1、硅的直拉法單晶生長硅的直拉法單晶生長硅儲量雖多，但它們不一定是硅儲量雖多，但它們不一定是晶體硅，更不一定是單晶硅。晶體硅，更不一定是單晶硅。單晶硅是結晶的硅，而且是具單晶硅是結晶的硅，而且是具有基本完整的點陣結構的晶體有基本完整的點陣結構的晶體硅。其實就是硅的單晶體。硅。其實就是硅的單晶體。直拉法生產的單晶硅棒直拉法生產的單晶硅棒了解單晶硅了解單晶硅 直拉法（直拉法（Czochralski法）單晶生長法）單晶生長 半導體圓片是從大塊晶體上切割下來的，半導體圓片是從大塊晶體上切割下來的，絕大多數晶體的主流生產技術是直拉生長法絕大多數晶體的主流生產技術是直拉生長法（Czochralski法）。這項

2、工藝最早是由法）。這項工藝最早是由Teal在在20世紀世紀50年代初開發(fā)使用的，而在此之前，年代初開發(fā)使用的，而在此之前，早在早在1918年，年，Czochralski采用過類似的方法，采用過類似的方法，用它從熔融金屬中拉制細燈絲。硅是一個單用它從熔融金屬中拉制細燈絲。硅是一個單組分系統(tǒng)，從他開始研究晶體的生長是最容組分系統(tǒng)，從他開始研究晶體的生長是最容易的。易的。 直拉法分兩種：坩堝直拉法、無坩堝直拉法直拉法分兩種：坩堝直拉法、無坩堝直拉法了解直拉法了解直拉法 直拉法是運用熔體的冷凝結晶驅動原理，直拉法是運用熔體的冷凝結晶驅動原理，在固液界面處，藉由熔體溫度下降，將在固液界面處，藉由熔體溫度

3、下降，將產生由液態(tài)轉換成固態(tài)的相變化。當前產生由液態(tài)轉換成固態(tài)的相變化。當前國際上供應單晶硅生長設備的主要著名國際上供應單晶硅生長設備的主要著名廠商是美國廠商是美國KAYEX公司和德國公司和德國CGS公司。公司。這兩個公司能供應生長不同直徑的單晶這兩個公司能供應生長不同直徑的單晶硅生長設備，尤其是生長直徑大于硅生長設備，尤其是生長直徑大于200ram的單晶硅生長設備系統(tǒng)。的單晶硅生長設備系統(tǒng)。 為了生長質量合格為了生長質量合格(硅單晶電阻率、氧含量及氧濃度分布、硅單晶電阻率、氧含量及氧濃度分布、碳含量、金屬雜質含量、缺陷等碳含量、金屬雜質含量、缺陷等)的單晶硅棒，在采用直的單晶硅棒，在采用直拉

4、法生長時，必須考慮以下問題。首先是根據技術要求，拉法生長時，必須考慮以下問題。首先是根據技術要求，選擇使用合適的單晶生長設備；其次是要掌握一整套單選擇使用合適的單晶生長設備；其次是要掌握一整套單晶硅的制備工藝、技術，包括：晶硅的制備工藝、技術，包括： (1)單晶硅系統(tǒng)內的熱場單晶硅系統(tǒng)內的熱場設計，確保晶體生長有合理穩(wěn)定的溫度梯度；設計，確保晶體生長有合理穩(wěn)定的溫度梯度；(2)單晶硅單晶硅生長系統(tǒng)內的氬氣氣體系統(tǒng)設計；生長系統(tǒng)內的氬氣氣體系統(tǒng)設計； (3)單晶硅夾持技術系單晶硅夾持技術系統(tǒng)的設計；統(tǒng)的設計；(4)為了提高生產效率的連續(xù)加料系統(tǒng)的設計；為了提高生產效率的連續(xù)加料系統(tǒng)的設計； (5

5、)單晶硅制備工藝的過程控制。單晶硅制備工藝的過程控制。 直拉法的基本過程直拉法的基本過程: 1. 引晶：通過電阻加熱，將裝在坩堝中的多引晶：通過電阻加熱，將裝在坩堝中的多晶硅熔化，并保持略高于硅熔點的溫度，將晶硅熔化，并保持略高于硅熔點的溫度，將籽晶浸入熔體，然后以石英一定速度向上提籽晶浸入熔體，然后以石英一定速度向上提拉籽晶并同時旋轉引出晶體；拉籽晶并同時旋轉引出晶體；2. 縮頸：生長一定長度的縮小的細長頸的晶縮頸：生長一定長度的縮小的細長頸的晶體，以防止籽晶中的位錯延伸到晶體中；體，以防止籽晶中的位錯延伸到晶體中；3. 放肩：將晶體控制到所需直徑；放肩：將晶體控制到所需直徑；4 等徑生長：

6、根據熔體和單晶爐情況，控制等徑生長：根據熔體和單晶爐情況，控制晶體等徑生長到所需長度；晶體等徑生長到所需長度；5. 收尾：直徑逐漸縮小，離開熔體；收尾：直徑逐漸縮小，離開熔體；6. 降溫：降級溫度，取出晶體，待后續(xù)加工。降溫：降級溫度，取出晶體，待后續(xù)加工。直拉法設備圖片直拉法設備圖片KAYEX CG3000型型 KAYEX KXl50型型西安理工大學生產的單晶爐西安理工大學生產的單晶爐TDR70型單晶爐型單晶爐 TDR一一80型單晶爐型單晶爐實際生產過程實際生產過程裝料裝料-融化融化-種晶種晶-引晶引晶-縮頸縮頸-放肩放肩-等徑等徑-收尾收尾對于直拉單晶硅來說，對于直拉單晶硅來說，450mm

7、的直徑已經實現。的直徑已經實現。1一電極；一電極； 2一硅熔體；一硅熔體； 3一等徑生長；一等徑生長； 4一觀察孔；一觀察孔； 5一放肩；一放肩；6一縮頸；一縮頸； 7一圖像傳感器；一圖像傳感器； 8一卷軸旋轉系統(tǒng)；一卷軸旋轉系統(tǒng)； 9一提拉繩；一提拉繩； 10一至真空泵；一至真空泵； 11一光學系統(tǒng)；一光學系統(tǒng)； 12一石英坩堝；一石英坩堝； 13一石墨托；一石墨托； 14一石墨加熱器；一石墨加熱器； 15一保溫罩一保溫罩熔體的流動熔體的流動 在在Cz晶體生長過程中，熔體流動狀態(tài)晶體生長過程中，熔體流動狀態(tài)非常復雜，由于熔體不透明，難以直接觀察；因非常復雜，由于熔體不透明，難以直接觀察；因此

8、，常常用數字模擬，實驗模擬，以及用此，常常用數字模擬，實驗模擬，以及用x光照射光照射來了解熔體流動。來了解熔體流動。 熔體流動圖像有熔體流動圖像有5種基本類型的對流種基本類型的對流:(1)溫度梯度產生的浮力而引起的自然熱對流；溫度梯度產生的浮力而引起的自然熱對流； (2)熔體表面張力梯度引起的馬蘭哥尼對流；熔體表面張力梯度引起的馬蘭哥尼對流； (3)提升晶體引起的強迫對流；提升晶體引起的強迫對流；(4)晶體旋轉引起的強迫對流；晶體旋轉引起的強迫對流；(5)坩堝旋轉引起的強迫對流。坩堝旋轉引起的強迫對流。在這在這5種對流中以熱對流和晶轉強迫對流最為重要。熱種對流中以熱對流和晶轉強迫對流最為重要。

9、熱對流的速度場完全取決于格拉斯霍夫數對流的速度場完全取決于格拉斯霍夫數。 在熔體長成晶體的過程中在熔體長成晶體的過程中(Melt Growth)，藉由熔，藉由熔體溫度下降，將產生由液態(tài)轉換成固態(tài)的相變化體溫度下降，將產生由液態(tài)轉換成固態(tài)的相變化(Phase Transformation)。這要從熱力學觀點來解。這要從熱力學觀點來解釋。對于發(fā)生在等溫等壓的相變化，不同相之間釋。對于發(fā)生在等溫等壓的相變化，不同相之間的相對穩(wěn)定性，可有自由能的相對穩(wěn)定性，可有自由能G來決定。來決定。G=HTS 其中其中H是焓，是焓，T是絕對溫度，而是絕對溫度，而S是熵。一個平衡是熵。一個平衡系統(tǒng)將具有最低的自由能。

10、加入一個系統(tǒng)的自由系統(tǒng)將具有最低的自由能。加入一個系統(tǒng)的自由能能G高于最低值，它將設法降低高于最低值，它將設法降低G以達到平衡以達到平衡狀態(tài)。因此我們可以將狀態(tài)。因此我們可以將G視為結晶的驅動力，視為結晶的驅動力，如圖如圖15所示。在溫度所示。在溫度T時，液固二相的自由能可時，液固二相的自由能可表示為：表示為： 直拉法單晶硅生長：凝固結晶的驅動力直拉法單晶硅生長：凝固結晶的驅動力 因此在溫度因此在溫度T時時 G= H-TS 另外在平衡的熔化溫度另外在平衡的熔化溫度Tm時，液固二相的時，液固二相的自由能是相等的，即自由能是相等的，即G=0，因此，因此 G= H-TS=0 S= HT 其中其中H即

11、是所謂的結晶潛熱?？傻玫郊词撬^的結晶潛熱?？傻玫?G= HTT=ST 其中其中T=Tm- T，亦即所謂的過冷度，由于，亦即所謂的過冷度，由于凝固時，凝固時，S是個負值常數，所以是個負值常數，所以T可可 被視為唯一的驅動力。被視為唯一的驅動力。直拉單晶硅雜質直拉單晶硅雜質 直拉單晶硅中存在雜質。一方面，直拉單晶硅直拉單晶硅中存在雜質。一方面，直拉單晶硅需要有意摻入電活性雜質，以控制電阻率和導需要有意摻入電活性雜質，以控制電阻率和導電類型；另一方面，在直拉單晶硅生長和加工電類型；另一方面，在直拉單晶硅生長和加工過程中會引入其它不需要的雜質，如氧、碳等。過程中會引入其它不需要的雜質，如氧、碳等。這些雜質和存在的缺陷對硅器件的性能有致命這些雜質和存在的缺陷對硅器件的性能有致命的影響，必須嚴格控制。的影響，必須嚴格控制。 氧是直拉單晶硅中的主要雜質，它來源于晶體氧是直拉單晶硅中的主要雜質，它來源于晶體生長過程中石英坩堝的污染，是屬于直拉單晶生長過程中石英坩堝的污染，是屬于直拉單晶硅中不可