PDF《单晶硅生长原理及工艺》

2009 量[4] .因此,对单晶硅的生产和研究提出了新的要 求.了解单晶生长条件、生长缺陷以及它们对器件 性能的影响之间的关系, 对提高晶体质量是很重要 的.本文采用直拉法生长了

6 英寸优质单晶硅,并 对其电阻率、杂质含量及位错进行了测试,获得了 最佳的生长工艺参数,分析了杂质引入机制及减少 杂质的措施.

1 直拉法生长单晶硅基本原理 当前制备单晶硅主要有两种技术,根据晶体生 长方式不同,可分为悬浮区熔法(Float Zone Meth- od)和直拉法(Czochralski Method).这两种方法 制备的单晶硅具有不同的特性和不同的器件应用领 域,区熔单晶硅主要应用于大功率器件方面,而直 拉单晶硅主要应用于微电子集成电路和太阳能电池 方面,是单晶硅的主体. 基本原理:原料装在一个坩埚中,坩埚上方有 一可旋转和升降的籽晶杆,杆的下端有一夹头,其 上捆上一根籽晶.原料被加热器熔化后,将籽晶插 入熔体之中,控制合适的温度,使之达到过饱和温 度,边旋转边提拉,即可获得所需单晶.因此,单 晶硅生长的驱动力为硅熔体的过饱和.根据生长晶 体不同的要求,加热方式可用高频或中频感应加热 或电阻加热.图1是直拉法单晶硅生长原理示意图.

1 -单晶硅;

2 -硅熔体;

3 -坩埚;

4 -加热器 图1直拉法单晶硅生长原理示意图 Fig.1 The graph of growth principle for single crystal silicon by Cz method

2 实验 2.1 直拉法单晶硅生长设备 采用直拉法生长炉及相关配套系统生长单晶 硅.整个生长系统主要包括晶体旋转提拉系统、加 热系统、坩埚旋转提拉系统、控制系统等.图2为直拉法生长单晶硅设备实物图与示意图. 由图

2 可知,炉体下部有一石墨托(可以上下 移动和旋转),上面放置圆柱形石墨坩埚(用以支 撑石英坩埚)、石英坩埚、石墨加热器及保温罩、 炉壁等.所用的石墨件和石英件都是高纯材料,以 防止对单晶硅的污染.采用软性的吊线挂住籽晶, 晶体与坩埚拉升速度,必须能够维持高准确度,这 样才能保持液面在同一位置,精确控制晶体的生长 速度. 控制系统是用以控制程序参数,如晶体直径、 拉速、温度及转速等.控制系统一般是采用闭环式 回馈控制.直径控制 sensor(CCD camera)是用以 读取晶体直径,并将读取之数据送至控制系统 (PLC).为了控制直径,控制系统会输出讯号调 整拉速、转速及温度.同样,晶体生长炉内氩气的 流量等参数,也是靠这种闭环回馈方式控制. 2.2 直拉法单晶硅生长工艺 直拉法生长单晶硅的制备步骤一般包括:多晶 硅的装料和熔化、引晶、缩颈、放肩、等颈和收 尾.如图

3 所示. 2.1.1 多晶硅的装料和熔化 首先,将高纯多晶硅料粉碎至适当的大小,并 在硝酸和氢氟酸的混合溶液中清洗外表面,以除去 可能的金属等杂质[5] ,然后放入高纯的石英坩埚 内.在装料完成后,将坩埚放入单晶炉中的石墨坩 埚中,然后将单晶炉抽真空使之维持在一定的压力 范围之内,再充入一定流量和压力的保护气,最后 加热升温,加热温度超过硅材料的熔点 1412℃,使 其充分熔化. 长春理工大学学报 (自然科学版) 2009年570

1 -晶体上升旋转机构;

2 -吊线;

3 -隔离阀;

4 -籽晶夹 头;

5 -籽晶;

6 -石英坩埚;

7 -石墨坩埚;

8 -加热器;

9 - 绝缘材料;