第九章 單晶硅制備-直拉法

直拉生長(zhǎng)工藝

直拉法又稱Cz法，目前，98%的電子元件都是用硅材料制作的，其中約85%是用直拉硅單晶制作的。直拉硅單晶由于具有較高的氧含量，機(jī)械強(qiáng)度比Fz硅單晶大，在制電子器件過程申不容易形變。由于它的生長(zhǎng)是把硅熔融在石英坩堝中，而逐漸拉制出的，其直徑容易做得大。目前直徑300mm的硅單晶己商品化，直徑450mm的硅單晶已試制成功，直徑的增大，有利于降低電子元器件的單位成本。2021/6/2711、CZ基本原理

在熔化的硅熔液中插入有一定晶向的籽晶，通過引細(xì)晶消除原生位錯(cuò)，利用結(jié)晶前沿的過冷度驅(qū)動(dòng)硅原子按順序排列在固液界面的硅固體上，形成單晶。固液界面過冷度2021/6/2722CZ基本工藝CZ過程需要惰性氣體保護(hù)！

現(xiàn)有的CZ都采用氬氣氣氛減壓拉晶。利用通入惰性氣體氬氣，結(jié)合真空泵的抽氣，形成一個(gè)減壓氣氛下的氬氣流動(dòng)。氬氣流帶走高溫熔融硅揮發(fā)的氧化物，以防止氧化物顆粒掉進(jìn)硅熔液，進(jìn)而運(yùn)動(dòng)到固液界面，破壞單晶原子排列的一致性。

拉晶過程中的保護(hù)氣流2021/6/2732、利用熱場(chǎng)形成溫度梯度

熱場(chǎng)是由高純石墨部件和保溫材料（碳?xì)郑┙M成。

單晶熱場(chǎng)溫度分布石墨加熱器：產(chǎn)生熱量，熔化多晶硅原料，并保持熔融硅狀態(tài)；石墨部件：形成氬氣流道，并隔離開保溫材料；

保溫材料：保持熱量，為硅熔液提供合適的溫度梯度。2021/6/2743單晶爐提供減壓氣氛保護(hù)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)

減壓氣氛保護(hù)：通過上爐筒、副室、爐蓋、主爐室和下爐室形成減壓氣氛保持系統(tǒng)。機(jī)械運(yùn)動(dòng)：

通過提拉頭和坩堝運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)提供晶轉(zhuǎn)、晶升、堝轉(zhuǎn)、堝升系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)

通過相機(jī)測(cè)徑、測(cè)溫孔測(cè)溫、自動(dòng)柜控制組成單晶拉制自動(dòng)控制系統(tǒng)。2021/6/2752021/6/2762021/6/2772021/6/278

直拉生長(zhǎng)工藝

Cz法的基本設(shè)備

cz法的基本設(shè)備有:爐體、晶體及坩堝的升降和傳動(dòng)部分、電器控制部分和氣體制部分，此外還有熱場(chǎng)的配置。(1)

爐體：爐體采用夾層水冷式的不銹鋼爐壁，上下爐室用隔離閥隔開，上爐室為生長(zhǎng)完成后的晶棒停留室，下爐室為單晶生長(zhǎng)室，其中配有熱場(chǎng)系統(tǒng)。2021/6/2791提拉頭：

晶升、晶轉(zhuǎn)系統(tǒng)，磁流體系統(tǒng)等；2上爐筒：

提供晶棒上升空間；3副室：

提肩裝籽晶摻雜等的操作空間；4爐蓋：

主爐室向副室的縮徑；5主爐室：

提供熱場(chǎng)和硅熔液的空間；6下爐室：

提供排氣口和電極穿孔等；單晶爐結(jié)構(gòu)2021/6/27108上爐筒提升系統(tǒng)：

液壓裝置，用于上爐筒提升；9梯子：

攀登爐頂，檢查維修提拉頭等；10觀察窗：

觀察爐內(nèi)的實(shí)際拉晶狀態(tài)；11測(cè)溫孔：

測(cè)量對(duì)應(yīng)的保溫筒外的溫度；12排氣口：

氬氣的出口，連接真空泵；13坩堝升降系統(tǒng)：

坩堝升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)等；14冷卻水管組：

提供冷卻水的分配。

2021/6/27112021/6/2712

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(2)晶體及坩堝的轉(zhuǎn)動(dòng)及提升部分：

晶升：通過籽晶提升系統(tǒng)把凝固的固體向上升，保持晶體一定的直徑。堝升：通過坩堝升降系統(tǒng)，把硅熔液的液面控制在一個(gè)位置晶轉(zhuǎn)和堝轉(zhuǎn)：抑制熔液的熱對(duì)流，為單晶生長(zhǎng)提供穩(wěn)定熱系統(tǒng)。晶轉(zhuǎn)和堝轉(zhuǎn)的方向必須相反2021/6/2713

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(3)控制部分：控制部分是用以晶體生長(zhǎng)中控制各種參數(shù)的電控系統(tǒng)，直徑控制器通過CCD讀取晶體直徑;并將讀數(shù)送至控制系統(tǒng)。(4)氣體控制部分：主要控制爐內(nèi)壓力和氣體流量，爐內(nèi)壓力-般為10-20torr(毫米汞柱，ltorr=133.322Pa),Ar流量一般為60-150slpm(標(biāo)升/分)。2021/6/2714直徑自動(dòng)控制如何得到直徑信號(hào)？彎月面與亮環(huán)

自動(dòng)控制中，一般用光學(xué)傳感器取得彎月面的輻射信號(hào)作為直徑信號(hào)。

什么是彎月面？如左圖所示，在生長(zhǎng)界面的周界附近，熔體自由表面呈空間曲面，稱彎月面。它可以反射坩堝壁等熱輻射，從而形成高亮度的光環(huán)。2021/6/2715

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(5）

熱場(chǎng)配置熱場(chǎng)包括石英坩堝、石墨坩堝、加熱器、保溫層等。石英坩堝內(nèi)層一般須涂一層高純度的SiO2，以減少普通石英中的雜質(zhì)對(duì)熔硅的污染。由于石英在1420℃時(shí)會(huì)軟化，將石英坩堝置于石墨坩堝之中，由石墨坩堝支撐著。2021/6/27162021/6/2717石墨坩堝單個(gè)三瓣堝和堝底三瓣堝組合后單個(gè)三瓣堝單個(gè)三瓣堝和堝底及中軸2021/6/2718左圖為石墨加熱器三維圖。上圖為加熱器腳的連接方式。加熱器腳和石墨螺絲、石墨電極間需要墊石墨紙，目的是為了更加良性接觸，防止打火。加熱器2021/6/27192021/6/27201、硅的基本性質(zhì)金剛石晶胞結(jié)構(gòu)重要的原、輔料2021/6/2721原生純多晶單晶邊皮和頭尾料狀純多晶堝底料硅片

西門子法、改良西門子法和流化床法生產(chǎn)的純多晶，太陽能級(jí)純多晶要求純度99.9999%以上。單晶的頭尾；圓棒切成方棒而產(chǎn)生的邊角。單晶生產(chǎn)最后剩余在坩堝中的原料。雜質(zhì)較多。切片及以后的工序中產(chǎn)生的廢片。

其它原料2、原料2021/6/27223、籽晶按截面分為：圓形和方形；按晶向分為：〈111〉〈110〉〈100〉；按夾頭分為：大小頭和插銷。

注意事項(xiàng)：籽晶嚴(yán)禁玷污和磕碰；晶向一定要符合要求；安裝時(shí)一定要裝正。插銷型籽晶：通過插銷固定籽晶。大小頭籽晶：通過大小頭處變徑固定籽晶。2021/6/2723單晶爐拉晶籽晶2021/6/27244、石英坩堝

主要檢查事項(xiàng)：1未熔物；2白點(diǎn)和白色附著物；3雜質(zhì)（包括黑點(diǎn)）；4劃傷和裂紋；5氣泡；6凹坑和凸起；7坩堝重量。兩個(gè)檢查步驟2021/6/2725用單晶爐拉制單晶硅時(shí)，需要給單晶爐內(nèi)通入高純氬氣作為保護(hù)氣體。如果氬氣的純度不高，含有水、氧等其他雜質(zhì)，會(huì)影響單晶生產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)無法拉制單晶。

5、氬氣檢測(cè)設(shè)備：氬氣露點(diǎn)、氧含量便攜檢測(cè)儀2021/6/27266、保溫材料軟氈保溫材料一般為固化氈和軟氈。

固化氈：成本較高，加工周期長(zhǎng)，但搬運(yùn)方便。

軟氈：造型可以隨意改變，使用廣泛。2021/6/2727CZ各生產(chǎn)環(huán)節(jié)及注意事項(xiàng)單晶基本作業(yè)流程拆爐、清掃安裝熱場(chǎng)裝料化料收尾等徑放肩轉(zhuǎn)肩引晶穩(wěn)定冷卻2021/6/2728

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（1）原料的準(zhǔn)備還爐中取出的多晶硅，經(jīng)破碎成塊狀，用HF和HNO3的混合溶液進(jìn)行腐蝕，再用純凈水進(jìn)行清洗，直到中性，烘干后備用。HF濃度40%，HNO3濃度為68%。一般HNO3：HF=5：1(體積比)。最后再作適當(dāng)調(diào)整。反應(yīng)式Si+2HNO3=SiO2+2HNO22HNO2=NO↑+NO2↑+H2OSiO2+6HF=H2SiF6+2H2O綜合反應(yīng)式Si+2HNO36HF=H2SiF6+NO2↑+3H2O2021/6/2729

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腐蝕清洗的目的是除去運(yùn)輸和硅塊加工中，在硅料表面留下的污染物。HNO3比例偏大有利于氧化，HF的比例偏大有利于SiO2的剝離，若HF的比例偏小，就有可能在硅料表面殘留SiO2，所以控制好HNO3和HF的比例是很重要的。腐蝕清洗前必須將附在硅原料上的石墨、石英渣及油污等清除干凈。石英坩堝若為已清潔處理的免洗坩堝，則拆封后就可使用。所用的籽晶也必須經(jīng)過腐蝕清洗后才能使用。2021/6/2730

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②裝爐選定與生產(chǎn)產(chǎn)品相同型號(hào)、晶向的籽晶，把它固定在籽晶軸上。將石英坩堝放置在石墨坩堝中。將硅塊料及所需摻入的雜質(zhì)料放人石英坩堝中。裝爐時(shí)應(yīng)注意：熱場(chǎng)各部件要垂直、對(duì)中，從內(nèi)到外、從下到上逐一對(duì)中，對(duì)中時(shí)決不可使加熱器變形。2021/6/27314、裝料裝料基本步驟底部鋪碎料大塊料鋪一層用邊角或小塊料填縫裝一些大一點(diǎn)的料最上面的料和坩堝點(diǎn)接觸，防止掛邊嚴(yán)禁出現(xiàn)大塊料擠坩堝情況2021/6/2732

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③抽空

裝完?duì)t后，將爐子封閉，啟動(dòng)機(jī)械真空泵抽空。④加熱熔化待真空達(dá)到1Pa左右檢漏，通入氬氣，使?fàn)t內(nèi)壓力保持在15torr左右，然后開啟電源向石墨加熱器送電，加熱至1420℃以上，將硅原料熔化。熔料時(shí)溫度不可過高也不可太低，太低熔化時(shí)間加長(zhǎng)，影響生產(chǎn)效率，過高則加劇了Si與石英坩堝的反應(yīng)，增加石英中的雜質(zhì)進(jìn)入熔硅，太高甚至發(fā)生噴硅?；现幸S時(shí)觀察是否有硅料掛邊、搭橋等不正常現(xiàn)象，若有就必須及時(shí)加以處理。2021/6/27332021/6/27342021/6/27351.melting2.temperaturestabilisation3.accretionofseedcrystal4.pullingtheneckofthecrystal5.growthofshoulder6.growthofbody

2021/6/2736⑤晶頸生長(zhǎng)

硅料熔化完后，將加熱功率降至引晶位置，坩堝也置于引晶位置，穩(wěn)定之后將晶種降至與熔硅接觸并充分熔接后，拉制細(xì)頸。籽晶在加工過程中會(huì)產(chǎn)生損傷，這些損傷在拉晶中就會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)，在晶種熔接時(shí)也會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)拉制細(xì)頸就是要讓籽晶中的位錯(cuò)從細(xì)頸的表面滑移出來加以消除，而使單晶體為無位錯(cuò)。

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2021/6/2737

引晶的主要作用是為了消除位錯(cuò)。全自動(dòng)單晶爐采用自動(dòng)引晶。如果特殊情況需要手動(dòng)引晶，則要求：細(xì)晶長(zhǎng)度大于150mm，直徑4mm左右，拉速2-5mm/min2021/6/2738⑤晶頸生長(zhǎng)

引晶堝位的確定：對(duì)一個(gè)新的熱場(chǎng)來說，一下就找準(zhǔn)較理想的結(jié)晶堝位是較難的。堝位偏低，熱惰性大，溫度反應(yīng)慢，想放大許久放不出來，想縮小許久不見收；堝位偏高，熱惰性小，不易控制；堝位適當(dāng)，縮頸、放肩都好操作。不同的熱場(chǎng)或同一熱場(chǎng)拉制不同品種的產(chǎn)品，堝位都可能不同。熱場(chǎng)使用一段時(shí)間后，由于CO等的吸附，熱場(chǎng)性能將會(huì)改變，堝位也應(yīng)做一些調(diào)整。

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2021/6/2739⑤晶頸生長(zhǎng)

引晶溫度的判斷：在1400℃熔硅與石英反應(yīng)生成SiO，可借助其反應(yīng)速率即SiO排放的速率來判斷熔硅的溫度。具體來講，就是觀察坩堝壁處液面的起伏情況來判斷熔硅的溫度。溫度偏高，液體頻繁地爬上堝壁又急劇下落，堝邊液面起伏劇烈；溫度偏低，堝邊液面較平靜，起伏很微；溫度適當(dāng)，堝邊液面緩慢爬上堝壁又緩慢下落。

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2021/6/2740溫度偏高溫度偏低溫度合適熔接時(shí)熔硅不同溫度示意圖2021/6/2741⑤晶頸生長(zhǎng)

在溫度適當(dāng)?shù)那闆r下．穩(wěn)定幾分鐘后就可將籽晶插入進(jìn)行熔接。液體溫度偏高，籽晶與硅液一接觸，馬上出現(xiàn)光圈，亮而粗，液面掉起很高，光圈抖動(dòng)，甚至熔斷；液體溫度偏低，籽晶與硅液接觸后，不出現(xiàn)光圈或許久后只出現(xiàn)一個(gè)不完整的光圈，甚至籽晶不僅不熔接，反而結(jié)晶長(zhǎng)大；液體溫度適中，籽晶與硅液接觸后，光圈慢慢出現(xiàn)，逐漸從后面圍過來成一寬度適當(dāng)?shù)耐暾馊Γ€(wěn)定后·便可降溫引晶了。

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2021/6/2742⑤晶頸生長(zhǎng)

晶頸直徑的大小，要根據(jù)所生產(chǎn)的單晶的重量決定，其經(jīng)驗(yàn)公式為

d=1.608×10-3DL1／2

d為晶頸直徑；D為晶體直徑；L為晶體長(zhǎng)度，cm。目前，投料量60~90kg，晶頸直徑為4~6mm。晶頸較理想的形狀是：表面平滑，從上至下直徑微收或等徑，有利于位錯(cuò)的消除。

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2021/6/2743

⑥放肩晶頸生長(zhǎng)完后，降低溫度和拉速，使晶體直徑漸漸增大到所需的大小，稱為放肩。放肩角度必須適當(dāng)，角度太小，影響生產(chǎn)效率，而且因晶冠部分較長(zhǎng)，晶體實(shí)收率低。一般采用平放肩(150°左右)，但角度又不能太大，太大容易造成熔體過冷，嚴(yán)重時(shí)將產(chǎn)生位錯(cuò)和位錯(cuò)增殖，甚至變?yōu)槎嗑А?/p>

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2021/6/2744⑦等徑生長(zhǎng)

晶體放肩到接近所需直徑(與所需直徑差10mm左右)后，升溫升拉速進(jìn)行轉(zhuǎn)肩生長(zhǎng)。轉(zhuǎn)肩完后，調(diào)整拉速和溫度，使晶體直徑偏差維持在±2mm范圍內(nèi)等徑生長(zhǎng)。這部分就是產(chǎn)品部分，它的質(zhì)量的好壞，決定著產(chǎn)品的品質(zhì)。熱場(chǎng)的配置、拉晶的速率、晶體和坩堝的轉(zhuǎn)速、氣體的流量及方向等，對(duì)晶體的品質(zhì)都有影響。這部分生長(zhǎng)一般都在自動(dòng)控制狀態(tài)下進(jìn)行，要維持無位錯(cuò)生長(zhǎng)到底，就必須設(shè)定一個(gè)合理的控溫曲線(實(shí)際上是功率控制曲線)。

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2021/6/2745適當(dāng)?shù)亟档屠賹⒂欣诰S持晶體的無位錯(cuò)生長(zhǎng)。熔體的對(duì)流對(duì)固液界面的形狀會(huì)造成直接的影響，而且還會(huì)影響雜質(zhì)的分布?？偟恼f來，自然對(duì)流、晶體提升引起的對(duì)流不利于雜質(zhì)的均勻分布；晶體和坩堝的轉(zhuǎn)動(dòng)有利于雜質(zhì)的均勻分布，但轉(zhuǎn)速太快會(huì)產(chǎn)生紊流，既不利于無位錯(cuò)生長(zhǎng)也不利于雜質(zhì)的均勻分布

直拉生長(zhǎng)工藝

2021/6/2746熔體對(duì)流2021/6/2747⑧收尾晶體等徑生長(zhǎng)完畢后，如果立刻將晶體與熔液分離，熱應(yīng)力將使晶體產(chǎn)生位錯(cuò)排和滑移線，并向晶體上部延伸，其延伸長(zhǎng)度可達(dá)晶體直徑的一倍以上。為避免這種情況發(fā)生，必須將晶體的直徑慢慢縮小，直到接近一尖點(diǎn)才與液面分離，這一過程稱為收尾。收尾是提高產(chǎn)品實(shí)收率的重要步驟，切不可忽略。此后，將生長(zhǎng)的晶體升至副爐室中，待冷卻后拆爐。這樣，便完成了單晶生長(zhǎng)的一個(gè)周期。

直拉生長(zhǎng)工藝

2021/6/2748我國硅單晶生產(chǎn)設(shè)備發(fā)展?fàn)顩r國內(nèi)硅的單晶爐主要生產(chǎn)廠家2021/6/27492021/6/27501）堝位

什么是堝位：導(dǎo)流筒下沿和液面的距離。在CZ等徑過程中，要求硅熔液的液面位置不變。距離一般為15-20mm。

如何判斷堝位：觀察導(dǎo)流筒下沿和它在熔液中倒影的距離。有一定經(jīng)驗(yàn)的人才能正確地判斷堝位的高低。

為什么會(huì)出現(xiàn)堝位異常：晶體直徑偏大或小，或堝跟比/隨動(dòng)比不合適。

如何處理堝位異常：1確認(rèn)一下晶體直徑；2確認(rèn)堝跟比/隨動(dòng)比參數(shù)；3如果以上都在正常范圍內(nèi)，報(bào)告工程師或主管，確認(rèn)是否坩堝傳動(dòng)機(jī)械問題。2021/6/27512）晶棒晃動(dòng)

晶棒晃動(dòng)：晶棒的中心沒有在熔液的中心，顯示出在熔液中擺動(dòng)。

可能原因：1堝位太高；2上下對(duì)中或水平有問題；3提拉頭動(dòng)平衡有問題

如何處理：

根據(jù)實(shí)際情況，報(bào)告主管或工程師，適當(dāng)降低晶轉(zhuǎn)和堝轉(zhuǎn)，停爐之后檢查對(duì)中、水平情況和提拉頭動(dòng)平衡。2021/6/27523）晶棒扭曲

晶棒扭曲：晶棒不直，出現(xiàn)S形。

原因：1熔液徑向溫度低；2上下對(duì)中和水平有問題；3堝位太低；4氬氣流不均勻；5籽晶阻尼套問題。

出現(xiàn)扭曲一般如何處理：

觀察扭曲程度，適當(dāng)提高堝位。如果扭曲較嚴(yán)重，退出自動(dòng)，手動(dòng)拉晶：適當(dāng)降低拉速，增加補(bǔ)溫，并使直徑適當(dāng)變大，待扭曲情況改善后把直徑變回正常，重新進(jìn)入自動(dòng)。

待停爐之后查找扭曲根本原因！2021/6/27534）CCD狀態(tài)

操作工需要經(jīng)常查看CCD狀態(tài)，觀察相機(jī)工作是否正常，且相機(jī)取樣范圍需要有一定的余量，以防止晶棒出現(xiàn)晃動(dòng)和扭曲時(shí)相機(jī)失控。等徑時(shí)的CCD取像2021/6/27545）真空狀態(tài)

CZ過程爐內(nèi)的壓強(qiáng)一般在12-20Torr，全自動(dòng)爐會(huì)根據(jù)設(shè)定壓強(qiáng)，自動(dòng)調(diào)整真空蝶閥開度，使?fàn)t內(nèi)真實(shí)壓強(qiáng)接近于設(shè)定值。6）冷卻水狀態(tài)

冷卻水對(duì)單晶爐的正常運(yùn)行起著非常重要的作用。各單晶爐都有冷卻水異常報(bào)警，但員工還需要經(jīng)常用手試爐子法蘭處的溫度，一旦出現(xiàn)異常，及時(shí)報(bào)告給單晶設(shè)備。2021/6/27557）單晶是否斷棱

即使是全自動(dòng)單晶爐，也不會(huì)出現(xiàn)斷棱的報(bào)警，因此，操作工需要經(jīng)常觀察單晶狀況，一旦發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)斷棱，及時(shí)按照作業(yè)指導(dǎo)書要求操作。什么是斷棱？<100>單晶會(huì)有四條軸對(duì)稱的“棱線”，在生長(zhǎng)過程中，一旦四條中的一條或幾條棱線消失，也就意味著單晶變成了多晶，CZ過程失敗，稱為單晶斷棱。

2021/6/275610、收尾收尾的作用是在長(zhǎng)晶的最后階段防止熱沖擊造成單晶等徑部分出現(xiàn)滑移線而進(jìn)行的逐步縮小直徑過程。晶體等徑生長(zhǎng)完畢后，如果立刻將晶體與熔液分離，熱應(yīng)力將使晶體產(chǎn)生位錯(cuò)排和滑移線，并向晶體上部延伸，其延伸長(zhǎng)度可達(dá)晶體直徑的一倍以上。為避免這種情況發(fā)生，必須將晶體的直徑慢慢縮小，直到接近一尖點(diǎn)才與液面分離，這一過程稱為收尾。收尾是提高產(chǎn)品實(shí)收率的重要步驟，切不可忽略。此后，將生長(zhǎng)的晶體升至副爐室中，待冷卻后拆爐。這樣，便完成了單晶生長(zhǎng)的一個(gè)周期。單晶棒（右端錐形為收尾的形狀）2021/6/275711、冷卻和拆爐停爐之后，必須按作業(yè)指導(dǎo)書的規(guī)定冷卻一定時(shí)間，然后進(jìn)行取棒和開爐操作。

注意事項(xiàng)：

取棒的動(dòng)作一定要穩(wěn)，防止籽晶突然斷裂；

開爐后晶棒和石墨部件的溫度還比較高，小心燙傷；

剪斷籽晶時(shí)一定要確保晶棒落實(shí)，并且一手按住重錘，

防止籽晶線向上跳動(dòng)而脫槽；

剪籽晶后的斷面須磨平，以防傷人。

熱場(chǎng)部件輕拿輕放。2021/6/2758雙層熱場(chǎng)車取導(dǎo)流筒工具取石墨坩堝工具擰加熱器螺絲工具取加熱器工具2021/6/2759

小結(jié)CZ法原理，所涉及到的主要設(shè)備、原輔料；

CZ的流程，主要工序、操作概要及注意事項(xiàng)。2021/6/27604.2懸浮區(qū)熔生長(zhǎng)工藝

區(qū)熔法(Zonemeltngmethod)又稱Fz法(Float-Zonemethod)，即懸浮區(qū)熔法，于1953年由Keck和Golay兩人將此法用在生長(zhǎng)硅單晶上。區(qū)熔硅單晶由于在它生產(chǎn)過程申不使用石英坩堝，氧含量和金屬雜質(zhì)含量都遠(yuǎn)小于直拉硅單晶，因此它主要被用于制作高反壓元件上，如可控硅、整流器等，其區(qū)熔高阻硅單晶(一般電阻率為幾千Ω·cm以至上萬Ω·cm)用于制作探測(cè)器件。2021/6/27612021/6/27624.2.1、Fz法的基本設(shè)備Fz硅單晶，是在惰性氣體保護(hù)下，用射頻加熱制取的，它的基本設(shè)備由機(jī)械結(jié)構(gòu)、電力供應(yīng)及輔助設(shè)施構(gòu)成。機(jī)械設(shè)備包括:晶體旋轉(zhuǎn)及升降機(jī)構(gòu)，高頻線圈與晶棒相對(duì)移動(dòng)的機(jī)構(gòu)，硅棒料的夾持機(jī)構(gòu)等。電力供應(yīng)包括:高頻電源及其傳送電路，各機(jī)械運(yùn)行的控制電路。高頻電源的頻率為2~4MHz。輔助設(shè)施包括:水冷系統(tǒng)和保護(hù)氣體供應(yīng)與控制系統(tǒng)、真空排氣系統(tǒng)等。2021/6/2763區(qū)熔單晶2021/6/27644.2.2區(qū)熔硅單晶的生長(zhǎng)原料的準(zhǔn)備:將高質(zhì)量的多晶硅棒料的表面打磨光滑，然后將一端切磨成錐形，再將打磨好的硅料進(jìn)行腐蝕清洗，除去加工時(shí)的表面污染。裝爐:將腐蝕清洗后的硅棒料安裝在射頻線圈的上邊。將準(zhǔn)備好的籽晶裝在射頻線圈的下邊。關(guān)上爐門，用真空泵排除空氣后，向爐內(nèi)充入情性氣體(氮?dú)饣驓渑c氮的混合氣等)，使?fàn)t內(nèi)壓力略高于大氣壓力。2021/6/2765給射頻圈送上高頻電力加熱，使硅棒底端開始熔化，將棒料下降與籽晶熔接。當(dāng)溶液與籽晶充分熔接后，使射頻線圈和棒料快速上升，以拉出一細(xì)長(zhǎng)的晶頸，消除位錯(cuò)。晶頸拉完后，慢慢地讓單晶直徑增大到目標(biāo)大小，此階段稱為放肩。放肩完成后，便轉(zhuǎn)入等徑生長(zhǎng)，直到結(jié)束。2021/6/2766區(qū)熔單晶生長(zhǎng)的幾個(gè)問題：熔區(qū)內(nèi)熱對(duì)流（a）集膚效應(yīng)，表面溫度高，（b）多晶硅棒轉(zhuǎn)速很慢時(shí)，與單晶旋轉(zhuǎn)向（c）與單晶旋轉(zhuǎn)反向（d）表面張力引起的流動(dòng)（e）射頻線圈引起的電磁力在熔區(qū)形成的對(duì)流（f）生長(zhǎng)速率較快時(shí)的固液界面2021/6/2767區(qū)熔單晶生長(zhǎng)的幾個(gè)問題：表面張力：懸浮區(qū)熔法中熔體之所以可以被支撐在單晶與棒料之間，主要是由于硅熔體表面張力的作用。假設(shè)它是唯一支撐力，能夠維持穩(wěn)定形狀的最大熔區(qū)長(zhǎng)度Lm為：A=2.62~3,.41。對(duì)硅。適用于小直徑單晶。大直徑單晶比較復(fù)雜，依靠經(jīng)驗(yàn)確定2021/6/2768區(qū)熔單晶生長(zhǎng)的幾個(gè)問題：電磁托力：高頻電磁場(chǎng)對(duì)熔區(qū)的形狀及穩(wěn)定性都有一定的影響，尤其當(dāng)高頻線圈內(nèi)徑很小時(shí)，影響較大。以至此種支撐力在某種程度上能與表面張力相當(dāng)。晶體直徑越大，電磁支撐力的影響就越顯著。重力：重力破壞熔區(qū)穩(wěn)定。當(dāng)重力的作用超過了支撐力作用時(shí)，熔區(qū)就會(huì)發(fā)生流垮，限制了區(qū)熔單晶的直徑。目前150mm單晶。若無重力影響，F(xiàn)z法理論上可以生長(zhǎng)出任何直徑的單晶。離心力：由晶體旋轉(zhuǎn)引起，主要影響固液界面的熔體。晶體直徑越大，影響愈大。大單晶制備需要用低轉(zhuǎn)速。

2021/6/27694.2.3摻雜方法區(qū)熔硅單晶的摻雜方法是多樣的。較原始的方法是將B2O3或P2O5的酒精溶液直接涂抹在多晶硅棒料的表面。這種方法生產(chǎn)出的單晶硅，電阻率分布極不均勻，且摻雜量也很難控制。下面介紹幾種摻雜方法。(1)填裝法這種方法較適用于分凝系數(shù)較小的雜質(zhì)，如Ga(分凝系數(shù)為0.008)、In(分凝系數(shù)為0.0004)等。這種方法是在原料棒接近圓錐體的部位鉆一個(gè)小洞，把摻雜原料填塞在小洞里，依靠分凝效應(yīng)使雜質(zhì)在單晶的軸向分布趨于均勻。

2021/6/2770(2)氣相摻雜法這種摻雜方法是將易揮發(fā)的PH3(N型)或B2H6(P型)氣體直接吹入熔區(qū)內(nèi)。這是目前最普遍使用的摻雜方法之一，所使用的摻雜氣體必須用氧氣稀釋噴嘴后，再吹入熔區(qū)氣相摻雜法2021/6/2771(3)中子嬗變摻雜(NTD)采用一般摻雜方法。電阻率不均勻率一般為15~25%。利用NTD法，可以制取N型、電阻率分布均勻的FZ硅單晶。它的電阻率的徑向分布的不均勻率可達(dá)5%以下。NTD法目前廣泛地被采用，它是在核反應(yīng)堆中進(jìn)行的。硅有三種穩(wěn)定性同位素，28Si占92.23%，29Si占4.67%,30Si占3.1%。其中30Si俘獲一個(gè)熱中子成為31Si。31Si極不穩(wěn)定，釋放出一個(gè)電子而嬗變?yōu)?1P。30Si+n→31Si+r31Si→31P+e式中n-熱中子，r-光子，e-電子。31Si的半衰期為2.6h2021/6/2772(3)中子嬗變摻雜(NTD)由于30Si在Si中的分布是非常均勻的，加之熱中子對(duì)硅而言幾乎是透明的，所以Si中的30Si俘獲熱中子的概率幾乎是相同的，因而檀變產(chǎn)生的31P在硅中的分布非常均勻，因此電阻率分布也就非常均勻。在反應(yīng)堆中，除熱中子外還有大量的快中子，快中子不能被30Si俘獲，而快中子將會(huì)撞擊硅原子使之離開平衡位置。另一方面，在進(jìn)行核反應(yīng)過程中，31P大部分也處在晶格的間隙位置。間隙31P是不具備電活化性的，所以中子輻照后的Fz硅表觀電阻率極高，這不是硅的真實(shí)電阻率，需要經(jīng)過800C~850℃的熱處理，使在中子輻照中受損的晶格得到恢復(fù)，這樣中子輻照后的硅的真實(shí)電阻率才能得到確定。2021/6/2773中子嬗變摻雜(NTD)的缺點(diǎn)：生產(chǎn)周期長(zhǎng)，中子照射后的單晶必須放置一段時(shí)間，使照射后硅單晶中產(chǎn)生的雜質(zhì)元素衰減至半衰期后才能再加工，避免對(duì)人體產(chǎn)生輻射;增加了生產(chǎn)成木和能源消耗，每公斤硅單晶的中子輻照費(fèi)用為400元，一個(gè)中子反應(yīng)堆消耗的能源相當(dāng)可觀;區(qū)熔硅單晶的產(chǎn)量受中子照射資源的限制，不能滿足市場(chǎng)需求。中子輻照摻雜低電阻率的單晶非常困難，這種方法只適于制取電阻率大于30Ω·cm(摻雜濃度為l.5×10l4cm-3)的N型產(chǎn)品。電阻率太低的產(chǎn)品，中子輻照時(shí)間太長(zhǎng)，成本很高。2021/6/2774懸浮區(qū)熔工藝：為了防止由于熔體與坩堝材料的化學(xué)反應(yīng)造成的玷污，而發(fā)展了無坩堝直拉工藝，這種工藝對(duì)拉制硅單晶尤其合適。一根垂直安裝并能旋轉(zhuǎn)的多晶硅棒，利用水冷射頻感應(yīng)線圈使棒的下端熔化。以低阻硅可以直接加熱熔化，但對(duì)高阻材料硅則必須用其它方法使棒預(yù)熱。2021/6/2775因?yàn)楣杳芏鹊?2.42g/cm3)、表面張力大(720達(dá)因/厘米)，加上高頻電場(chǎng)產(chǎn)生的懸浮力的作用支撐著熔融硅，使之與硅棒牢牢地粘附在一起。然后，把一根經(jīng)過定向的籽晶使其繞垂直軸旋轉(zhuǎn)并從下面插入熔體中，象直拉工藝所采用的方法一樣，