半導(dǎo)體材料課件章節(jié)舊版第三章

1、熔體生長(zhǎng)的目的：獲得高質(zhì)量體單晶熔體中生長(zhǎng)要求：材料在熔點(diǎn)附近性能 ，不發(fā)生分解、升華和相變?cè)诰w生長(zhǎng)過程中，為保證晶體生長(zhǎng)順利進(jìn)行必須考慮解決熱量輸運(yùn)和質(zhì)量輸運(yùn)的問題。Ø 氣相和溶液中生長(zhǎng)晶體時(shí)，質(zhì)量輸運(yùn)起重要作用。Ø 熔體中生長(zhǎng)主要是熱量輸運(yùn)問題，它直接影響晶體生長(zhǎng)參數(shù)、生長(zhǎng)界面形態(tài)和晶體的完整性等。3-2 熔體的晶體生長(zhǎng)吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料熱傳遞3-2-1 晶體生長(zhǎng)界面熱輸運(yùn)方程：QH：加熱器傳給坩堝的熱；QRC：坩堝向外輻射的熱（底部）； QL：熔體向固-液界面?zhèn)鲗?dǎo)的熱； QRL：熔體向外散熱；QF： 相轉(zhuǎn)變時(shí)放出的相變潛熱；QRS：晶體表面散熱； Q´

2、;C：籽晶傳導(dǎo)散失熱;QC：從固-液界面?zhèn)髯叩臒?。QC= QRS+Q´C。重要的是直接通過固-液界面的熱流，即：QL、QF、QC。晶體生長(zhǎng)時(shí)，在生長(zhǎng)的固-液界面上保持熱平衡，即在 時(shí)間內(nèi) QL+QF=QC設(shè)生長(zhǎng)晶體的截面積為A，生長(zhǎng)速度為f，相變潛熱Q= fAd FH為H (Jg) ) ，晶體密度為d，結(jié)晶放出的相變潛熱QFQ= K æ dT ö ALLçèdZ÷øLQ從熔體傳到界面的熱量 L為Q= K æ dT ö ACSçèdZ÷øS從固-液界面向晶體傳走的熱量

3、QC為Ø KL、KS分別為熔體和晶體的熱傳導(dǎo)系數(shù)Ø (dT/dZ)L和(dT/dZ)S分別為熔體和晶體在固-液界面處的溫度梯度。AK æ dT ö+LçèdZ÷øLfAd H = AKæ dT öSçèdZ÷øS界面熱流連續(xù)方程兩個(gè)界面熱流方程應(yīng)用的實(shí)例1.晶體生長(zhǎng)速度的估算上式可變成生長(zhǎng)速度 f 的函數(shù)式K æ dT ö - K æ dT öSçf =èdZ÷øSLç

4、;èdZ÷øLdH當(dāng)生長(zhǎng)體系固定后，K 、K 、d、均為定值，上SLHf æ dT ö 、æ dT öèèdZdZ式成為ç÷øSç÷øL的 式。K æ dT ö - K æ dT öSçf =èdZ÷øSLçèdZ÷øLdHæ dT öæ dT öè ç÷&#

5、232; dZ øS大或ç dZ÷ 小，生長(zhǎng)速度 f 大øLØ æ dT ö過大，晶體完整性降低（晶體殘留熱應(yīng)力大，èdZç÷øS且不利于晶格整理及位錯(cuò)攀移滑移）çæ dT öøLØ è dZ ÷過小，產(chǎn)生組分過冷，使得固液界面不平坦，導(dǎo)致枝蔓生長(zhǎng)甚至多晶fmax= Kæ dT ödH è dZ øSSç÷ 估算體系的最大生長(zhǎng)速度(極限值)，在理論上時(shí)，可得

6、æ dT ö=dZç÷0èøL吉林大學(xué)科學(xué)與 半導(dǎo)體材料Runyan對(duì)一個(gè)硅單晶進(jìn)行了估算：Q= fAd = Q- QFHCLfmax=2.96cm/min。實(shí)際測(cè)得 fmax=2.53 cm/min。理論與實(shí)驗(yàn)值大體是相符的。 生長(zhǎng)速度f 一定時(shí)，A=（QC-QL）/fdHQC大或 QL 小, A 大 (非生長(zhǎng)建立新的穩(wěn)態(tài) ) A、f 一定時(shí)（等徑勻速生長(zhǎng)），（QC-QL）要一定，即QL要隨QC變化3-2 熔體的晶體生長(zhǎng)吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料2.生長(zhǎng)速度與晶體外形的單晶生長(zhǎng)時(shí)，籽晶的截面積都較小，從籽晶傳導(dǎo)走的熱量QC可忽略不計(jì);

7、晶體的熱耗散僅是晶體表面的輻射耗散QC=QRS 。由 - 定律，得 高度表面向外輻射的Q = 2p r es T = B r4C1熱量e：熱發(fā)射率；s： - 常數(shù)；T：體系（晶體表面）溫度。QLQFQCKAK æ dT ö+æ dT öL ç dZ ÷fAd H = AKS ç dZ ÷èøLèøSK æ dT ö p r 2 + f dp r 2 = B rL ç dZ ÷H1èøLKæ dT ö

8、;BL ç dZ ÷f =1-è øLpdHrdHæ dT öB1L ç dZ ÷B2= p潛熱項(xiàng)B =è øL熱傳導(dǎo)項(xiàng)A = p r 2AK æ dT öSçèdZ÷øS= B r1dH3dHf =B2r- B3f =B2r- B3f µ 1r如潛熱項(xiàng)B2比熔體的熱傳導(dǎo)項(xiàng)B3大，有B2>>B3 成立時(shí)，則¾晶體生長(zhǎng)速度與生長(zhǎng)的晶體半徑成反比。¾在實(shí)際生產(chǎn)中，常用改變拉晶速度與加熱功率來 晶體半

9、徑。3-2-2 晶體的溫度分布Ø 拉制單晶時(shí)，晶體各部分溫度是不同的；溫差存在導(dǎo)致一定的熱應(yīng)力，影響晶體完整性。（Brice）數(shù)學(xué)模型晶體的半徑ra，長(zhǎng)度l，熱傳導(dǎo)系l數(shù) K，密度r，比熱C均為常數(shù)。四點(diǎn)簡(jiǎn)化：忽略籽晶導(dǎo)熱。無放肩部分。晶體各向同性。單晶爐熱場(chǎng)為圓柱對(duì)稱，并與晶體旋轉(zhuǎn)軸同軸。討論晶體的溫度分布：l坐標(biāo)原點(diǎn)在固-液界面中心O點(diǎn)上； 相對(duì)溫度(r.z)=T(r.z)-T0； T0：環(huán)境溫度，T：體系溫度。¶2q + 1 ¶q + ¶2q =¶r 2r ¶r¶z 20晶體中熱場(chǎng)是圓柱對(duì)稱，與圓周角無關(guān)；只是半徑r和

10、高度z的函數(shù)，熱傳導(dǎo)方程為- K ¶q = e q + e q = eq¶rCR三個(gè)邊界條件：l 固-液界面上，界面溫度為熔點(diǎn)Tm，即z=0，T=Tm，q= Tm- T0= qm r=ra時(shí)，傳導(dǎo)到晶體表面的熱量通過對(duì)流和輻射向環(huán)境耗散eC、eR：分別為晶面面積通過對(duì)流和輻射引起的熱損耗率； e 叫熱交換系數(shù)， e =eC+eR吉林大學(xué) z=l 時(shí)，晶體頂部也有類似的熱耗散- K ¶q = e q + e q = eq¶zCR半導(dǎo)體材料科學(xué)與3-2 熔體的晶體生長(zhǎng)令h = e K，當(dāng)熱交換系數(shù)e與熱傳導(dǎo)系數(shù)K的比值很小時(shí)，微分方程的近q = Tm - T

11、0 = qm- K ¶q = e q + e q = eq¶rCR- K ¶q = e q + e q = eq¶zCRq » qm(1- hr / 2r )2aæ1- 1 hr öexpê- çéæ 2h ö1/ 2÷çè2a ÷øêëè raøùzúúû似吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料3-2 熔體的晶體生長(zhǎng)晶體中溫度梯度沿軸向z和沿徑向r的分量為&#

12、182;¶z» - çæ 2h ö1/ 2 (1- hr 2 / 2r )mçèaør÷÷ a exp - (éæç1-hra ÷1öêë2hr)1/ 2 zùúaûè2ø¶q » -æ 2h ö1/ 2¶zçç r÷èaø÷q或¶ » - hr&#

13、233;¶rmexp - (ra ç1-æ12êhra ÷öë2hr)z1/ 2ùúaûèø¶q » -hr¶rr (1- hr 2/2r )qaa或¶2q » q2hrexpê- ( r )zúé2h1/ 2ù¶z 2maëaû二級(jí)微分表達(dá)式吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料3-2 熔體的晶體生長(zhǎng)q » qm(1- hr/ 2r )2aæ1- 1

14、 hr öexpê- çéæ 2h ö1/ 2÷çè2a ÷øêëè ra øùzúúû¶q¶z » -ç ræ 2h ö1/ 2èa÷øq¶q » -hrq¶rr (1- hr 2/2r )aa¶2q » q¶z 2m2hrexpê( r )

15、33;- 2h1/ 2zúùaëaû由四個(gè)近似解，可以看出以下規(guī)律性特點(diǎn)：溫度分布以晶體旋轉(zhuǎn)軸z 為對(duì)稱軸，當(dāng)r 、z 一定時(shí)，溫度也相同；因此在z一定，即在一個(gè)水平面上，以r為半徑的圓周上各點(diǎn)的溫度都相同。當(dāng)r為常數(shù)時(shí)，常數(shù)exp-常數(shù)z，即晶體中溫度隨z增大而指數(shù) 降低。吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料3-2 熔體的晶體生長(zhǎng)q » qm(1- hr/ 2r2a)æ1- 1 hr öexpê- çéæ 2h ö1/ 2çè2a ÷øê

16、;ëè ra ø÷ùzúúû¾當(dāng)h0時(shí)，環(huán)境冷卻晶體， 溫度隨r的增大而降低，此時(shí)晶體中等溫線是凹向熔體的;¾當(dāng)h0，即環(huán)境給晶體熱量時(shí)溫度隨r增大而升高，此時(shí)晶體中等溫線是凸向熔體的。當(dāng)z為常數(shù)時(shí)，溫度梯度的¶q¶z » -ç ræ 2h ö1/ 2èa÷øq軸向分量為：¶z¶q（常數(shù))(1-hr2/2ra）如h0，隨r增加而減少；h0時(shí)，將隨r增加而增大。吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料3-

17、2 熔體的晶體生長(zhǎng)晶體中熱場(chǎng)分布的分析雖然在推導(dǎo)過程中作了很多近似處理，但迄今為止尚沒有更精確的結(jié)果;結(jié)論與用直 生長(zhǎng)鍺單晶實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，十分相近的; 的問題:沒有考慮攪拌、熔體中溫度分布、坩堝壁溫度對(duì)熱傳導(dǎo)的 。吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料3-2 熔體的晶體生長(zhǎng)3-2-3 熔體中的熱傳遞自然對(duì)流：在重力場(chǎng)中由于溫度的不均勻，導(dǎo)致熱膨脹的差異從而引起流體密度的差異產(chǎn)生浮力。當(dāng)浮力克服了粘滯力，自然對(duì)流就發(fā)生。由流體密度的差異產(chǎn)生的浮力是自然對(duì)流的驅(qū)動(dòng)力。強(qiáng)迫對(duì)流：人為對(duì)熔體進(jìn)行攪拌（晶體和坩堝旋轉(zhuǎn)、磁場(chǎng)）造成的對(duì)流由離心力、向心力最終由表面張力的梯度驅(qū)動(dòng)。對(duì)流影響熔體中的熱分布、固液界面形狀、雜質(zhì)

18、分布的均勻性吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料3-2 熔體的晶體生長(zhǎng)表面從，右端被冷卻下降；舟底部從向左，并逐步被加熱。上下溫差，水平舟的中間還一系列的小循環(huán)。坩堝中自然對(duì)流晶體水平舟中自然對(duì)流3-2 熔體的晶體生長(zhǎng)吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料由數(shù)Ra來討論熔體中的自然對(duì)流臨界 數(shù)RaC：浮力=粘滯力描述對(duì)流狀態(tài)的判據(jù)Ra：當(dāng)Ra > RaC，即浮力大于粘滯力時(shí)，開始對(duì)流（平流），Ra進(jìn)一步增大，平流湍流強(qiáng)烈的對(duì)流引起湍流加劇了熔體中的溫度波動(dòng) 晶體局部“ ” 晶體中雜質(zhì)分布不均勻在大直徑單晶生長(zhǎng)中，熔體的對(duì)流對(duì)晶體質(zhì)量影響尤為顯著。Ra = n kagl 4 dTdz影響對(duì)流的因素：I. 當(dāng)生長(zhǎng)晶體

19、直徑越大（坩堝也越大），對(duì)流越強(qiáng)烈；II. 縱向溫度梯度越大時(shí)，對(duì)流越強(qiáng)烈。III. h/d 越大，對(duì)流越強(qiáng)烈消除自然對(duì)流不良影響的幾種（1） 減小縱向溫度梯度dT/dZ（2） 選擇合適的h/d比值，熔體中加擋板（3） 用強(qiáng)迫對(duì)流和加磁場(chǎng)來 自然對(duì)流（4） 在失重狀態(tài)下生長(zhǎng)晶體強(qiáng)迫對(duì)流與柱晶轉(zhuǎn)+堝轉(zhuǎn)攪拌對(duì)流花樣實(shí)踐中，通常晶轉(zhuǎn)比堝轉(zhuǎn)快1-3倍，反向轉(zhuǎn)動(dòng)，中心區(qū)與 區(qū)產(chǎn)生相對(duì) ，固液界面下方形 個(gè)相對(duì) 的區(qū)域，Tailor-Columns,它阻礙熔體中雜質(zhì)的擴(kuò)散，有利于晶體的 生長(zhǎng)。生長(zhǎng)工藝參數(shù)與生長(zhǎng)界面形狀a) 晶轉(zhuǎn)與堝轉(zhuǎn)：加快晶轉(zhuǎn)，界面由凸向熔體轉(zhuǎn)向平坦；加快堝轉(zhuǎn)，界面由凹向熔體轉(zhuǎn)向平坦。晶

20、轉(zhuǎn)與堝轉(zhuǎn)引起的強(qiáng)迫對(duì)流相反a) 生長(zhǎng)速度：加大拉晶速度，使凸向熔體的界面轉(zhuǎn)向平坦。b) 晶體散熱：加強(qiáng)晶體散熱，界面由凸向熔體轉(zhuǎn)向平坦。界面形態(tài)直接影響電阻率的徑向分布！第3章 晶體生長(zhǎng)3-1、晶體生長(zhǎng)理論基礎(chǔ)3-2、熔體的晶體生長(zhǎng)3-3、硅、鍺單晶生長(zhǎng)吉林大學(xué)科學(xué)與 半導(dǎo)體材料3-3硅、鍺單晶的生長(zhǎng)Ge單晶主要用直 （Czochralski-CZ）吉林大學(xué)直科學(xué)與示意圖半導(dǎo)體材料Si單晶常采用直 與懸浮區(qū)熔法懸浮區(qū)熔示意圖3-3 硅、鍺單晶生長(zhǎng)Ø 坩堝直的優(yōu)點(diǎn)是，可拉制大直徑和高摻雜低阻單晶。Ø 缺點(diǎn)是由于熔硅與石英坩堝（SiO2）熔接以及石墨的污染，將使大量的O、C及金

21、屬雜質(zhì)進(jìn)入硅單晶，故CZ法不能 高阻單晶。¾無坩堝區(qū)熔法（FZ）采用高頻感應(yīng)加熱，通過熔區(qū)移動(dòng)生長(zhǎng)單晶，由于工藝不接觸石英坩堝（SiO2） 和石墨加熱，可拉制 度、長(zhǎng) 單晶。¾缺點(diǎn)是單晶摻雜極為 。3-3 硅、鍺單晶生長(zhǎng)吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料3-3-1直直拉單晶 法是把原料多晶硅塊放入石英坩堝中，在單晶爐中加熱融化 ，再將一根直徑只有10mm的棒狀晶種（稱籽晶）浸入融液中。在合適的溫度下，融液中的硅原子會(huì)順著晶種的硅原子排列結(jié)構(gòu)在固液交界面上形成規(guī)則的結(jié)晶，成為單晶體。直拉單晶生長(zhǎng)關(guān)鍵：爐內(nèi)合理的熱場(chǎng)熱量傳輸直接影響晶體生長(zhǎng)參數(shù)、生長(zhǎng)界面形態(tài)進(jìn)而影響晶體完整性。合理熱場(chǎng)的

22、要求出發(fā)點(diǎn)：希望只沿籽晶生長(zhǎng)，不出現(xiàn)其它新的晶核生長(zhǎng)界面，要求在生長(zhǎng)過程中保持過冷區(qū)只集中在界面附近狹小的范圍。合理熱場(chǎng)的基本條件 熔體中：縱向溫度梯度(dT/dZ)L0，徑向溫度梯度(dT/dr)L0即熔體內(nèi)部溫度高于熔點(diǎn)，保證熔體中不發(fā)生均勻成核同時(shí)坩堝壁處溫度高于熔點(diǎn)，保證坩堝邊緣處不發(fā)生非均勻成核。 晶體中(dT/dZ)S0 ，且大小相當(dāng)，既能排除相變潛熱又不因過大使缺陷增加。單晶爐內(nèi)的熱傳輸、熔體中質(zhì)量輸運(yùn)、液體對(duì)流以及Si與石英坩堝在高溫下的化學(xué)反應(yīng)都將直接影響晶體生長(zhǎng)過程和所生長(zhǎng)的單晶質(zhì)量。對(duì)于生長(zhǎng)過程人為可 因素主要是：熱場(chǎng)設(shè)計(jì)、籽晶桿及坩堝的旋轉(zhuǎn)和升降速度，爐內(nèi)保護(hù)氣氛 的種

23、類、 ，溫度 精度及直徑自動(dòng) 等。直單晶硅石英坩堝冷卻水拉籽晶單晶爐熱碳加熱器石墨坩堝坩堝支撐桿 泄露托盤 電極 吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料3-3 硅、鍺單晶生長(zhǎng)單晶石墨熱場(chǎng)簡(jiǎn)介石墨加熱器石墨熱場(chǎng)吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料單晶石墨熱場(chǎng)簡(jiǎn)介科學(xué)與科學(xué)與半導(dǎo)體材料半導(dǎo) 體材料吉林大學(xué)3-3 硅、鍺單晶生長(zhǎng)直單晶生長(zhǎng)工藝直 工藝流程：爐體、籽晶、多晶硅、摻雜劑、石英坩堝原料及器具的清潔處理降溫出爐單晶生長(zhǎng)加熱熔化抽真空（或通保護(hù)氣）吉林大學(xué)科學(xué)與性能測(cè)試半導(dǎo)體材料3-3 硅、鍺單晶生長(zhǎng)清潔處理：Ø 爐室：吸塵器， 、 擦拭Ø 多晶硅、籽晶、摻雜劑：用（HNO3：HF）腐蝕、去離子水沖

24、洗、烘干Ø 石英坩堝：水洗后，HF浸泡幾分鐘，沖洗等徑生長(zhǎng)：調(diào)解拉速、晶轉(zhuǎn)速度、加熱功率 ADC吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料3-3 硅、鍺單晶生長(zhǎng)拉晶過程：潤(rùn)晶縮頸放肩等徑生長(zhǎng)拉光直拉單晶生長(zhǎng)工藝過程¾ ：將多晶硅原料及雜質(zhì)放入石英坩堝內(nèi)，雜質(zhì)的種類依電阻的或型而定。雜質(zhì)種類有硼、磷、銻、砷，目前國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能行業(yè)僅摻硼形成P型半導(dǎo)體。3-3 硅、鍺單晶生長(zhǎng)吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料直拉單晶生長(zhǎng)工藝過程¾熔化：加完多晶硅原料于石英堝內(nèi)后，長(zhǎng)晶爐必須關(guān)閉并抽成真空后充入 氬氣使之維持一定 范圍內(nèi)，然后打開加熱電源，加熱至熔化溫度（1420）以上，將多晶硅原料熔化。¾

25、潤(rùn)晶：待原料熔化，溫度 后，將籽晶下降與液面接近，使籽晶預(yù)熱幾分鐘，俗稱“烤晶”，以除去表面揮發(fā)性雜質(zhì)同時(shí)可減少熱沖擊。直拉單晶生長(zhǎng)工藝過程¾引晶及縮頸生長(zhǎng)：當(dāng)硅熔體的溫度 之后，將籽 晶慢慢浸入硅熔體中，引晶生長(zhǎng)是將籽晶快速向上提 升，使長(zhǎng)出的籽晶的直徑縮小到一定大小（4-6mm）。由于位錯(cuò)線與生長(zhǎng)軸 個(gè)交角，只要縮頸夠長(zhǎng)，位錯(cuò)便能排出晶體表面，產(chǎn)生低位錯(cuò)的晶體。直拉單晶生長(zhǎng)工藝過程¾放肩生長(zhǎng)：長(zhǎng)完細(xì)頸之后，須降低溫度與拉速，使得晶體的直徑漸漸增大到所需的大小。直拉單晶生長(zhǎng)工藝過程¾等徑生長(zhǎng)：長(zhǎng)完細(xì)頸和肩部之后，借著拉速與溫度的不斷調(diào)整，可使晶棒直徑維持在正負(fù)2

26、mm之間，這段直徑固定的部分即稱為等徑部分。單晶硅片取自于等徑部分。直拉單晶生長(zhǎng)工藝過程¾尾部生長(zhǎng)（收晶）：在 徑部分之后，如果立刻將晶棒與液面 ，那么熱應(yīng)力將使得晶棒出現(xiàn)位錯(cuò)與滑移線。于是為了避免此問題的發(fā)生，必須將晶棒的直徑慢慢縮小，直到 尖點(diǎn)而與液面 。這一過程稱之為尾部生長(zhǎng)。直拉單晶生長(zhǎng)工藝過程1. 籽晶熔接： 加大加熱功率，使多晶硅完全熔化，并揮發(fā)一定時(shí)間后，將籽晶下降與液面接近，使籽晶預(yù)熱幾分鐘，俗稱“烤晶”，以除去表面揮發(fā)性雜質(zhì)同時(shí)可減少熱沖擊。2. 引晶：當(dāng)溫度 時(shí)，可將籽晶與熔體接觸。此時(shí)要 好溫度，當(dāng)籽晶與熔體液面接觸，浸潤(rùn)良好時(shí)，可開始緩慢 ，隨著籽晶上升硅在籽

27、晶頭部結(jié)晶，這一步驟叫“引晶”，又稱“下種”。3. 縮頸：是指在引晶后略微降低溫度，提高拉速，拉一段直徑比籽晶細(xì)的部分。其目的是排除接觸不良引起的多晶和盡量消除籽晶內(nèi)原有位錯(cuò)的延伸。頸要長(zhǎng)于20mm。吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料3-3 硅、鍺單晶生長(zhǎng)4. 放肩：縮頸工藝完成后，略降低溫度，讓晶體逐漸長(zhǎng)大到所需的直徑為止。這稱為“放肩”。在放肩時(shí)可判別晶體是否是單晶，否則要將其熔掉重新引晶。單晶體外形上的特征棱的出現(xiàn)可幫助我們判別，<111>方向應(yīng)有對(duì)稱三條棱，<100>方向有對(duì)稱的四條棱。5. 等徑生長(zhǎng)：當(dāng)晶體直徑到達(dá)所需 后，提高拉速， 使晶體直徑不再增大，稱為收肩。收肩

28、后保持晶體直徑不變，就是等徑生長(zhǎng)。此時(shí)要嚴(yán)格 溫度和拉速。6. 收晶：晶體生長(zhǎng)所需長(zhǎng)度后，拉速不變，升高熔體溫度，或熔體溫度不變，加快拉速，使晶體脫離熔體液面。¾直 的主要參數(shù)：拉晶速度，晶轉(zhuǎn)速度，加熱功率吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料3-3 硅、鍺單晶生長(zhǎng)直生長(zhǎng)單晶的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：Ø 所生長(zhǎng)單晶的直徑較大；Ø 成本相對(duì)較低；Ø 通過熱場(chǎng)調(diào)整及晶轉(zhuǎn)和堝轉(zhuǎn)等工藝參數(shù)的優(yōu)化可較好 電阻率徑向均勻性缺點(diǎn)：Ø 石英坩堝內(nèi)壁被熔Si侵蝕及石墨保溫加熱元件的影響易引入氧、碳雜質(zhì)，不易生長(zhǎng)高電阻率單晶（含氧量通常10-40ppm）Ø SiO2+Si2SiO（

29、高溫及強(qiáng)熱對(duì)流下）吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料3-3 硅、鍺單晶生長(zhǎng)吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料3-3 硅、鍺單晶生長(zhǎng)吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料3-3 硅、鍺單晶生長(zhǎng)CZ硅單晶生長(zhǎng)中幾個(gè)基本問題3-3 硅、鍺單晶生長(zhǎng)吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料1 最大生長(zhǎng)速度fmax= KS æ dT öd ç dZ ÷H èøS由界面熱流連續(xù)方程得到非摻雜情況的最大生長(zhǎng)：速率A=（QC-QL）/fdH考慮到晶體中能夠的最大熱應(yīng)力，實(shí)際生長(zhǎng)速度是低于這一生長(zhǎng)速度的，同時(shí)生長(zhǎng)速度要與加熱功率配合：放肩降低QL、收尾增加QL。摻雜時(shí)，考慮到雜質(zhì)分凝的變速拉晶。2 熔體

30、中的對(duì)流吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料對(duì)流影響熔體中的熱分布、固液界面形狀、雜質(zhì)分布的均勻性。3-3 硅、鍺單晶生長(zhǎng)3 生長(zhǎng)界面形狀生長(zhǎng)界面形狀：直接影響單晶完整性和電阻率的均勻性。正常情況下，固液界面的宏觀形狀與等于熔點(diǎn)的等溫面相吻合，由爐膛內(nèi)熱場(chǎng)決定。界面有：平坦、凸向熔體、凹向熔體三種情況引晶、放肩：凸向熔體等徑生長(zhǎng)：先平坦后再凹向熔體調(diào)整生長(zhǎng)界面形狀：改變爐膛結(jié)構(gòu)或改變工藝參數(shù)（拉晶速度和晶轉(zhuǎn)速度、氣流情況）吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料3-3 硅、鍺單晶生長(zhǎng)4 生長(zhǎng)過程各階段生長(zhǎng)條件的差異引晶：熔體高度最高， 露坩堝壁高度最小收尾：相反；頭部受熱時(shí)間最長(zhǎng)，尾部受熱時(shí)間最短；整個(gè)生長(zhǎng)過程條件（熔體

31、對(duì)流、熱傳輸、界面形狀，生長(zhǎng)速度等）不斷變化；導(dǎo)致單晶軸向、徑向電阻率不均勻（分凝作用：雜質(zhì)和缺陷分布不均勻）3-3 硅、鍺單晶生長(zhǎng)吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料直拉生長(zhǎng)技術(shù)的幾項(xiàng)改進(jìn)/ CZ法：熱對(duì)流加劇了熔Si與坩堝的作用，使坩堝氧、硼、鋁等雜質(zhì)易于進(jìn)入熔體和晶體，另外熱對(duì)流引起溫度波動(dòng)，造成雜質(zhì)條紋和漩渦缺陷。磁控直拉技術(shù)CZ法的改進(jìn)工藝連續(xù)裝料直拉生長(zhǎng)液封直拉技術(shù)1 磁控直拉技術(shù)（MCZ）Ø 原理：半導(dǎo)體熔體都是良導(dǎo)體，在磁場(chǎng)作用下受到與熔體 方向相反的作用力，阻礙熔體中的對(duì)流（相當(dāng)于增加了熔體的粘滯性）Ø 優(yōu)點(diǎn)：減少溫度波動(dòng)；減輕熔Si與坩堝作用 ， 進(jìn)而減少坩堝中雜質(zhì)

32、進(jìn)入；降低了缺陷密度；使擴(kuò)散層厚度增大有效分凝系數(shù)增大，提高了雜質(zhì)分布的均勻性；有利于提高生產(chǎn)效率2 連續(xù)裝料CZ生長(zhǎng)（1） 重新裝料CZ（2） 連續(xù)加料CCZ（3） 雙坩堝CZ優(yōu)點(diǎn)：節(jié)約時(shí)間、節(jié)約坩堝（它在生產(chǎn)成本中占相當(dāng)比重）保持生長(zhǎng)過程中熔體體積恒定，提供基本 的生長(zhǎng)條件提高縱向電阻率均勻林大學(xué)科學(xué)與科學(xué)與半導(dǎo)體材料半導(dǎo) 體材料重新裝料CZ吉3-3 硅、鍺單晶生長(zhǎng)連續(xù)加料CCZ雙坩堝CZ吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料3-3 硅、鍺單晶生長(zhǎng)3 液體封蓋直拉技術(shù)（liquid encapsulated CZ, LEC )在熔體的表面多了一層覆蓋劑，通過覆蓋劑密封可實(shí)現(xiàn)高壓下拉晶，是 大分解壓化合物

33、半導(dǎo)體單晶的理想。用于制備含揮發(fā)性組元的化合物半導(dǎo)體。吉林大學(xué)科學(xué)與 半導(dǎo)體材料3-3-2區(qū)熔法區(qū)熔法分為水平區(qū)熔法和懸浮區(qū)熔法（float zonemethod， FZ法）兩種。水平區(qū)熔法：水平區(qū)熔法適合用于與容器不反應(yīng)或不太嚴(yán)重的體系，如鍺、銻化銦等懸浮區(qū)熔法用于與容器反應(yīng)比較嚴(yán)重的體系，例如硅。（硅在熔融狀態(tài)下有很強(qiáng)的化學(xué)活性，幾乎沒有不與它作用的容器，即使是或坩堝也會(huì)與熔融硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使單晶的純度到限制，因此不采用水平區(qū)熔備純度要求高的硅單晶）吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料3-3 硅、鍺單晶生長(zhǎng)懸浮區(qū)熔法（FZ）：依靠熔體表面張力，使熔區(qū)懸浮于多晶Si與下方長(zhǎng)出的單晶之間，通過熔區(qū)的移動(dòng)

34、而進(jìn)行長(zhǎng)單晶Si密度小(2.329g/cm3)，表面張力大適合FZ優(yōu)點(diǎn)：無坩堝污染+雜質(zhì)分凝+蒸發(fā)效應(yīng)高阻單晶3-3 硅、鍺單晶生長(zhǎng)吉林大學(xué)科學(xué)與半導(dǎo)體材料熔區(qū)條件熔區(qū) 條件：F1 + F2 = F3 + F4Ø F1：熔區(qū)重力Ø F2：轉(zhuǎn)動(dòng)離心力Ø F3：表面張力Ø F4：高頻感應(yīng)形成的磁托力表面張力越大，熔區(qū)越短小，離心力（轉(zhuǎn)速）越小，越容易建立熔區(qū)增大晶體直徑與保持熔區(qū)的解決辦法：減少熔區(qū)質(zhì)量（F1），降低轉(zhuǎn)速（F2）科學(xué)與半導(dǎo)體材料3-3 硅、鍺單晶生長(zhǎng)“針眼”技術(shù)巧妙地解決了直徑增大與熔區(qū)熔體重量的吉林大學(xué)懸浮區(qū)熔法生長(zhǎng)單晶的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：熔硅不接觸任何物體，氧、碳含量較低， 利用蒸發(fā)、分凝效應(yīng)，可提純出 Si單晶缺點(diǎn)：Ø 受熱場(chǎng)（高頻加 圈）限制，所生長(zhǎng)單晶徑向電阻率不如