第九章 单晶硅制备-直拉法

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1、直拉生长工艺直拉法又称Cz法，目前，98%的电子元件都是用硅材料制作的，其中约85%是用直拉硅单晶制作的。直拉硅单晶由于具有较高的氧含量，机械强度比Fz硅单晶大，在制电子器件过程申不容易形变。由于它的生长是把硅熔融在石英坩埚中，而逐渐拉制出的，其直径容易做得大。目前直径300mm的硅单晶己商品化，直径450mm的硅单晶已试制成功，直径的增大，有利于降低电子元器件的单位成本。1、CZ基本原理在熔化的硅熔液中插入有一定晶向的籽晶，通过引细晶消除原生位错，利用结晶前沿的过冷度驱动硅原子按顺序排列在固液界面的硅固体上，形成单晶。固

2、液界面过冷度2CZ基本工艺CZ过程需要惰性气体保护！现有的CZ都采用氩气气氛减压拉晶。利用通入惰性气体氩气，结合真空泵的抽气，形成一个减压气氛下的氩气流动。氩气流带走高温熔融硅挥发的氧化物，以防止氧化物颗粒掉进硅熔液，进而运动到固液界面，破坏单晶原子排列的一致性。拉晶过程中的保护气流2、利用热场形成温度梯度热场是由高纯石墨部件和保温材料（碳毡）组成。单晶热场温度分布石墨加热器：产生热量，熔化多晶硅原料，并保持熔融硅状态；石墨部件：形成氩气流道，并隔离开保温材料；保温材料：保持热量，为硅熔液提供合适的温度梯度。3单晶炉提供减

3、压气氛保护、机械运动和自动控制系统减压气氛保护：通过上炉筒、副室、炉盖、主炉室和下炉室形成减压气氛保持系统。机械运动：通过提拉头和坩埚运动系统提供晶转、晶升、埚转、埚升系统。自动控制系统通过相机测径、测温孔测温、自动柜控制组成单晶拉制自动控制系统。直拉生长工艺Cz法的基本设备cz法的基本设备有:炉体、晶体及坩埚的升降和传动部分、电器控制部分和气体制部分，此外还有热场的配置。(1)炉体：炉体采用夹层水冷式的不锈钢炉壁，上下炉室用隔离阀隔开，上炉室为生长完成后的晶棒停留室，下炉室为单晶生长室，其中配有热场系统。1提拉头：晶升、

4、晶转系统，磁流体系统等；2上炉筒：提供晶棒上升空间；3副室：提肩装籽晶掺杂等的操作空间；4炉盖：主炉室向副室的缩径；5主炉室：提供热场和硅熔液的空间；6下炉室：提供排气口和电极穿孔等；单晶炉结构8上炉筒提升系统：液压装置，用于上炉筒提升；9梯子：攀登炉顶，检查维修提拉头等；10观察窗：观察炉内的实际拉晶状态；11测温孔：测量对应的保温筒外的温度；12排气口：氩气的出口，连接真空泵；13坩埚升降系统：坩埚升降旋转系统等；14冷却水管组：提供冷却水的分配。直拉生长工艺(2)晶体及坩埚的转动及提升部分：晶升：通过籽晶提升系统把凝

5、固的固体向上升，保持晶体一定的直径。埚升：通过坩埚升降系统，把硅熔液的液面控制在一个位置晶转和埚转：抑制熔液的热对流，为单晶生长提供稳定热系统。晶转和埚转的方向必须相反直拉生长工艺(3)控制部分：控制部分是用以晶体生长中控制各种参数的电控系统，直径控制器通过CCD读取晶体直径;并将读数送至控制系统。(4)气体控制部分：主要控制炉内压力和气体流量，炉内压力-般为10-20torr(毫米汞柱，ltorr=133.322Pa),Ar流量一般为60-150slpm(标升/分)。直径自动控制如何得到直径信号？弯月面与亮环自动控制中，

6、一般用光学传感器取得弯月面的辐射信号作为直径信号。什么是弯月面？如左图所示，在生长界面的周界附近，熔体自由表面呈空间曲面，称弯月面。它可以反射坩埚壁等热辐射，从而形成高亮度的光环。直拉生长工艺(5）热场配置热场包括石英坩埚、石墨坩埚、加热器、保温层等。石英坩埚内层一般须涂一层高纯度的SiO2，以减少普通石英中的杂质对熔硅的污染。由于石英在1420℃时会软化，将石英坩埚置于石墨坩埚之中，由石墨坩埚支撑着。石墨坩埚单个三瓣埚和埚底三瓣埚组合后单个三瓣埚单个三瓣埚和埚底及中轴左图为石墨加热器三维图。上图为加热器脚的连接方式。加热

7、器脚和石墨螺丝、石墨电极间需要垫石墨纸，目的是为了更加良性接触，防止打火。加热器1、硅的基本性质数值单位原子符号Si原子序数14分子量28.085晶体结构金刚石熔点1420℃密度（固）2330Kg/m3密度（液）2530Kg/m3原子密度5×1022个/cm3熔化热1.8kJ/g3金刚石晶胞结构重要的原、辅料原生纯多晶单晶边皮和头尾料状纯多晶埚底料硅片西门子法、改良西门子法和流化床法生产的纯多晶，太阳能级纯多晶要求纯度99.9999%以上。单晶的头尾；圆棒切成方棒而产生的边角。单晶生产最后剩余在坩埚中的原料。杂质较多。切片

8、及以后的工序中产生的废片。其它原料2、原料3、籽晶按截面分为：圆形和方形；按晶向分为：〈111〉〈110〉〈100〉；按夹头分为：大小头和插销。注意事项：籽晶严禁玷污和磕碰；晶向一定要符合要求；安装时一定要装正。插销型籽晶：通过插销固定籽晶。大小头籽晶：通过大小头处变径固定籽晶。单晶炉拉晶籽晶规格直径（