單晶硅生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展分析

程愉悻

摘 要：文章主要針對(duì)當(dāng)前單晶硅生長(zhǎng)技術(shù)進(jìn)行了分析綜述。并針對(duì)磁場(chǎng)直拉、改良熱場(chǎng)、磁場(chǎng)直拉以及真空高阻、氧濃度控制等技術(shù)展開(kāi)了研究。

關(guān)鍵詞：直拉法；懸浮區(qū)熔法；單晶硅；生長(zhǎng)

前言

目前電子信息技術(shù)以及光伏技術(shù)飛速發(fā)展，而作為此類技術(shù)的基礎(chǔ)材料，硅發(fā)揮了重要作用。從某些角度分析，硅（Si）影響了未來(lái)科技的發(fā)展，是高薪技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ)，因此國(guó)家想要發(fā)展自身在能源領(lǐng)域以及高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)嵙Γ仨殞i作為戰(zhàn)略資源。作為功能性材料，Si具有各項(xiàng)異性，所以將Si應(yīng)用于半導(dǎo)體材料需要將其制成硅單晶，并進(jìn)一步將其加工成為拋光片。這樣才能將Si應(yīng)用于CI器件的制造中，目前所生產(chǎn)的電子元件中89%以上的均使用硅單晶。

單晶硅的生產(chǎn)需要以半導(dǎo)體單晶硅切割過(guò)程中產(chǎn)生的頭尾料、單晶硅碎片以及邊皮料作為原料。而生產(chǎn)所用技術(shù)目前主要有兩種，一種為直拉法，一種則是懸浮區(qū)熔法。制備單晶硅過(guò)程中，依照實(shí)際的需要還需要添加必要元素，從而增大、減小材料電阻率，摻雜元素主要為第Ⅲ主族元素以及第Ⅴ主族元素。完成單晶硅材料的制備后，還需要依照半導(dǎo)體材料的需要進(jìn)行深加工，深加工程序主要包括切片、打磨以及腐蝕和拋光。而隨著單晶硅的生產(chǎn)技術(shù)、加工技術(shù)的發(fā)展，目前的單晶硅逐步向著300mm以上大直徑材料發(fā)展，且缺陷含量以及雜志含量更低，材料分布更加均勻，且生產(chǎn)成本不斷降低、效率更高。

1 技術(shù)原理

在生長(zhǎng)過(guò)程中，單晶硅狀態(tài)會(huì)隨著熔場(chǎng)溫度的改變而發(fā)生相變化，熔場(chǎng)溫度降低，則其由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。對(duì)于發(fā)生在等溫等壓條件下的相變化，不同相之間的相對(duì)穩(wěn)定性可由吉布斯自由能判定△G可以視為結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力。

△G=△H-△S （1）

在平衡的熔化溫度Tm。時(shí)，固液兩相的。自由能是相等的，即?！鱃。=0，因此

△G=△H-Tm×S=0 （2）

所以，△S=△H/Tm （3）

其中，△H即為結(jié)晶潛熱。

將式（3）代入式（1）可得

△G=■=■=△S△T （4）

由式（4）可以看出，由于△S是一個(gè)負(fù)值常數(shù)，所以△T即（過(guò)冷度）可被視為結(jié)晶的唯一驅(qū)動(dòng)力。

以典型的CZ長(zhǎng)晶法為例，加熱器的作用在于提供系統(tǒng)熱量，以使熔硅維持在高于熔點(diǎn)的溫度。如果在液面浸入一晶種，在晶種。與熔硅達(dá)到熱平衡時(shí)，液面會(huì)靠著表面張力的支撐吸附在晶種下方。若此時(shí)將晶種往上提升，這些被吸附的液體也會(huì)跟著晶種往上運(yùn)動(dòng)，而形成過(guò)冷狀態(tài)。這節(jié)過(guò)冷的液體由于過(guò)冷度產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力而結(jié)晶，并隨著晶種方向長(zhǎng)成單晶棒在凝固結(jié)晶過(guò)程中，所釋放出的潛熱是一個(gè)間接的熱量來(lái)源，潛熱將借著傳導(dǎo)作用而沿著晶棒傳輸。同時(shí)，晶棒表面也會(huì)借著熱輻射與熱對(duì)流將熱量散失到外圍，另外熔場(chǎng)表面也會(huì)將熱量散失掉，于是，在一個(gè)固定的條件下，進(jìn)人系統(tǒng)的熱能將等于系統(tǒng)輸出的熱能。

2 生長(zhǎng)方法

2.1 直拉（CZ）法

CZ是單晶硅生長(zhǎng)中直拉法的簡(jiǎn)稱，其過(guò)程相對(duì)較為簡(jiǎn)單，通過(guò)從熔硅中利用旋轉(zhuǎn)籽晶對(duì)單晶硅進(jìn)行提拉制備，該種方法生產(chǎn)成本相對(duì)較低，且能夠大量生產(chǎn)。因此該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能單晶硅片的生產(chǎn)中廣泛貴推廣開(kāi)來(lái)，直拉法目前使用的技術(shù)工藝核心有磁場(chǎng)直拉法、熱場(chǎng)構(gòu)造以及控制氧濃度等。

2.1.1 熱場(chǎng)構(gòu)造分析。單晶硅在下游IC產(chǎn)業(yè)中的利用率逐年增加，而電子產(chǎn)業(yè)對(duì)硅片的依賴程度逐年加深，因而單晶硅生產(chǎn)要求不斷提升，因此熱場(chǎng)設(shè)計(jì)要求更加嚴(yán)格。設(shè)計(jì)優(yōu)良的熱場(chǎng)能夠使?fàn)t內(nèi)的溫度分布達(dá)到最佳化，所以在CZ長(zhǎng)晶爐中會(huì)逐步的將特殊熱場(chǎng)元件應(yīng)用其中，以促進(jìn)單晶硅生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展。

技術(shù)人員研究了？準(zhǔn)200mm太陽(yáng)能用直拉單井生長(zhǎng)。通過(guò)諸多的拉晶實(shí)驗(yàn)（如圖1，復(fù)合式導(dǎo)流系統(tǒng)、熱屏雙加熱改造直拉爐熱系統(tǒng)），結(jié)果表明，拉晶速率提升了50%。同時(shí)針對(duì)單晶爐熱場(chǎng)以及氬氣流場(chǎng)采用有限元法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果可以看出，通過(guò)上述改造，氬氣流場(chǎng)得到了明顯的改善，晶體縱向溫度梯度在界面附近有明顯增加，且熔體縱向溫度梯度有明顯減少。而研究表明，增加加熱屏后直拉爐平均拉速提升的主要原因有兩點(diǎn)。首先直拉爐中晶體所受熱量輻射受到熱屏阻止有所減弱，且固液面熱輻射也有所減小。其次，氬氣流也會(huì)受到熱屏的影響，能夠得到良好的導(dǎo)流。

2.1.2 磁場(chǎng)直拉法（MCZ）。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，直拉單晶硅的生產(chǎn)規(guī)模得到進(jìn)一步擴(kuò)大，由于大直徑直拉單晶硅的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因而在生產(chǎn)中投料量不斷增加。但在單晶硅的生產(chǎn)中，晶體質(zhì)量會(huì)受到大熔體的影響，甚至單晶生長(zhǎng)會(huì)受到嚴(yán)重影響，這是由于熱對(duì)流對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的影響所致。而目前最有效的方式便是利用磁場(chǎng)抑制熱對(duì)流。通過(guò)磁場(chǎng)的加裝，長(zhǎng)晶系統(tǒng)中的生長(zhǎng)單晶受到一定強(qiáng)度磁感線的影響，影響單晶生長(zhǎng)的一切對(duì)流都會(huì)被洛倫茲力影響，而有效被抑制。通過(guò)實(shí)踐總結(jié)出，想要有效抑制硅單晶氧濃度，則磁場(chǎng)應(yīng)當(dāng)選擇Cusp磁場(chǎng)。

2.1.3 控制氧濃度。在單晶硅生長(zhǎng)時(shí)，石英坩堝會(huì)溶解，因而單晶硅中會(huì)混雜如一部分氧，而這些氧在硅晶格間隙濃度超過(guò)一定范圍，就會(huì)產(chǎn)生氧沉淀，該種缺陷會(huì)影響單晶硅質(zhì)量、性能。若不對(duì)氧沉淀進(jìn)行控制，應(yīng)用該種硅片加工集成電路，將會(huì)產(chǎn)生極大的危害。因此在單晶硅生長(zhǎng)過(guò)程中，利用一定工藝，令硅片內(nèi)部氧沉淀密度增高，但在硅片表面一定深度則為無(wú)氧沉淀的潔凈區(qū)，從而對(duì)氧析出物進(jìn)行控制，制備出高性能單晶硅材料。

2.2 區(qū)熔（FZ）法。將硅棒局部利用線圈進(jìn)行熔化的方式便是區(qū)熔法，在熔區(qū)處設(shè)置磁托，因而熔區(qū)可以始終處在懸浮狀態(tài)，將熔硅利用旋轉(zhuǎn)籽晶進(jìn)行拉制，在熔區(qū)下方制備單晶硅。該種方法優(yōu)勢(shì)在于，熔區(qū)為懸浮態(tài)，因而在生長(zhǎng)過(guò)程中單晶硅不會(huì)同任何物質(zhì)接觸，并且蒸發(fā)效應(yīng)以及雜質(zhì)分凝效應(yīng)較為顯著，因此具有較高的純度，其單晶硅制品性能相對(duì)較好。但由于工藝復(fù)雜，對(duì)設(shè)備以及技術(shù)要求較為嚴(yán)格，因此生產(chǎn)成本相對(duì)較高，其產(chǎn)品多應(yīng)用于太空以及軍工領(lǐng)域。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章主要論述了單晶硅的生長(zhǎng)技術(shù)，通過(guò)不斷的實(shí)踐總結(jié)出，對(duì)熱場(chǎng)構(gòu)造進(jìn)行改進(jìn)以及將磁場(chǎng)引進(jìn)熔硅所在空間能夠有效節(jié)能，且有利于生產(chǎn)大直徑單晶硅。在硅晶體生長(zhǎng)過(guò)程中加入氮能夠加速形成原生氧沉淀，并且對(duì)熱工藝加工中氧沉淀的增加有利，而加入氮能夠令氧沉淀更加穩(wěn)定。這兩方面的優(yōu)勢(shì)使得摻氮工藝在直拉硅生產(chǎn)中得到推廣，并且摻氮能夠有效降低熱預(yù)算，即便硅片氧濃度初始值很低，其內(nèi)吸雜能力仍舊很強(qiáng)，所以得到了充分的肯定。

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