cz生長原理及工藝

CZ生長原理及工藝流程NewRoman">CZ法的基本原理，多晶體硅料經(jīng)加熱熔化，待溫度合適后，經(jīng)過將籽品浸入、熔接、引品、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑、收尾等步驟，完成一根單晶錠的拉制。爐內(nèi)的傳熱、傳質(zhì)、流體力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)等過程都直接影響到單晶的生長與生長成的單品的質(zhì)量，拉品過程中可直接控制的參數(shù)有溫度場、籽品的晶向、坩蝸和生長成的單品的旋轉(zhuǎn)與升降速率，爐內(nèi)保護(hù)氣體的種類、流向、流速、壓力等。CZ法生長的具體工藝過程包括裝料與熔料、熔接、細(xì)頸、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑生長和收尾這樣幾個階段。裝料、熔料裝料、熔料階段是CZ生長過程的第一個階段，這一階段看起來似乎很簡單，但是這一階段操作正確與否往往關(guān)系到生長過程的成敗。大多數(shù)造成重大損失的事故（如坩蝸破裂）都發(fā)生在或起源于這一?階段。籽品與熔硅的熔接當(dāng)硅料全部熔化后，調(diào)整加熱功率以控制熔體的溫度。一般情況下，有兩個傳感器分別監(jiān)測熔體表面和加熱器保溫罩石墨圓筒的溫度，在熱場和拉品工藝改變不大的情況下，上一爐的溫度讀數(shù)可作為參考來設(shè)定引晶溫度。按工藝要求調(diào)整氣體的流量、壓力、坩蝸位置、品轉(zhuǎn)、蝸轉(zhuǎn)。硅料全部熔化后熔體必須有一定的穩(wěn)定時間達(dá)到熔體溫度和熔體的流動的穩(wěn)定。裝料量越大，則所需時間越長。待熔體穩(wěn)定后，降下籽品至離液面3?5mm距離，使粒品預(yù)熱，以減少籽經(jīng)與熔硅的溫度差，從而減少籽品與熔硅接觸時在籽品中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。預(yù)熱后，下降籽晶至熔體的表面，讓它們充分接觸，這一過程稱為熔接。在熔接過程中要注意觀察所發(fā)生的現(xiàn)象來判斷熔硅表面的溫度是否合適，在合適的溫度下，熔接后在界面處會逐漸產(chǎn)生由固液氣三相交接處的彎月面所導(dǎo)致的光環(huán)（通常稱為“光圈”），并逐漸由光環(huán)的一部分變成完整的圓形光環(huán)，溫度過高會使籽品熔斷，溫度過低，將不會出現(xiàn)彎月面光環(huán)，甚至長出多晶。熟練的操作人員，能根據(jù)彎月面光環(huán)的寬度及明亮程度來判斷熔體的溫度是否合適。引細(xì)頸雖然籽品都是采用無位錯硅單品制備的［16?19］,但是當(dāng)籽品插入熔體時，由于受到籽品與熔硅的溫度差所造成的熱應(yīng)力和表面張力的作用會產(chǎn)生位錯。因此，在熔接之后應(yīng)用引細(xì)頸工藝，即Dash技術(shù)，可以使位錯消失，建立起無位錯生長狀態(tài)。Dash的無位錯生長技術(shù)的原理見7.2節(jié)。金剛石結(jié)構(gòu)的硅單品中位錯的滑移面為｛111｝面。當(dāng)以［100］、［lll］和［110］晶向生長時，滑移面與生長軸的最小夾角分別為36.16°、19.28°和0°。位錯沿滑移面延伸和產(chǎn)生滑移，因此位錯要延伸、滑移全晶體表面而消失，以［100］晶向生長最容易，以［111］晶向生長次之，以［110］晶向生長情形若只存在延伸效應(yīng)則位錯會貫穿整根品體。細(xì)頸工藝通常采用高拉速將晶體直徑縮小到大約3mm。在這種條件下，冷卻過程中熱應(yīng)力很小，不會產(chǎn)生新的位錯。因此，細(xì)頸的最小長度L與直徑D的關(guān)系可由下式表示：式中，0為滑移面與生長軸的最小夾角。高拉速可形成過飽和點缺陷。在這種條件下，即使［110］晶向生長位錯也通過攀移傳播到晶體表面。實踐發(fā)現(xiàn)，重?fù)戒R品體細(xì)頸粗而短就可以消除位錯，可能是通過攀移機制實現(xiàn)的。在籽品能承受晶錠重量的前提下，細(xì)頸應(yīng)盡可能細(xì)長，一般直徑之比應(yīng)達(dá)到1：10。放肩引細(xì)頸階段完成后必須將直徑放大到目標(biāo)直徑，當(dāng)細(xì)頸生長至足夠長度，并且達(dá)到一定的提拉速率，即可降低拉速進(jìn)行放肩。目前的拉品工藝幾乎都采用平放肩工藝，即肩部夾角接近180°，這種方法降低了晶錠頭部的原料損失。轉(zhuǎn)肩品體生長從直徑放大階段轉(zhuǎn)到等徑生長階段時，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)肩，當(dāng)放肩直徑接近預(yù)定目標(biāo)時，提高拉速，品體逐漸進(jìn)入等徑生長。為保持液面位置不變，轉(zhuǎn)肩時或轉(zhuǎn)肩后應(yīng)開始啟動蝸升，一般以適當(dāng)?shù)奈伾⑹怪S晶升變化。放肩時，直徑增大很快，幾乎不出現(xiàn)彎月面光環(huán)，轉(zhuǎn)肩過程中，彎月面光環(huán)漸漸出現(xiàn)，寬度增大，亮度變大，拉品操作人員應(yīng)能根據(jù)彎月面光環(huán)的寬度和亮度，準(zhǔn)確地判斷直徑的變化，并及時調(diào)整拉速，保證轉(zhuǎn)肩平滑，品體直徑均勻并達(dá)到目標(biāo)值。從原理上說也可以采用升高熔體的溫度來實現(xiàn)轉(zhuǎn)肩，但升溫會增強熔體中的熱對流，降低熔體的穩(wěn)定性，容易出現(xiàn)位錯(斷苞)，所以，目前的工藝都采取提高拉速的快轉(zhuǎn)肩工藝。等徑生長當(dāng)晶體基本實現(xiàn)等徑生長并達(dá)到目標(biāo)直徑時，就可實行直徑的自動控制。在等徑生長階段，不僅要控制好晶體的直徑，更為重要的是保持晶體的無位錯生長。品體內(nèi)總是存在著熱應(yīng)力，實踐表明，晶體在生長過程中等溫面不可能保持絕對的平面，而只要等溫面不是平面就存在著徑向溫度梯度，形成熱應(yīng)力，品體中軸向溫度分布往往具有指數(shù)函數(shù)的形式，因而也必然會產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)這些熱應(yīng)力超過了硅的臨界應(yīng)力時晶體中將產(chǎn)生位錯。由軸向溫度梯度引起的位錯密度ND可以用下式表示［41］：式中，P是硅的熱脹系數(shù)(在500?850°C溫度范圍內(nèi)約為)，b是柏格斯矢量的絕對值，G是切變模量，oC是硅的臨界應(yīng)力，r是晶體半徑。從式(4.28)可知，軸向溫度梯度不引起位錯的條件是徑向溫度梯度引起的位錯密度由下式表示式中l(wèi)是晶體長度。從式(4.30)可知，徑向溫度梯度不引起位錯的條件是因此，必須控制徑向溫度梯度和軸向溫度梯度不能過大，使熱應(yīng)力不超過硅的臨界應(yīng)力，滿足這樣的條件才能保持無位錯生長。另一方面，多晶中夾雜的難熔固體顆粒、爐塵（坩蝸中的熔體中的SiO揮發(fā)后，在爐膛氣氛中冷卻，混結(jié)成的顆粒）、坩蝸起皮后的脫落物等，當(dāng)它們運動全生長界面處都會引起位錯的產(chǎn)生（常常稱為斷苞），其原因一是作為非均勻成核的結(jié)品核，一是成為位錯源。調(diào)整熱場的結(jié)構(gòu)和坩蝸在熱場中的初始位置，可以改變品體中的溫度梯度。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，有利于無位錯單品的生長，同時也有改變晶體中的溫度梯度的作用。無位錯狀態(tài)的判斷因晶體的晶向而異，一般可通過晶錠外側(cè)面上的生長條紋（通常稱為苞絲）、小平面（通常稱為扁棱和棱線）來判斷。＜111＞生長時，在放肩階段有六條棱線出現(xiàn)，三條主棱線、三條副棱線、等晶階段晶錠上有苞絲和三個扁棱，因生長界面上小平面的出現(xiàn)而使彎月面光環(huán)上有明顯的直線段部分。生長品向?qū)?zhǔn)時，三個小平面應(yīng)大小相等，相互間成120°夾角。但實際生長時往往由于生長方向的偏離，造成小平面有大有小，有的甚至消失。＜100＞方向生長時，有四條棱線，沒有苞絲。無位錯生長時，在整根品體上四條棱線應(yīng)連續(xù)，只要有一條棱線消失或出現(xiàn)不連續(xù)，說明出現(xiàn)了位錯（斷苞）。出現(xiàn)位錯后的處理視情況不同處理方法也不同，當(dāng)晶錠長度不長時，應(yīng)進(jìn)行回熔，然后重新拉品；當(dāng)晶錠超過一定的長度，而坩蝸中還有不少熔料時，可將晶錠提起，冷卻后取出，然后再拉出下一根晶錠；當(dāng)坩蝸中的熔體所剩不多時，或者將晶體提起，或者繼續(xù)拉下去，斷苞部分作為回爐料。拉晶人員應(yīng)調(diào)整拉品工藝參數(shù)，盡可能避免出現(xiàn)位錯。這里所提到的“苞絲”實質(zhì)上是旋轉(zhuǎn)性表面條紋。在4.2.5節(jié)中我們已經(jīng)討論了在晶體轉(zhuǎn)軸與溫度場對稱軸不一致的條件下，品體旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的軸向（沿提拉方向）的生長速率起伏以及由此而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)性雜質(zhì)條紋?，F(xiàn)在我們再來討論在同樣的條件下，晶體的徑向（垂直于提拉方向）生長速率起伏所產(chǎn)生的結(jié)果。在近似地認(rèn)為固液界面上任意一點包括固液界面邊緣上任意一點的溫度都等于硅的凝固點溫度的前提（也就是說認(rèn)為界面的過冷度等于零，即不考慮生長動力學(xué)效應(yīng)的影響）下，由圖4.12可以看出，品體旋轉(zhuǎn)時晶體柱面與熔體液面的交點（即固液界面邊緣上的一點)A點距軸O’一O’的距離是變化著的。品體旋轉(zhuǎn)一周，半徑的變化為2d，故晶體的半徑隨時間的變化可表小為于是徑向生長速率起伏為如果徑向溫度梯度為6、品體旋轉(zhuǎn)一周的溫度變化為△「則代入(4.10)式，于是有 |在晶體生長的等徑階段，徑向生長速率的平均值為零。由于晶體轉(zhuǎn)軸與溫度場對稱軸不一致，因而產(chǎn)生了徑向生長速率的起伏。徑向生長速率的起伏導(dǎo)致在該條件下生長的晶體的表面出現(xiàn)了細(xì)牙螺紋。螺紋的螺距為每旋轉(zhuǎn)一周固液界面邊緣在液面方向的位移，如式（4.8）所示。螺紋的深度為2d,即O—O軸與0’一0’軸間垂直距離的兩倍，見圖4—10。品體表面的這種細(xì)牙螺紋就是旋轉(zhuǎn)性表面條紋。品體轉(zhuǎn)軸與溫度場對稱軸不一致，品體旋轉(zhuǎn)時引起了生長速率的起伏，因而在晶體內(nèi)引起了溶質(zhì)濃度的起伏，這就是旋轉(zhuǎn)性雜質(zhì)條紋；同樣原因引起的生長速率起伏，在晶體表面所引起的直徑變化是旋轉(zhuǎn)性表面條紋。故旋轉(zhuǎn)性雜質(zhì)條紋和旋轉(zhuǎn)性表面條紋都是同一原因引起的。除了上述的旋轉(zhuǎn)性生長條紋以外，由于固液界面溫度的隨機性的起伏，引起生長速率的起伏，也會產(chǎn)生表面條紋。實際硅單品無位錯生長時所觀察到的“苞絲”包括了這兩種表面條紋。以上關(guān)于表面生長條紋產(chǎn)生機制的討論是在固液界面溫度等于凝固點的近似假設(shè)條件下進(jìn)行的，考慮到生長動力學(xué)效應(yīng)界面溫度有一定的過冷度，且與生長機制有關(guān)，因此＜111＞晶向生長的無位錯硅單品的生長過程中單晶表面可以看到明顯的表面條紋（常被稱為“苞絲”），而一旦出現(xiàn)位錯后就會消失，在＜111＞以外的晶向生長的無位錯硅單晶生長時也看不到這樣的現(xiàn)象。收尾收尾的作用是防止位錯反延。在拉晶過程中，當(dāng)無位錯生長狀態(tài)中斷或拉品完成而使晶體突然脫離液面時，已經(jīng)生長的無位錯晶體受到熱沖擊，其熱應(yīng)力往往超過硅的臨界應(yīng)力。這時會產(chǎn)生位錯，并將反