淺析單晶硅生長(zhǎng)的機(jī)理

金學(xué)桐　馮殿義

摘 要 單晶硅作為影響國(guó)家未來(lái)技術(shù)發(fā)展的重要材料，對(duì)于我國(guó)高新技術(shù)發(fā)展具有戰(zhàn)略性地位。論文主要對(duì)形成單晶硅的重要方法即直拉法（CZ）單晶硅生長(zhǎng)的機(jī)理與工藝進(jìn)行了分析，并對(duì)如何提純材料，提純減少雜質(zhì)的措施進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞 單晶硅；生長(zhǎng)機(jī)理；雜質(zhì)

中圖分類號(hào) TM91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）17-0002-01

單晶硅作為影響國(guó)家未來(lái)技術(shù)發(fā)展的重要材料屬于立方晶系，單晶硅具有獨(dú)特的金剛石結(jié)構(gòu)。這種材料獨(dú)特的結(jié)構(gòu)屬性，使其成為性能優(yōu)良的半導(dǎo)體材料，單晶硅的發(fā)端可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)左右，從多晶硅材料的使用開(kāi)始到如今已經(jīng)超過(guò)半個(gè)世紀(jì)。目前，硅材料的生長(zhǎng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的非常完善，并在集成電路、光學(xué)元件、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。單晶硅作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要材料支撐，對(duì)國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展具有難以取代的重要作用，并且SiO2在地殼內(nèi)儲(chǔ)備豐富，具有礦源豐富的優(yōu)點(diǎn)。目前，作為新能源產(chǎn)業(yè)重要支柱的太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)就是用單晶硅制造的，由于單晶硅具備其他材料所沒(méi)有的純度高、光電轉(zhuǎn)換效率高等特征。因此，單晶硅已經(jīng)成為生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的最理想材料，并得到世界各國(guó)的重視，單晶硅的發(fā)展為人類清潔能源、新能源發(fā)展帶來(lái)了曙光。

1 單晶硅生長(zhǎng)的原理分析

目前，國(guó)內(nèi)外通行的制備單晶硅的技術(shù)主要分為兩類，具體包括區(qū)熔法與直拉法，其中區(qū)熔法主要用于大功率器件，而直拉法主要用于集成電路與太陽(yáng)能電池領(lǐng)域。兩種方法各有所長(zhǎng)，但直拉法目前應(yīng)用更重要，特別是在單晶硅的制備方面。

直拉法通常被叫做切克勞斯基單晶硅制備方法，該單晶硅制備方法最早是由切克勞斯基在1917年建立的，作為一種重要晶體生長(zhǎng)方法，得到業(yè)界普遍認(rèn)同。切克勞斯基單晶硅制備方法生長(zhǎng)單晶具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如該方法所采用設(shè)備和工藝比較簡(jiǎn)單，易于操作，特別容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。因此，使用切克勞斯基單晶硅制備方法生產(chǎn)單晶硅的生產(chǎn)效率高，特別是易于制備大直徑單晶。此外，使用切克勞斯基單晶硅制備方法容易控制單晶中雜質(zhì)濃度，可以制備低電阻率單晶。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前世界上硅單晶的產(chǎn)量中70%～80%是用切克勞斯基單晶硅制備方法生產(chǎn)的。

單晶硅生長(zhǎng)的基本原理主要是將原料放在坩堝中，通過(guò)石墨加熱器產(chǎn)生的高溫將其熔化；然后，對(duì)熔化的硅液稍做降溫，使之產(chǎn)生一定的過(guò)冷度，而在這個(gè)坩堝的上方有一籽晶桿，把一根固定在籽晶軸上的籽晶插入熔體表面，該桿可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和升降。在籽晶桿下端設(shè)置夾頭捆住籽晶。當(dāng)原料在坩堝中被熔化后，將籽晶插入到高溫的熔體之中，并將溫度控制到一定的范圍內(nèi)，并達(dá)到過(guò)飽和溫度，然后一邊進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，一邊進(jìn)行提拉，晶體便會(huì)在籽晶下端生長(zhǎng)這樣就可以最終獲得所需單晶。其中使用直拉法生長(zhǎng)單晶硅的工藝步驟主要包括：多晶硅的裝料與熔化，然后進(jìn)行引晶，引晶主要是控制籽晶生長(zhǎng)出一段長(zhǎng)為100mm左右、直徑為3mm～5mm的細(xì)頸，通過(guò)引晶來(lái)消除高溫溶液對(duì)籽晶熱沖擊所產(chǎn)生的負(fù)向作用，這個(gè)負(fù)向作用會(huì)導(dǎo)致原子排列的位錯(cuò)。隨后，進(jìn)行縮頸，放大晶體直徑到工藝要求的大小，通常是75mm～300mm，進(jìn)行放肩。然后，進(jìn)行等頸并最終完成收尾工藝。進(jìn)行提高拉速，開(kāi)始轉(zhuǎn)肩操作，做到的標(biāo)準(zhǔn)是使肩部近似直角。接著，通過(guò)控制熱場(chǎng)溫度和晶體提升速度的處理方法，使得單晶柱體生長(zhǎng)出來(lái)，并達(dá)到一定的規(guī)格。最后，等到大部分硅溶液完成結(jié)晶過(guò)程，形成晶體之后，將晶體漸縮成尾形錐體，并進(jìn)行一定的保溫冷卻，晶體就可以取出。

2 單晶硅生長(zhǎng)過(guò)程中雜質(zhì)產(chǎn)生與消除措施

2.1 氧雜質(zhì)的產(chǎn)生與消除措施

單晶硅在生長(zhǎng)過(guò)程中有雜質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響了產(chǎn)品質(zhì)量，因此單晶硅生長(zhǎng)過(guò)程重要的怎么消除雜質(zhì)的產(chǎn)生。直拉單晶硅部分雜質(zhì)屬于工藝學(xué)人為摻入，比如部分電活性雜質(zhì)。但是在單晶硅生長(zhǎng)過(guò)程中還有對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響的雜質(zhì)，其中最普遍的是氧和碳。

氧作為直拉單晶硅中對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響的主要雜質(zhì)，主要來(lái)源于石英坩堝。該雜質(zhì)作為單晶硅生長(zhǎng)過(guò)程中不可避免的雜質(zhì)，其既可以通過(guò)與空位結(jié)合，形成缺陷。又可以通過(guò)團(tuán)聚形成氧團(tuán)簇，此外，也可以形成氧沉淀，誘生缺陷。

為解決氧雜質(zhì)污染問(wèn)題，可以使用大尺寸的石英坩堝，降低來(lái)源于石英坩堝的污染。還可以采取提高工藝精細(xì)程度的辦法降級(jí)氧雜質(zhì)，比如采用高晶軸轉(zhuǎn)速和低坩堝轉(zhuǎn)速控制氧的分布。此外，可以采用高氣流量、低爐壓的辦法促進(jìn)SiO的揮發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氧雜質(zhì)減少的目的。

2.2 碳雜質(zhì)的產(chǎn)生與消除措施

單晶硅在生長(zhǎng)過(guò)程中C雜質(zhì)的產(chǎn)生嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量，碳作為重要的雜質(zhì)，C作為四價(jià)元素，可以與氧發(fā)生作用，同時(shí)C也可以與自間隙的Si原子與空位結(jié)合，并在一定條件下有微小的碳沉淀生成，碳沉淀造成單晶硅缺陷，導(dǎo)致硅器件的擊穿電壓被降低，進(jìn)而導(dǎo)致漏電流增加，最終對(duì)器件的性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。碳雜質(zhì)主要來(lái)自多晶硅原料，存在于晶體生長(zhǎng)爐內(nèi)的剩余氣體等。

為解決碳雜質(zhì)污染問(wèn)題，最直接的措施是改變爐內(nèi)熱場(chǎng)設(shè)計(jì)。主要措施是在石墨元件上利用CVD 的方法鍍上一層SiC，阻止CO氣體生成，通過(guò)CO氣體的減少，達(dá)到減少碳雜質(zhì)含量的目的。此外，還可以改善熱場(chǎng)設(shè)計(jì)，通過(guò)改善設(shè)計(jì)使得氬氣將SiO氣體帶出爐體，也可以降低晶棒中的碳含量。通過(guò)避免SiO氣體接觸高溫石墨元件的熱場(chǎng)設(shè)計(jì)，降低碳污染程度。

3 結(jié)論

單晶硅作為影響國(guó)家未來(lái)技術(shù)發(fā)展的重要材料，在集成電路、光學(xué)元件、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。單晶硅作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要材料支撐，對(duì)國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展具有難以取代的重要作用。目前，單晶硅已經(jīng)成為生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的最理想材料，并得到世界各國(guó)的重視，單晶硅的發(fā)展為人類清潔能源、新能源發(fā)展帶來(lái)了曙光。隨著，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)單晶硅需求的迅速增加。目前，單晶硅市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨白熱化。國(guó)內(nèi)廠商要在競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，就必須在理解單晶硅生長(zhǎng)機(jī)理的同時(shí)，進(jìn)行工藝革新。論文主要對(duì)形成單晶硅的重要方法即直拉法（CZ）單晶硅生長(zhǎng)的機(jī)理與工藝進(jìn)行了分析，重點(diǎn)論述了單晶硅生長(zhǎng)過(guò)程中氧雜質(zhì)與碳雜質(zhì)的產(chǎn)生與消除措施，比如為解決氧雜質(zhì)污染問(wèn)題，可以使用大尺寸的石英坩堝。為解決碳雜質(zhì)的產(chǎn)生，最直接的措施是改變爐內(nèi)熱場(chǎng)設(shè)計(jì)等辦法。

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