文档介绍：直拉法制单晶硅和区熔法晶体生长
第一节概述
多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时,硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核,如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒,则这些晶粒结合起来,就结晶成多晶硅。多晶硅可作拉制单晶硅的原料,多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如,在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面,远不如单晶硅明显;在电学性质方面,多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著,甚至于几乎没有导电性。在化学活性方面,两者的差异极小。多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别,但真正的鉴别须通过分析测定晶体
的晶面方向、导电类型和电阻率等。
多晶硅由很多单晶组成的,杂乱无章的。单晶硅原子的排列都是有规律的,周期性的,有方向性。
当前生长单晶主要有两种技术:其中采用直拉法生长硅单晶的约占80%,其他由区溶法生长硅单晶。
采用直拉法生长的硅单晶主要用于生产低功率的集成电路元件。例如:DRAM,SRAM,ASIC电路。
采用区熔法生长的硅单晶,因具有电阻率均匀、氧含量低、金属污染低的特性,故主要用于生产高反压、大功率电子元件。例如:电力整流器,晶闸管、可关断门极晶闸管(GTO)、功率场效应管、绝缘门极型晶体管(IGBT)、功率集成电路(PIC)等电子元件。在超高压大功率送变电设备、交通运输用的大功率电力牵引、UPS电源、高频开关电源、高频感应加热及节能灯用高频逆变
式电子镇流器等方面具有广泛的应用。
直拉法比用区溶法更容易生长获得较高氧含量(12`14mg/kg)和大直径的硅单晶棒。根据现有工艺水平,采用直拉法已可生产6`18in(150`450mm)的大直径硅单晶棒。而采用区溶法虽说已能生长出最大直径是200mm的硅单晶棒,但其主流产品却仍然还是直径100`200mm的硅单晶。
区熔法生长硅单晶能够得到最佳质量的硅单晶,但成本较高。若要得到最高效率的太阳能电池就要用此类硅片,制作高效率的聚光太阳能电池业常用此种硅片。
第二节直拉法晶体生长
直拉法:
直拉法又称乔赫拉尔基斯法(Caochralski)法,简称CZ法。它是生长半导体单晶硅的主要方法。该法是在直拉单晶***内,向盛有熔硅坩锅中,引入籽晶作为非均匀晶核,然后控制热场,将籽晶旋转并缓慢向上提拉,单晶便在籽晶下按照籽晶的方向长大。拉出的液体固化为单晶,调节加热功率就可以得到所需的单晶棒的直径。其优点是晶体被拉出液面不与器壁接触,不受容器限制,因此晶体中应力小,同时又能防止器壁沾污或接触所可能引起的杂乱晶核而形成多晶。直拉法是以定向的籽晶为生长晶核,因而可以得到有一定晶向生长的单晶。
直拉法制成的单晶完整性好,直径和长度都可以很大,生长速率也高。所用坩埚必须由不污染熔体的材料制成。因此,一些化学性活泼或熔点极高的材料,由于没有合适的坩埚,而不能用此法制备单晶体,而要改用区熔法晶体生长或其他方法。
直拉法单晶生长工艺流程如图所示。在工艺流程中,最为关键的是“单晶生长”或称拉晶过程,它又分为:润晶、缩颈、放肩、等径生长、拉光等步骤。
图:直拉法工艺流程
1、将多晶硅和掺杂剂置入单晶炉内的石英坩埚中。
掺杂剂的种类应视所需生长的硅单晶电阻率而定。
2、熔化当装料结束关闭单晶炉门后,抽真空使单晶炉内保持在一定的压力范围内,驱动石墨加热系统的电源,加热至大于硅的熔化温度(1420℃),使多晶硅和掺杂物熔化。
3、引晶当多晶硅熔融体温度稳定后,将籽晶慢慢下降进入硅熔融体中(籽晶在硅熔体中也会被熔化),然后具有一定转速的籽晶按一定速度向上提升,由于轴向及径向温度梯度产生的热应力和熔融体的表面张力作用,使籽晶与硅熔体的固液交接面之间的硅熔融体冷却成固态的硅单晶。
4、缩径当籽晶与硅熔融体接触时,由于温度梯度产生的热应力和熔体的表面张力作用,会使籽晶晶格产生大量位错,这些位错可利用缩径工艺使之消失。即使用无位错单晶作籽晶浸入熔体后,由于热冲击和表面张力效应也会产生新的位错。因此制作无位错单晶时,需在引晶后先生长一段“细颈”单晶(直径2~4毫米),并加快提拉速度。由于细颈处应力小,不足以产生新位错,也不足以推动籽晶中原有的位错迅速移动。这样,晶体生长速度超过了位错运动速度,与生长轴斜交的位错就被中止在晶体表面上,从而可以生长出无位错单晶。无位错硅单晶的直径生长粗大后,尽管有较大的冷却应力也不易被破坏。
5、放肩在缩径工艺中,当细颈生长到足够长度时,通过逐渐降低晶体的提升速度及温度调整,使晶体直径逐渐变大而达到工艺要求直径的目标值,为了降低晶棒头部的原料损失,目前几乎都采用平放肩工艺,即使肩部夹角呈180°。
6、等径生长在放肩后当晶体直径达到工艺要求直径的目标值时,再通过逐渐提高晶体的提升速度及温度的调整,使晶体生长进入等直径生长阶段,并使晶