程愉悻

摘 要：文章主要針對當(dāng)前單晶硅生長技術(shù)進行了分析綜述。并針對磁場直拉、改良熱場、磁場直拉以及真空高阻、氧濃度控制等技術(shù)展開了研究。

關(guān)鍵詞：直拉法；懸浮區(qū)熔法；單晶硅；生長

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）影響了未來科技的發(fā)展，是高薪技術(shù)進步的基礎(chǔ)，因此國家想要發(fā)展自身在能源領(lǐng)域以及高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)嵙?，必須將Si作為戰(zhàn)略資源。作為功能性材料，Si具有各項異性，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。制備單晶硅過程中，依照實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

在生長過程中，單晶硅狀態(tài)會隨著熔場溫度的改變而發(fā)生相變化，熔場溫度降低，則其由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。對于發(fā)生在等溫等壓條件下的相變化，不同相之間的相對穩(wěn)定性可由吉布斯自由能判定△G可以視為結(jié)晶驅(qū)動力。

△G=△H-△S （1）

在平衡的熔化溫度Tm。時，固液兩相的。自由能是相等的，即。△G。=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是一個負(fù)值常數(shù)，所以△T即（過冷度）可被視為結(jié)晶的唯一驅(qū)動力。

以典型的CZ長晶法為例，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的溫度。如果在液面浸入一晶種，在晶種。與熔硅達到熱平衡時，液面會靠著表面張力的支撐吸附在晶種下方。若此時將晶種往上提升，這些被吸附的液體也會跟著晶種往上運動，而形成過冷狀態(tài)。這節(jié)過冷的液體由于過冷度產(chǎn)生的驅(qū)動力而結(jié)晶，并隨著晶種方向長成單晶棒在凝固結(jié)晶過程中，所釋放出的潛熱是一個間接的熱量來源，潛熱將借著傳導(dǎo)作用而沿著晶棒傳輸。同時，晶棒表面也會借著熱輻射與熱對流將熱量散失到外圍，另外熔場表面也會將熱量散失掉，于是，在一個固定的條件下，進人系統(tǒng)的熱能將等于系統(tǒng)輸出的熱能。

2 生長方法

2.1 直拉（CZ）法

CZ是單晶硅生長中直拉法的簡稱，其過程相對較為簡單，通過從熔硅中利用旋轉(zhuǎn)籽晶對單晶硅進行提拉制備，該種方法生產(chǎn)成本相對較低，且能夠大量生產(chǎn)。因此該項技術(shù)在國內(nèi)太陽能單晶硅片的生產(chǎn)中廣泛貴推廣開來，直拉法目前使用的技術(shù)工藝核心有磁場直拉法、熱場構(gòu)造以及控制氧濃度等。

2.1.1 熱場構(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，因此熱場設(shè)計要求更加嚴(yán)格。設(shè)計優(yōu)良的熱場能夠使?fàn)t內(nèi)的溫度分布達到最佳化，所以在CZ長晶爐中會逐步的將特殊熱場元件應(yīng)用其中，以促進單晶硅生長技術(shù)的發(fā)展。

技術(shù)人員研究了？準(zhǔn)200mm太陽能用直拉單井生長。通過諸多的拉晶實驗（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%。同時針對單晶爐熱場以及氬氣流場采用有限元法進行試驗，試驗結(jié)果可以看出，通過上述改造，氬氣流場得到了明顯的改善，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。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，氬氣流也會受到熱屏的影響，能夠得到良好的導(dǎo)流。

2.1.2 磁場直拉法（MCZ）。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，直拉單晶硅的生產(chǎn)規(guī)模得到進一步擴大，由于大直徑直拉單晶硅的應(yīng)用越來越廣泛，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)量會受到大熔體的影響，甚至單晶生長會受到嚴(yán)重影響，這是由于熱對流對晶體結(jié)構(gòu)的影響所致。而目前最有效的方式便是利用磁場抑制熱對流。通過磁場的加裝，長晶系統(tǒng)中的生長單晶受到一定強度磁感線的影響，影響單晶生長的一切對流都會被洛倫茲力影響，而有效被抑制。通過實踐總結(jié)出，想要有效抑制硅單晶氧濃度，則磁場應(yīng)當(dāng)選擇Cusp磁場。

2.1.3 控制氧濃度。在單晶硅生長時，石英坩堝會溶解，因而單晶硅中會混雜如一部分氧，而這些氧在硅晶格間隙濃度超過一定范圍，就會產(chǎn)生氧沉淀，該種缺陷會影響單晶硅質(zhì)量、性能。若不對氧沉淀進行控制，應(yīng)用該種硅片加工集成電路，將會產(chǎn)生極大的危害。因此在單晶硅生長過程中，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氧沉淀的潔凈區(qū)，從而對氧析出物進行控制，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)籽晶進行拉制，在熔區(qū)下方制備單晶硅。該種方法優(yōu)勢在于，熔區(qū)為懸浮態(tài)，因而在生長過程中單晶硅不會同任何物質(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較好。但由于工藝復(fù)雜，對設(shè)備以及技術(shù)要求較為嚴(yán)格，因此生產(chǎn)成本相對較高，其產(chǎn)品多應(yīng)用于太空以及軍工領(lǐng)域。

3 結(jié)束語

文章主要論述了單晶硅的生長技術(shù)，通過不斷的實踐總結(jié)出，對熱場構(gòu)造進行改進以及將磁場引進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。在硅晶體生長過程中加入氮能夠加速形成原生氧沉淀，并且對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，所以得到了充分的肯定。

參考文獻

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