第九章 單晶硅制備-直拉法

1、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(guò)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。,1、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(guò)引細(xì)晶消除原生位錯(cuò)，利用結(jié)晶前沿的過(guò)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(guò)冷度,2 CZ基本工藝,CZ過(guò)程需要惰性氣體保護(hù)！ 現(xiàn)有

2、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(guò)程中的保護(hù)氣流,2、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(kāi)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。,3 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(guò)上爐筒、副室、爐 蓋、主爐室和下?tīng)t室形成減壓氣氛 保

3、持系統(tǒng)。 機(jī)械運(yùn)動(dòng)： 通過(guò)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(guò)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)。,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?tīng)t室用隔離閥隔開(kāi)，上爐室為生長(zhǎng)完成后的晶棒停留室，下?tīng)t室為單晶生長(zhǎng)室，其中配有熱場(chǎng)系統(tǒng)。,1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)

4、和硅熔液的空間； 6下?tīng)t室： 提供排氣口和電極穿孔等；,單晶爐結(jié)構(gòu),8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。,直拉生長(zhǎng)工藝,(2) 晶體及坩堝的轉(zhuǎn)動(dòng)及提升部分：,晶升：通過(guò)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(guò)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

5、必須相反,直拉生長(zhǎng)工藝,(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(guò)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)。,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)。,直拉生長(zhǎng)工藝,(5） 熱場(chǎng)

6、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。,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,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,1、硅的基本性質(zhì),金剛石晶胞結(jié)構(gòu),重要的原、輔料,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(yáng)能

7、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,3 、籽晶,按截面分為：圓形和方形； 按晶向分為：111110100； 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(guò)插銷固定籽晶。,大小頭籽晶：通過(guò)大小頭處變徑固定籽晶。,單晶爐拉晶籽晶,4、 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,

8、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(wú)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,6、 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。,CZ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,直拉生長(zhǎng)工藝,（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4

9、0%，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+2HNO2 2HNO2=NO+NO2+H2O SiO2+6HF=H2SiF6+2H2O 綜合反應(yīng)式 Si+2HNO36HF=H2SiF6+ NO2+3H2O,直拉生長(zhǎng)工藝,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

10、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(guò)腐蝕清洗后才能使用。,直拉生長(zhǎng)工藝,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。,4、 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,直拉生長(zhǎng)工藝,抽空 裝完?duì)t后，將爐子封閉，啟動(dòng)機(jī)械真空泵抽空。 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

11、15torr左右，然后開(kāi)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(guò)高也不可太低，太低熔化時(shí)間加長(zhǎng)，影響生產(chǎn)效率，過(guò)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。 化料中要隨時(shí)觀察是否有硅料掛邊、搭橋等不正?，F(xiàn)象，若有就必須及時(shí)加以處理。,1. melting,2. temperature stabilisation,3. accretion of seed crystal,4. pulling the neck of the crystal,5. growth of shoulder,6. growth of body,晶頸生長(zhǎng)

12、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(guò)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(lái)加以消除，而使單晶體為無(wú)位錯(cuò)。,直拉生長(zhǎng)工藝,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/min,晶頸生長(zhǎng) 引晶堝位的確定： 對(duì)一個(gè)新的熱場(chǎng)來(lái)說(shuō)，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(lái)，想縮小許久不見(jiàn)收；

13、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。,直拉生長(zhǎng)工藝,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(lái)判斷熔硅的溫度。 具體來(lái)講，就是觀察坩堝壁處液面的起伏情況來(lái)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。,直拉生長(zhǎng)工藝,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,

14、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(guò)來(lái)成一寬度適當(dāng)?shù)耐暾馊?，待穩(wěn)定后便可降溫引晶了。,直拉生長(zhǎng)工藝,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=1.60810-3DL12 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6090kg，晶頸直徑為46mm。 晶頸較

15、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。,直拉生長(zhǎng)工藝,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(guò)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?直拉生長(zhǎng)工藝,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

16、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(wú)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)。,直拉生長(zhǎng)工藝,適當(dāng)?shù)亟档屠賹⒂欣诰S持晶體的無(wú)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。 總的說(shuō)來(lái)，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(wú)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,熔體對(duì)流,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

17、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(guò)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,我國(guó)硅單晶生產(chǎn)設(shè)備發(fā)展?fàn)顩r,國(guó)內(nèi)硅的單晶爐主要生產(chǎn)廠家,1） 堝位,什么是堝位：導(dǎo)流筒下沿和液面的距離。在CZ等徑過(guò)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

18、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(wèn)題。,2） 晶棒晃動(dòng),晶棒晃動(dòng)：晶棒的中心沒(méi)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(wèn)題； 3提拉頭動(dòng)平衡有問(wèn)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。,3） 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(wèn)題； 3 堝位太低； 4 氬氣流不均勻； 5 籽晶阻尼套問(wèn)題。 出現(xiàn)扭曲一般如何處理： 觀察扭曲程

19、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！,4） 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,5 ）真空狀態(tài),CZ過(guò)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(kāi)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，

20、一旦出現(xiàn)異常，及時(shí)報(bào)告給單晶設(shè)備。,7） 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(shū)要求操作。,什么是斷棱？ 單晶會(huì)有四條軸對(duì)稱的“棱線”，在生長(zhǎng)過(guò)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(guò)程失敗，稱為單晶斷棱。,10 、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(guò)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

21、慢慢縮小，直到接近一尖點(diǎn)才與液面分離，這一過(guò)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）,11、 冷卻和拆爐,停爐之后，必須按作業(yè)指導(dǎo)書(shū)的規(guī)定冷卻一定時(shí)間，然后進(jìn)行取棒和開(kāi)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(kāi)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。,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,

22、取加熱器工具,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)。,4.2 懸浮區(qū)熔生長(zhǎng)工藝,區(qū)熔法 (Zone meltng method) 又稱Fz 法 (Float-Zone method)，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(guò)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cm以至上萬(wàn)cm)用于制作探測(cè)器件。,4.2.1、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

23、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24MHz。 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。,區(qū)熔單晶,4.2.2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

24、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。,給射頻圈送上高頻電力加熱，使硅棒底端開(kāi)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。,區(qū)熔單晶生長(zhǎng)的幾個(gè)問(wèn)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,區(qū)熔單晶生長(zhǎng)的幾個(gè)問(wèn)題： 表面張力：懸浮區(qū)熔法中熔體之所

25、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=2.623,.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,區(qū)熔單晶生長(zhǎng)的幾個(gè)問(wèn)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(guò)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(wú)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)

26、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。,4.2.3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。,(2)氣相摻雜法 這種摻雜方法是將易揮發(fā)的PH3 (N型)或B2

27、H6(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,(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1525%。 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+r 31Si 31P+e 式

28、中 n-熱中子，r-光子，e-電子。 31Si的半衰期為2.6h,(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(kāi)平衡位置。 另一方面，在進(jìn)行核反應(yīng)過(guò)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(guò)800C850的熱處理，使在中子輻照

29、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。,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30cm(摻雜濃度為l.510l4cm-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。,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

30、應(yīng)造成的玷污，而發(fā)展了無(wú)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。,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(guò)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，慢慢向下抽拉籽晶，于是單晶就生長(zhǎng)出來(lái)了。 為了保持熔體與高頻感應(yīng)線圈的相對(duì)位置固定不變，多晶棒也要向下移動(dòng)。也可使高頻感應(yīng)線圈向上移動(dòng)而不必移動(dòng)整根料棒和晶體。,這種生長(zhǎng)裝置可以拉制比料棒直