晶体硅单晶工艺学

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1、直拉硅单晶工艺学前言绪论硅单晶是一种半导体材料。直拉单晶硅工艺学是研究用直拉方法获得硅单晶的一门科学，它研究的主要内容：硅单晶生长的一般原理，直拉硅单晶生长工艺过程，改善直拉硅单晶性能的工艺方法。直拉单晶硅工艺学象其他科学一样，随着社会的需要和生产的发展逐渐发展起来。十九世纪，人们发现某些矿物，如硫化锌、氧化铜具有单向导电性能，并用它做成整流器件，显示出独特的优点，使半导体材料得到初步应用。后来，人们经过深入研究，制造出多种半导体材料。1918年，切克劳斯基（J·Czochralski）发表了用直拉法从熔体中生长单晶

2、的论文，为用直拉法生长半导体材料奠定了理论基础，从此，直拉法飞速发展，成为从熔体中获得单晶一种常用的重要方法。目前一些重要的半导体材料，如硅单晶，锗单晶，红宝石等大部分是用直拉法生长的。直拉锗单晶首先登上大规模工业生产的舞台，它工艺简单，生产效率高，成本低，发展迅速；但是，锗单晶有不可克服的缺点：热稳定性差，电学性能较低，原料来源少，应用和生产都受到一定限制。六十年代，人们发展了半导体材料硅单晶，它一登上半导体材料舞台，就显示了独特优点：硬度大，电学热稳定性好，能在较高和较低温度下稳定工作，原料来源丰富。地球上25.

3、8%是硅，是地球上锗的四万倍，真是取之不尽，用之不竭。因此，硅单晶制备工艺发展非常迅速，产量成倍增加，1964年所有资本主义国家生产的单晶硅为50-60吨，70年为300-350吨，76年就达到1200吨。其中60%以上是用直拉法生产的。单晶硅的生长方法也不断发展，在直拉法的基础上，1925年又发明了坩埚移动法。1952年和1953年又相继发明了水平区熔和悬浮区熔法，紧接着基座相继问世。总之，硅单晶生长技术以全新姿态登上半导体材料生产的历史舞台。随着单晶硅生长技术的发展，单晶硅生长设备也相应发展起来，以直拉单晶硅为例

4、，最初的直拉炉只能装百十克多晶硅，石英坩埚直径为40毫米到60毫米，拉制单晶长度只有几厘米，十几厘米，现在直拉单晶炉装多晶硅达40公斤，石英坩埚直径达350毫米，单晶直径可达150毫米，单晶长度近2米，单晶炉籽晶轴由硬构件发展成软构件，由手工操作发展成自动操作，并进一步发展成计算机操作，单晶炉几乎每三年更新一次。大规模和超大规模集成电路的发展，给电子工业带来一场新的革命，也给半导体材料单晶硅带来新的课题。大规模和超大规模集成电路在部分用直拉单晶硅制造，制造集成电路的硅片上，各种电路密度大集成度高，要求单晶硅有良好的均

5、匀性和高度的完美性。以4k位集成电路为例，在4×4毫米或4×6毫米的硅片上，做四万多个元件，还要制出各元件之间的连线，经过几十道工序，很多次热处理。元件的高密度，复杂的制备工艺，要保证每个元件性能稳定，除制作集成电路工艺成熟外，对硅单晶材料质量要求很高：硅单晶要有合适的电阻率和良好的电阻率均匀性，完美的晶体结构，良好的电学性能。因此，硅单晶生长技术要更成熟、更精细、更完善，才能满足集成电路的要求。直拉单晶硅工艺理论应不断地向前发展。目前世界已跨入电子时代感。可以这样说，四十年代是电子管时代，五十年代是晶体管时代，六十

6、年代是集成电路时代，七十年代是大规模集成电路时代，八十年代是超大规模集成电路时代。大规模和超大规模集成电路已成功的应用于国民经济各部门，日益显示出它无比的优越性。人造卫星的上天，火箭的飞行，潜艇的远航，雷达的运转，自动化生产线的运行，哪一样都离不开大规模和超大规模集成电路。至于计算机，我们可以这样说，它的核心部分是由大规模和超大规模集成电路组合起来的。现代生产工艺、科研、军事、宇宙航行、家庭生活等几乎没有一样不和大规模集成电路有关。因此，掌握大规模集成电路基础材料直拉单晶硅的生产技术和工艺理论是非常重要的。通过本课程

7、学习，要求掌握：一、直拉单晶硅生长的基本理论；二、直拉单晶炉结构和直拉单晶硅生产的基本流程；三、在生产中控制直拉单晶硅的几个基本参数一些基本方法；四、本课程是工艺理论，必须经常和生产实践相结合，为直接生产单晶硅打下基础。§1晶体与非晶体自然界的物质，可分为晶体与非晶体两大类。如硅、锗、铜、铅等是晶体，玻璃、塑料、松香等则是非晶体。从宏观性质看，晶体与非晶体主要有三个方面的区别。1、晶体有规则的外型。人类最早认识的晶体是一些天然矿物，如岩盐、水晶、明矾等，这些晶体都有规则的外形，如岩盐是立方体，不过晶体的外形常常受生长

8、条件限制，外型各有差异例如，在含尿素溶液中生长的食盐为八面体，在含硼酸的溶液中生长的食盐则为立方体兼八面体，如图：人工生长的晶体，生长条件不同，晶体外型在生长后还能显露出来。用直拉法沿<111>方向生长的硅、锗单晶，有三条对称的棱线，沿<100>方向生长的硅、锗单晶，则有四条对称分布的棱线。非晶体则没有规则的外形，如玻璃、松香、塑料等外表没有一