直拉单晶硅的制备工艺

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1、直拉单晶硅的制备工艺内容提要：单晶硅根据硅生长方向的不同分为区熔单晶硅，外延单晶硅和直拉单晶硅。直拉单晶硅的制备工艺一般包括多晶硅的装料和熔化，种晶，缩颈，放肩，等径和收尾。目前，单晶硅的直拉生长法已经是单晶硅制备的主要技术，也是太阳电池用单晶硅的主要制备方法。关键词：直拉单晶硅，制备工艺一，直拉单晶硅的相关知识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

2、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（JCzochralski）发表了用直拉法从熔体中生长单晶的论文，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

3、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25.8%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为晶硅50-60吨，70年为300-350吨，76年就达到1200吨。其中

4、60%以上是用直拉法生产的。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，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

5、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

6、硅工艺理论应不断地向前发展。二，直拉单晶硅的制备工艺（一），工艺概述直拉法生产硅单晶工艺尽管种类繁多，但大体可分为：真空工艺、气氛工艺和减压拉晶工艺。真空工艺又分低真空工艺和高真空工艺。真空工艺的特点是在单晶炉膛内保持真空情况下拉制硅单晶。低真空工艺单晶炉膛内真空度保持10-1～10-2乇，高真空工艺单晶炉膛保持10-3乇或更高的真空度。硅单晶拉制过程中单晶炉膛内充高纯氩气做保护气体，称为气氛工艺。气氛工艺中又有流动气氛和不流动气氛两种。在拉制硅单晶时一次充入单晶炉膛内0.2～0.4kg压强高纯氩气（表压），

7、称为不流动气氛；拉制硅单晶时，连续不断地向单晶炉膛内充入高纯氩，保护炉膛内气体是正压（表压），同时又使部分氩气沿管道向外溢出，这种工艺称为流动气氛。近几年又出现了介于真空工艺和气氛工艺之间减压拉晶工艺。减压拉晶是在单晶硅拉制过程中，连续向单晶炉膛充入等量的高纯氩气，同时真空泵不断地从炉膛内向外抽气，保持炉膛内稳定在10乇～20乇真空内，这种工艺既有真空工艺的特点（炉膛内保持负压），又有流动气氛的特点（不断充气，不断排气），减压工艺在目前直拉单晶硅生产过程中被普遍采用。（二），各项工艺步骤的特点１．多晶硅的装料

8、和熔化a.粉碎至适当大小b.装料时，底部不能有过多的空隙，不能碰到坩埚上边沿c.抽真空，充入保护气　d.加热温度高于1412℃２．种晶先将籽晶降至液面数毫米处暂停片刻，使籽晶温度尽量接近熔硅温度，然后将籽晶浸入熔硅，使头部熔解，接着籽晶上升，生长单晶硅３．缩颈将籽晶快速提升，缩小结晶直径４．放肩放慢生长速度，晶体硅直径增大５．等径稳定生长速度，使晶体硅直径保持不变６．收尾加快提升速度，同时升高熔硅温