晶體硅單晶工藝學(xué)

1、直拉硅單晶工藝學(xué) 前 言 緒論 硅單晶是一種半導(dǎo)體材料。直拉單晶硅工藝學(xué)是研究用直拉方法獲得硅單晶 的一門(mén)科學(xué)，它研究的主要內(nèi)容：硅單晶生長(zhǎng)的一般原理，直拉硅單晶生長(zhǎng)工藝 過(guò)程，改善直拉硅單晶性能的工藝方法。 直拉單晶硅工藝學(xué)象其他科學(xué)一樣，隨著社會(huì)的需要和生產(chǎn)的發(fā)展逐漸發(fā)展 起來(lái)。十九世紀(jì)，人們發(fā)現(xiàn)某些礦物，如硫化鋅、氧化銅具有單向?qū)щ娦阅?，?用它做成整流器件，顯示出獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使半導(dǎo)體材料得到初步應(yīng)用。后來(lái)，人 們經(jīng)過(guò)深入研究，制造出多種半導(dǎo)體材料。1918 年，切克勞斯基（J·Czochralski） 發(fā)表了用直拉法從熔體中生長(zhǎng)單晶的論文，為用直拉法生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料奠定了理 論

2、基礎(chǔ)，從此，直拉法飛速發(fā)展，成為從熔體中獲得單晶一種常用的重要方法。 目前一些重要的半導(dǎo)體材料，如硅單晶，鍺單晶，紅寶石等大部分是用直拉法生 長(zhǎng)的。直拉鍺單晶首先登上大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的舞臺(tái)，它工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高， 成本低，發(fā)展迅速；但是，鍺單晶有不可克服的缺點(diǎn)：熱穩(wěn)定性差，電學(xué)性能較 低，原料來(lái)源少，應(yīng)用和生產(chǎn)都受到一定限制。六十年代，人們發(fā)展了半導(dǎo)體材 料硅單晶，它一登上半導(dǎo)體材料舞臺(tái)，就顯示了獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：硬度大，電學(xué)熱穩(wěn)定 性好，能在較高和較低溫度下穩(wěn)定工作，原料來(lái)源豐富。地球上 25.8%是硅，是 地球上鍺的四萬(wàn)倍，真是取之不盡，用之不竭。因此，硅單晶制備工藝發(fā)展非常 迅速，產(chǎn)量成倍增加，

3、1964 年所有資本主義國(guó)家生產(chǎn)的單晶硅為 50-60 噸，70 年為 300-350 噸，76 年就達(dá)到 1200 噸。其中 60%以上是用直拉法生產(chǎn)的。 單晶硅的生長(zhǎng)方法也不斷發(fā)展，在直拉法的基礎(chǔ)上，1925 年又發(fā)明了坩堝 移動(dòng)法。1952 年和 1953 年又相繼發(fā)明了水平區(qū)熔和懸浮區(qū)熔法，緊接著基座相 繼問(wèn)世。總之，硅單晶生長(zhǎng)技術(shù)以全新姿態(tài)登上半導(dǎo)體材料生產(chǎn)的歷史舞臺(tái)。 隨著單晶硅生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展，單晶硅生長(zhǎng)設(shè)備也相應(yīng)發(fā)展起來(lái)，以直拉單晶 硅為例，最初的直拉爐只能裝百十克多晶硅，石英坩堝直徑為 40 毫米到 60 毫米， 拉制單晶長(zhǎng)度只有幾厘米，十幾厘米，現(xiàn)在直拉單晶爐裝多晶硅達(dá) 40

4、 公斤，石 英坩堝直徑達(dá) 350 毫米，單晶直徑可達(dá) 150 毫米，單晶長(zhǎng)度近 2 米，單晶爐籽晶 軸由硬構(gòu)件發(fā)展成軟構(gòu)件，由手工操作發(fā)展成自動(dòng)操作，并進(jìn)一步發(fā)展成計(jì)算機(jī) 操作，單晶爐幾乎每三年更新一次。 大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，給電子工業(yè)帶來(lái)一場(chǎng)新的革命，也給半 導(dǎo)體材料單晶硅帶來(lái)新的課題。大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路在部分用直拉單晶硅 制造，制造集成電路的硅片上，各種電路密度大集成度高，要求單晶硅有良好的 均勻性和高度的完美性。以 4k 位集成電路為例，在 4×4 毫米或 4×6 毫米的硅 片上，做四萬(wàn)多個(gè)元件，還要制出各元件之間的連線，經(jīng)過(guò)幾十道工序，很多次 熱處

5、理。元件的高密度，復(fù)雜的制備工藝，要保證每個(gè)元件性能穩(wěn)定，除制作集 成電路工藝成熟外，對(duì)硅單晶材料質(zhì)量要求很高：硅單晶要有合適的電阻率和良 好的電阻率均勻性，完美的晶體結(jié)構(gòu)，良好的電學(xué)性能。因此，硅單晶生長(zhǎng)技術(shù) 要更成熟、更精細(xì)、更完善，才能滿足集成電路的要求。直拉單晶硅工藝?yán)碚搼?yīng) 不斷地向前發(fā)展。 目前世界已跨入電子時(shí)代感。可以這樣說(shuō)，四十年代是電子管時(shí)代，五十年 代是晶體管時(shí)代，六十年代是集成電路時(shí)代，七十年代是大規(guī)模集成電路時(shí)代， 八十年代是超大規(guī)模集成電路時(shí)代。大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路已成功的應(yīng)用于 國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)，日益顯示出它無(wú)比的優(yōu)越性。人造衛(wèi)星的上天，火箭的飛行， 潛艇的遠(yuǎn)航，雷

6、達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)，自動(dòng)化生產(chǎn)線的運(yùn)行，哪一樣都離不開(kāi)大規(guī)模和超大 規(guī)模集成電路。至于計(jì)算機(jī)，我們可以這樣說(shuō)，它的核心部分是由大規(guī)模和超大 規(guī)模集成電路組合起來(lái)的?，F(xiàn)代生產(chǎn)工藝、科研、軍事、宇宙航行、家庭生活等 幾乎沒(méi)有一樣不和大規(guī)模集成電路有關(guān)。因此，掌握大規(guī)模集成電路基礎(chǔ)材料直 拉單晶硅的生產(chǎn)技術(shù)和工藝?yán)碚撌欠浅Ｖ匾?。通過(guò)本課程學(xué)習(xí)，要求掌握：一、 直拉單晶硅生長(zhǎng)的基本理論；二、直拉單晶爐結(jié)構(gòu)和直拉單晶硅生產(chǎn)的基本流程； 三、在生產(chǎn)中控制直拉單晶硅的幾個(gè)基本參數(shù)一些基本方法；四、本課程是工藝 理論，必須經(jīng)常和生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，為直接生產(chǎn)單晶硅打下基礎(chǔ)。§ 1 晶體與非晶體 自然界的物質(zhì)，可

7、分為晶體與非晶體兩大類。如硅、鍺、銅、鉛等是晶體， 玻璃、塑料、松香等則是非晶體。從宏觀性質(zhì)看，晶體與非晶體主要有三個(gè)方面 的區(qū)別。 1、晶體有規(guī)則的外型。 人類最早認(rèn)識(shí)的晶體是一些天然礦物，如巖鹽、水晶、明礬等，這些晶體都 有規(guī)則的外形，如巖鹽是立方體，不過(guò)晶體的外形常常受生長(zhǎng)條件限制，外型各 有差異例如，在含尿素溶液中生長(zhǎng)的食鹽為八面體，在含硼酸的溶液中生長(zhǎng)的食 鹽則為立方體兼八面體，如圖： 人工生長(zhǎng)的晶體，生長(zhǎng)條件不同，晶體外型在生長(zhǎng)后還能顯露出來(lái)。用直拉 法沿<111>方向生長(zhǎng)的硅、鍺單晶，有三條對(duì)稱的棱線，沿<100>方向生長(zhǎng)的硅、 鍺單晶，則有四條對(duì)稱分布的

8、棱線。 非晶體則沒(méi)有規(guī)則的外形，如玻璃、松香、塑料等外表沒(méi)有一定規(guī)則。 2、晶體具有一定的熔點(diǎn)： 將晶體和非晶體逐漸加熱，每隔一定時(shí)間測(cè)量一下它們的溫度，一直到它們 全部熔化或成為熔體，作出溫度和時(shí)間關(guān)系的曲線熔化曲線。 從熔化曲線中我們可以看到：晶體熔化時(shí)有一溫度平臺(tái) bc，熔化時(shí)溫度保 持不變，此溫度就是晶體的熔點(diǎn)。在熔點(diǎn)溫度，一部分晶體熔化成液體，一部分 仍保持固體狀態(tài)，隨著時(shí)間增加直到全部熔化成液體。 非晶體沒(méi)有溫度平臺(tái)，隨著時(shí)間的推移溫度不斷升高，bc 段很難說(shuō)是固態(tài) 還是液態(tài)，而是一種軟化狀態(tài)，不具有流動(dòng)性，溫度繼續(xù)高就成為液體。 晶體具有確定的熔點(diǎn)，非晶體沒(méi)有確定的熔點(diǎn)，這是晶體

9、和非晶體之間最明 顯的區(qū)別。熔點(diǎn)是晶體從固態(tài)轉(zhuǎn)變到液態(tài)（熔化）的溫度，也是從液態(tài)轉(zhuǎn)變到固 態(tài)（凝固）的溫度。 3、晶體各向異性 晶體的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)隨著晶面方向不同而不同，稱為晶體各向異性。 我們做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在薄的云母片和玻璃片上分別涂上石臘，分別用一個(gè)加熱的金 屬針尖壓在云母片和玻璃片上，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，觸點(diǎn)周圍的石臘逐漸熔化；玻璃片上 的形狀是圓形，云母片上卻是橢圓形的。 1111這說(shuō)明玻璃的導(dǎo)熱性與方向無(wú)關(guān)，云母片的導(dǎo)熱性與方向有關(guān)。 晶體在不同的方向上力學(xué)性質(zhì)，電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)是不同的，抗腐蝕、抗 氧化的性質(zhì)隨著晶體方向不同也不同。非晶體則不然，它們?cè)诟鱾€(gè)方向上性質(zhì)相 同。晶體所以具有

10、非晶體不同的性質(zhì)，主要是晶體內(nèi)部質(zhì)（原子或分子）按一定 規(guī)律周期性的排列構(gòu)成空間點(diǎn)陣，不同的排列規(guī)律，呈現(xiàn)不同的外形，不同的晶 面，它們各晶面的性質(zhì)也不相同。 2 晶體空間點(diǎn)陣和晶胞晶體和非晶體不同，有很多獨(dú)特的性質(zhì)，在大量感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)深 入研究，確定晶體是由原子、分子或離子等在空間按一定規(guī)律排列組成的。這些 粒子在空間排列具有周期性，對(duì)稱性。相同粒子在空間不同排列，晶體具有不同 外形，不同的性質(zhì)。不同粒子相同的排列，晶體性質(zhì)也不相同。為了研究晶體中 原子、分子或離子的排列，晶體性質(zhì)也不相同。為了研究晶體中原子、分子或離 子的排列，把這些微粒的重心作為一個(gè)幾何點(diǎn)，叫做結(jié)點(diǎn)（或格點(diǎn)），

11、微粒的分 布規(guī)律用格點(diǎn)表示。晶體中有無(wú)限多在空間按一定規(guī)律分布的格點(diǎn)，稱為空間點(diǎn) 陣。 空間點(diǎn)陣中，通過(guò)兩個(gè)格點(diǎn)作一條直線，這一直線上一定含有無(wú)數(shù)格點(diǎn)，這 樣的直線叫晶列，晶體外表的晶棱就是晶列。互相平行的晶列叫晶列族，一個(gè)晶 列族里包含晶體全部格點(diǎn)。 通過(guò)不在同一晶列的三個(gè)格點(diǎn)作一平面，這平面上必包含無(wú)數(shù)格點(diǎn)，這樣的 平面叫網(wǎng)面，也叫晶面。晶體外表所見(jiàn)的晶面（解理面）就是網(wǎng)面。 在空間點(diǎn)陣中，不同的三個(gè)晶列族分空間為無(wú)數(shù)格子，稱為網(wǎng)格，又叫晶格。 組成空間點(diǎn)陣最基本的單元叫晶胞。晶胞反映整個(gè)晶體的性質(zhì)。很多晶胞在 空間重復(fù)排列起來(lái)就得整個(gè)晶體。不同的晶體，晶胞型式不同。 硅晶體是金剛石結(jié)構(gòu)，

12、晶胞是正方體，八個(gè)頂點(diǎn)和六個(gè)面的中心都是格點(diǎn)， 每條空間對(duì)角線上距頂點(diǎn)四分之一對(duì)角線長(zhǎng)的地方各有一個(gè)格點(diǎn)，晶格常數(shù)為 a， 單位晶胞占有的原子數(shù)為： 入研究，確定晶體是由原子、分子或離子等在空間按一定規(guī)律排列組成的。這些 粒子在空間排列具有周期性，對(duì)稱性。相同粒子在空間不同排列，晶體具有不同 外形，不同的性質(zhì)。不同粒子相同的排列，晶體性質(zhì)也不相同。為了研究晶體中 原子、分子或離子的排列，晶體性質(zhì)也不相同。為了研究晶體中原子、分子或離 子的排列，把這些微粒的重心作為一個(gè)幾何點(diǎn)，叫做結(jié)點(diǎn)（或格點(diǎn)），微粒的分 布規(guī)律用格點(diǎn)表示。晶體中有無(wú)限多在空間按一定規(guī)律分布的格點(diǎn)，稱為空間點(diǎn) 陣。 空間點(diǎn)陣中，

13、通過(guò)兩個(gè)格點(diǎn)作一條直線，這一直線上一定含有無(wú)數(shù)格點(diǎn)，這 樣的直線叫晶列，晶體外表的晶棱就是晶列?；ハ嗥叫械木Я薪芯Я凶澹粋€(gè)晶 列族里包含晶體全部格點(diǎn)。 通過(guò)不在同一晶列的三個(gè)格點(diǎn)作一平面，這平面上必包含無(wú)數(shù)格點(diǎn)，這樣的 平面叫網(wǎng)面，也叫晶面。晶體外表所見(jiàn)的晶面（解理面）就是網(wǎng)面。 在空間點(diǎn)陣中，不同的三個(gè)晶列族分空間為無(wú)數(shù)格子，稱為網(wǎng)格，又叫晶格。 組成空間點(diǎn)陣最基本的單元叫晶胞。晶胞反映整個(gè)晶體的性質(zhì)。很多晶胞在 空間重復(fù)排列起來(lái)就得整個(gè)晶體。不同的晶體，晶胞型式不同。 硅晶體是金剛石結(jié)構(gòu)，晶胞是正方體，八個(gè)頂點(diǎn)和六個(gè)面的中心都是格點(diǎn)， 每條空間對(duì)角線上距頂點(diǎn)四分之一對(duì)角線長(zhǎng)的地方各有一個(gè)

14、格點(diǎn)，晶格常數(shù)為 a， 單位晶胞占有的原子數(shù)為： 8× + 6 × + 4 = 8 金剛石結(jié)構(gòu)微密度差，所以，雜質(zhì)在硅中擴(kuò) 散和硅原子自身擴(kuò)散比較容易，熔硅凝固時(shí) 體積增大。 晶體各晶列族各晶面族格點(diǎn)密度不同， 因此晶體表現(xiàn)出各向異性。 § 3 晶面和晶向 晶體生長(zhǎng)中，常用到晶面和晶向。為了討論方便，我們采用密勒（Miller） 指數(shù)符號(hào)。在密勒指數(shù)中，選取 X、Y、Z 平行于晶胞的三條棱，標(biāo)出一個(gè)晶面， 必須指出它在 X、Y、Z 三條軸上的截距，然后取截距的例數(shù)并乘以最小公倍數(shù)， 截距倒數(shù)便有 h/n、k/n、l/n 的形式，把整數(shù) hkl 括入圓括號(hào)，這樣就得到晶面指 數(shù)（hkl）， 為了說(shuō)明此方法我們以圖 2-1 為例。 標(biāo)出立方晶系中的一些晶面（a）表示 X、