晶柱體生長出來，并達(dá)到一定的規(guī)格。最后，等到大部分硅溶液完成結(jié)晶過程，形成晶體之后，將晶體漸縮成尾形錐體，并進(jìn)行一定的保溫冷卻，晶體就可以取出。2 單晶硅生長過程中雜質(zhì)產(chǎn)生與消除措施2.1 氧雜質(zhì)的產(chǎn)生與消除措施單晶硅在生長過程中有雜質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響了產(chǎn)品質(zhì)量，因此單晶硅生長

6、過程重要的怎么消除雜質(zhì)的產(chǎn)生。直拉單晶硅部分雜質(zhì)屬于工藝學(xué)人為摻入，比如部分電活性雜質(zhì)。但是在單晶硅生長過程中還有對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響的雜質(zhì)，其中最普遍的是氧和碳。氧作為直拉單晶硅中對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響的主要雜質(zhì)，主要來源于石英坩堝。該雜質(zhì)作為單晶硅生長過程中不可避免的雜質(zhì)，其既可以通過與空位結(jié)合，形成缺陷。又可以通過團(tuán)聚形成氧團(tuán)簇，此外，也可以形成氧沉淀，誘生缺陷。為解決氧雜質(zhì)污染問題，可以使用大尺寸的石英坩堝，降低來源于石英坩堝的污染。還可以采取提高工藝精細(xì)程度的辦法降級氧雜質(zhì)，比如采用高晶軸轉(zhuǎn)速和低坩堝轉(zhuǎn)速控制氧的分布。此外，可以采用高氣流量、低爐壓的辦法促進(jìn)sio的揮發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氧

7、雜質(zhì)減少的目的。2.2 碳雜質(zhì)的產(chǎn)生與消除措施單晶硅在生長過程中c雜質(zhì)的產(chǎn)生嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量，碳作為重要的雜質(zhì)，c作為四價元素，可以與氧發(fā)生作用，同時c也可以與自間隙的si原子與空位結(jié)合，并在一定條件下有微小的碳沉淀生成，碳沉淀造成單晶硅缺陷，導(dǎo)致硅器件的擊穿電壓被降低，進(jìn)而導(dǎo)致漏電流增加，最終對器件的性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。碳雜質(zhì)主要來自多晶硅原料，存在于晶體生長爐內(nèi)的剩余氣體等。為解決碳雜質(zhì)污染問題，最直接的措施是改變爐內(nèi)熱場設(shè)計。主要措施是在石墨元件上利用cvd 的方法鍍上一層sic，阻止co氣體生成，通過co氣體的減少，達(dá)到減少碳雜質(zhì)含量的目的。此外，還可以改善熱場設(shè)計，通過改善設(shè)計使得

8、氬氣將sio氣體帶出爐體，也可以降低晶棒中的碳含量。通過避免sio氣體接觸高溫石墨元件的熱場設(shè)計，降低碳污染程度。3 結(jié)論單晶硅作為影響國家未來技術(shù)發(fā)展的重要材料，在集成電路、光學(xué)元件、太陽能電池等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。單晶硅作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要材料支撐，對國家高新技術(shù)發(fā)展具有難以取代的重要作用。目前，單晶硅已經(jīng)成為生產(chǎn)太陽能電池的最理想材料，并得到世界各國的重視，單晶硅的發(fā)展為人類清潔能源、新能源發(fā)展帶來了曙光。隨著，國內(nèi)外市場對單晶硅需求的迅速增加。目前，單晶硅市場競爭日趨白熱化。國內(nèi)廠商要在競爭中占據(jù)優(yōu)勢地位，就必須在理解單晶硅生長機(jī)理的同時，進(jìn)行工藝革新。論文主要對形成單晶硅的重要方法即直

9、拉法（cz）單晶硅生長的機(jī)理與工藝進(jìn)行了分析，重點(diǎn)論述了單晶硅生長過程中氧雜質(zhì)與碳雜質(zhì)的產(chǎn)生與消除措施，比如為解決氧雜質(zhì)污染問題，可以使用大尺寸的石英坩堝。為解決碳雜質(zhì)的產(chǎn)生，最直接的措施是改變爐內(nèi)熱場設(shè)計等辦法。參考文獻(xiàn)1李進(jìn)，張洪巖，高忙忙，等.氬氣流速對400mm大直徑磁場直拉單晶硅固液界面、熱應(yīng)力及氧含量的影響j.人工晶體學(xué)報，2014（5）：1193-1198，1211.2焦慶斌，巴音賀希格，譚鑫，等.超聲波震蕩法及潤濕性增強(qiáng)法對單晶硅階梯光柵閃耀面粗糙度的影響j.光學(xué)學(xué)報，2014（3）：53-59.3包凌東，韓敬華，段濤，等.納秒紫外重復(fù)脈沖激光燒蝕單晶硅的熱力學(xué)過程研究j.物理學(xué)報，2012（19）：475-483.4周春蘭，勵旭東，王文靜