拉晶教程PPT課件

1、1.單晶的制造方法 1. 直拉法 （切克勞斯基法、CZ法）：利用旋轉(zhuǎn)著的籽晶從坩堝中的溶液提拉制備出單晶的方法 課程的主要內(nèi)容第1頁(yè)/共23頁(yè) 2. 區(qū)熔法 （FZ法） ：采用高頻率線圈從外圍來(lái)加熱溶解多晶棒，在與籽晶接觸后移動(dòng)線圈的方法制取單晶。第2頁(yè)/共23頁(yè)2. 硅單晶的生長(zhǎng)圖1 單晶生長(zhǎng)裝置概略圖2.1 硅單晶的生長(zhǎng)裝置 機(jī)械部分 電氣部分 （1）硬件方面 1.在單晶旋轉(zhuǎn)的同時(shí)能上拉 2.軟軸驅(qū)動(dòng)部、坩堝移動(dòng)驅(qū)動(dòng)部 的構(gòu)造能耐高重量負(fù)荷 3.坩堝旋轉(zhuǎn)的同時(shí)能夠上下移動(dòng) 4.耐減壓、耐高溫的構(gòu)造 5.裝置要密封，無(wú)漏氣等 6.在停電、地震等非常情況有安全對(duì)策功能第3頁(yè)/共23頁(yè)(2)軟件

2、方面 1.在輸入工藝數(shù)據(jù)后，能自動(dòng)控制各流程； 2.在單晶等晶過(guò)程中具備直徑控制、拉晶速度控制的功能。本控制的程序塊圖表如圖2所示直徑計(jì)測(cè)值直徑設(shè)定值-+P I D 計(jì)算P I D 計(jì)算引上速度設(shè)定值出力引上速度平均值引上速度設(shè)定值-+溫度設(shè)定值出力圖2 單晶直徑控制和拉速控制程序模塊第4頁(yè)/共23頁(yè) 2.2 拉晶工藝過(guò)程圖3 拉晶基本流程第5頁(yè)/共23頁(yè)1） 拆 爐 準(zhǔn)備拆爐用品：1.耐高溫手套 2.酒精（無(wú)水乙醇） 3.無(wú)塵布 或綢布（可重復(fù)使用） 4.臺(tái)車 5.穿好工作服，戴好口罩等注意事項(xiàng)：1.清理干凈（沉積的硅化 物及積硅）2.檢查石墨件的使用情況（裂紋，變形，螺絲松動(dòng)等）3.安裝熱

3、場(chǎng)要均勻，對(duì)稱 4.取光孔要對(duì)準(zhǔn)第6頁(yè)/共23頁(yè)2） 裝料、熔料 3） 籽晶與熔硅的熔接a. 溫度的穩(wěn)定（裝料量越大，所需時(shí)間越長(zhǎng)）b. 籽晶的預(yù)熱（減少籽晶與熔體的溫度差，從而減少籽晶中產(chǎn)生的熱應(yīng)力） a. 石英坩堝的檢查及安裝（是否有孔、氣泡、黑點(diǎn)、氣泡群或劃傷等） b. 多晶硅的安裝注意點(diǎn) c. 摻雜 （確認(rèn)與工藝單上一致） 4） 引晶 a. 排除籽晶中的位錯(cuò)b. 拉速1-5mm/min 直徑3-5mm 長(zhǎng)度80-150mm第7頁(yè)/共23頁(yè) 5） 放 肩 a.減慢提拉速度 （0.5mm） b.降低溶液溫度 （140-160） 6） 轉(zhuǎn) 肩 a.接近預(yù)定目標(biāo)直徑時(shí)，提高 拉速(提至150m

4、m/h） b.為保持液面的不變，轉(zhuǎn)肩時(shí)或轉(zhuǎn)肩后應(yīng)開啟堝升第8頁(yè)/共23頁(yè) 7） 等徑生長(zhǎng) a.達(dá)到目標(biāo)直徑時(shí)，能實(shí)現(xiàn)直徑的自動(dòng)控制 b.保持晶體的無(wú)位錯(cuò)生長(zhǎng) 溫度梯度（軸向、徑向溫度梯度不能過(guò)大） 難熔固體顆粒、爐塵（坩堝中的熔體中的SiO揮發(fā)后，在爐膛氣氛中冷卻混結(jié)成的顆粒）、坩堝起皮后的脫落物等方法：1.調(diào)整熱場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和坩堝在熱場(chǎng)中的初始位置，可改變晶體中的溫度梯度 2.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c.無(wú)位錯(cuò)單晶的判斷（111晶向、100晶向）第9頁(yè)/共23頁(yè) 8） 收 尾 （防止位錯(cuò)反延） a.逐步縮小晶體的直徑直至最后縮

5、小成為一點(diǎn) 提高拉速 升高溫度 b.位錯(cuò)反延的距離大約等于生長(zhǎng)界面的直徑 c.影響單晶的成品率 9） 冷 卻 停止石墨加熱器的加熱，使單晶冷卻，此時(shí)單晶處于急速冷卻狀態(tài)，需調(diào)整冷卻速度，防止單晶產(chǎn)生缺陷（內(nèi)裂，冷卻提速60-80mm，后可減至200mm） 冷卻時(shí)間 單晶直徑 剩余堝底料 第10頁(yè)/共23頁(yè)單晶生長(zhǎng)參數(shù)相關(guān)單晶特性1.多晶裝料量2.雜質(zhì)種類（摻雜）3.雜質(zhì)摻雜量4.單晶旋轉(zhuǎn)數(shù)5.坩堝旋轉(zhuǎn)數(shù)6.初始坩堝位置7.單晶生長(zhǎng)速度8.單晶冷卻條件1.導(dǎo)電型號(hào)（P型或N型）2.電阻率 ( )3.斷面內(nèi)電阻率變化率 ( )4.氧濃度 ( Oi )5.碳濃度 ( Cs )6.單晶缺陷 ( OSF

6、, MD )2.3 拉晶條件和單晶特性a. 晶面 （由籽晶的晶面決定）第11頁(yè)/共23頁(yè) b. 導(dǎo)電型 代表性摻雜物和導(dǎo)電型 P型摻雜 B（硼） （鋁鎵銦） N型摻雜 P（磷），Sb（銻），As（砷） c. 電阻率 單晶在固化時(shí)出現(xiàn)摻雜劑的偏析現(xiàn)象，單晶頭尾電阻率的變化趨勢(shì) 降低比例視摻雜劑的分凝系數(shù)而定。（雜質(zhì)濃度與電阻率反比） B 0.8 P 0.35 As 0.3 Sb 0.026 d. 氧濃度 石英坩堝 硅溶液 單晶棒 1% 以氧化硅的形式從融液表面蒸發(fā)掉 99% 第12頁(yè)/共23頁(yè) e. 碳濃度 構(gòu)成熱場(chǎng)的石墨材料 硅多晶混入單晶中 2.4 再加料工藝 提高單晶的生產(chǎn)效率 再加料的注

7、意事項(xiàng)： 第13頁(yè)/共23頁(yè) 2.5 硅晶體的摻雜 mCsKoWdMNo=目標(biāo)濃度投料量分凝系數(shù)硅的密度阿伏伽德羅常數(shù)摻雜元素原子量m合金KoWsiC合金=CsiCsi目標(biāo)濃度投料量分凝系數(shù)摻雜母合金濃度第14頁(yè)/共23頁(yè) 例題1：需要拉制重?fù)脚饐尉Ч瑁b料量為60Kg，目標(biāo)電阻率為510-3cm,試計(jì)算需要摻入高純硼多少克？ 解：W=60000g d=2.33g/cm3 Cs=2.011019(從表中查出510-3cm對(duì)應(yīng)的雜質(zhì)濃度值) M=10.81 （元素周期表 B） No=6.021023 Ko=0.8 2.011019 60000 10.81 M= 11.614g 0.8 2.33

8、6.021023 例題2：裝入60kg高純多晶硅，拉制成812 cm 的摻磷單晶硅，需要摻入 610-3cm 的母合金多少克? 解：以頭部為11 cm 計(jì)算摻雜較有保證，可查表得對(duì)應(yīng)的目標(biāo)濃度為41014 ，查母合金610-3cm對(duì)應(yīng)的濃度為 C合金=1.11019 W=60000g 41014 M = 60000 = 6.85g 0.35 1.1101941014第15頁(yè)/共23頁(yè)2.6 堝升速度的計(jì)算方法保持液面在熱場(chǎng)中的位置不變固液界面穩(wěn)定有利于單晶生長(zhǎng)開啟堝升一定的上升速度（堝升隨動(dòng)）堝升隨動(dòng)速度偏小液面下降堝升隨動(dòng)速度偏大液面上升在相同時(shí)間內(nèi)生長(zhǎng)出的單晶質(zhì)量等于堝升隨動(dòng)補(bǔ)充的液體質(zhì)量

9、合適的堝升隨動(dòng)=第16頁(yè)/共23頁(yè)計(jì)算如下：生長(zhǎng)出的晶體質(zhì)量： s=1/4 2 S ts 式中 S晶體拉速 t生長(zhǎng)時(shí)間 s固態(tài)Si密度：2.33g/cm3 晶體直徑補(bǔ)充的液體質(zhì)量： L=1/4 2 S tL 式中 S 堝比隨動(dòng)速度 t生長(zhǎng)時(shí)間 L液態(tài)Si密度：2.5g/cm3 坩堝內(nèi)徑s= L S 2 s = S 2 L 2 即 S =0.932 S 2 第17頁(yè)/共23頁(yè)例：測(cè)得457mm坩堝的內(nèi)徑為439mm，晶體直徑為205mm，當(dāng)籽晶的提拉速度為1.6mm/min時(shí)，坩堝隨動(dòng)應(yīng)為多少？ 2 205 205解： S =0.932 S=0.932 1.6 0.325 （mm/min） 2

10、439 439 第18頁(yè)/共23頁(yè)3. 異常情況及處理方法a. 掛邊或搭橋原因：1.裝料間隙大，增加料的總高度 2.沒有裝成小山型，坩堝上壁接觸硅料較多3.熔料時(shí)，沒有及時(shí)下降堝位或者下降堝位不夠后果：拉晶過(guò)程中會(huì)黏附上很多揮發(fā)物，時(shí)而會(huì)掉入堝中，破壞單晶的生長(zhǎng)1.降低堝位（不得降過(guò)下限位），轉(zhuǎn)動(dòng)坩堝，將掛邊處轉(zhuǎn)至熱場(chǎng)中溫 度較高的一方（一般在兩邊電極的方位）2.升高功率，讓掛邊處硅料迅速熔化處理方法：注意：防止“跳硅” 第19頁(yè)/共23頁(yè)坩堝裂縫的具體情況b. 坩堝裂縫1.熔料時(shí)發(fā)現(xiàn)堝裂，立即降溫停爐2.拉晶時(shí)發(fā)現(xiàn)堝裂，視裂紋是否深入液體情況處理方法：降溫停爐時(shí)，要將坩堝升至最高處，防止結(jié)晶時(shí)，坩堝炸裂，脹破加熱器 后果：燒壞部件，造成重大損失第20頁(yè)/共23頁(yè)c. 突然停電、停水1.瞬間停電（幾秒），檢查恢復(fù)停電前的工藝狀態(tài)，并進(jìn)行干預(yù)，使工藝恢復(fù)正常，2.停電時(shí)間較長(zhǎng)，液面都快結(jié)晶，則應(yīng)先關(guān)閉真空泵，并手動(dòng)搖柄將坩堝下降或轉(zhuǎn)動(dòng)晶升電機(jī)（注意方向），使單晶脫離液面，同時(shí)關(guān)閉氬氣閥（防止正壓）及時(shí)來(lái)電或者長(zhǎng)時(shí)間不來(lái)電，視具體情況具體操作停水的主要原因：循環(huán)水泵燒壞、缺相或抽不上水停水的后果：爐壁、爐蓋