【半导体单晶炉 精】半导体第三讲-下-单晶硅生长技术
单晶硅的生产工艺
单晶硅的生产工艺
单晶硅是一种高纯度的硅材料，广泛应用于太阳能电池、集成电路、半导体等领域。
它的制备过程主要包括三个步骤：原料准备、单晶生长和晶圆加工。
首先，原料准备是制备单晶硅的关键步骤。
通常使用的原料是金属硅，它的纯度需要达到99.9999%以上。
原料经过高温预处理，去除其中的杂质和气体。
然后将原料放入熔炉中，加热至高温，使其熔化成液态硅。
接下来是单晶生长阶段。
在熔融硅中加入少量的掺杂剂，以改变硅的性质。
然后，在特定的条件下，将种子晶体（通常是硅材料的小晶片）以特定的角度浸入熔融硅中。
通过缓慢提升或旋转种子晶体，可以在其上生长出一片完整的单晶硅。
在整个生长过程中，需要精确控制温度、气氛和流速等参数，以保证单晶的质量和形状。
最后是晶圆加工过程。
将生长好的单晶硅锯成薄片，通常称为晶圆。
晶圆表面会有一层氧化膜，需要通过化学腐蚀或机械抛光等方法去除。
然后，在晶圆表面通过光刻和腐蚀等工艺制作电路图案。
最后，进行离散元件的切割、测试和包装等步骤，得到最终的单晶硅产品。
总的来说，单晶硅的生产工艺是一个复杂而精细的过程。
在每个步骤中，需要严格控制工艺参数，以确保单晶硅的质量和性能。
随着技术的进步，单晶硅的生产工艺不断完善，产量和质量也在不断提高，为相关行业的发展提供了重要的支持。
半导体制造工艺之晶体的生长概述
半导体制造工艺之晶体的生长概述晶体生长是半导体制造中至关重要的一步，它决定了半导体材料的质量和性能。
本文将概述半导体晶体的生长工艺，包括单晶生长、多晶生长和薄膜生长。
首先，单晶生长是制备高纯度单晶材料最常用的方法之一、单晶生长过程包括溶液法、气相法和陶瓷法等。
其中，溶液法是最早发展起来的单晶生长方法之一、在溶液法中，首先制备出含有半导体材料的溶液，然后通过控制溶液中的温度、浓度和溶液与环境接触的界面等条件来实现晶体的生长。
气相法利用气体中的半导体材料蒸汽沉积在基片上，并在其上形成单晶。
陶瓷法是将半导体材料粉末压制成形状可控的块状，并在高温下进行烧结，从而实现晶体的生长。
其次，多晶生长是制备大尺寸半导体材料的一种方法。
它通过在固态下将多个晶核生长成晶粒，形成多晶的材料。
多晶生长一般分为凝固法和熔融法。
凝固法中，通过一定条件下的凝固过程将原料直接转变为多晶体。
凝固法的一个典型例子是铸造法，即将熔化的半导体材料注入到石膏型中，随后通过凝固过程获得多晶体。
熔融法中，通过将原料加热至熔点，然后冷却成形，实现多晶体的生长。
最后，薄膜生长是一种制备半导体薄膜的方法。
薄膜生长涉及多种技术，包括物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD）、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）、分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE）等。
在物理气相沉积中，通过将半导体材料直接蒸发或溅射到基片上来形成薄膜。
在化学气相沉积中，通过化学反应使气体中的原子或分子转变为沉积在基片上的固态材料。
分子束外延是利用高纯度蒸发源，在真空环境下瞄准并发射精细束流的精确方法，将气体分子形成薄膜。
以上是半导体制造工艺中晶体生长的概述。
不同的晶体生长方法适用于不同的材料和应用，选择合适的生长方法对于获得高质量的晶体是至关重要的。
随着技术的发展，对晶体生长方法的研究也在不断进步，为半导体工业带来了更高效、更精确的制造工艺。
单晶硅生长技术及氧缺陷控制方法
单晶硅生长技术及氧缺陷控制方法摘要：目前电子信息技术以及光伏技术飞速发展，而作为此类技术的基础材料，硅发挥了重要作用。
从某些角度分析，硅（Si）影响了未来科技的发展，是高薪技术进步的基础，因此国家想要发展自身在能源领域以及高新技术领域实力，必须将Si作为战略资源。
作为功能性材料，Si具有各项异性，所以将Si应用于半导体材料需要将其制成硅单晶，并进一步将其加工成为抛光片。
这样才能将Si应用于CI器件的制造中，目前所生产的电子元件中89%以上的均使用硅单晶。
关键词：单晶硅；生长技术；氧缺陷单晶硅的生产需要以半导体单晶硅切割过程中产生的头尾料、单晶硅碎片以及边皮料作为原料。
而生产所用技术目前主要有两种，一种为直拉法，一种则是悬浮区熔法。
制备单晶硅过程中，依照实际的需要还需要添加必要元素，从而增大、减小材料电阻率，掺杂元素主要为第Ⅲ主族元素以及第Ⅴ主族元素。
完成单晶硅材料的制备后，还需要依照半导体材料的需要进行深加工，深加工程序主要包括切片、打磨以及腐蚀和抛光。
而随着单晶硅的生产技术、加工技术的发展，目前的单晶硅逐步向着300mm以上大直径材料发展，且缺陷含量以及杂志含量更低，材料分布更加均匀，且生产成本不断降低、效率更高。
1 单晶硅的概念半导体材料的电学性质和其他物理性质对晶格缺陷以及所含杂质的种类和数量非常敏感。
制作各种半导体器件，尤其是集成电路和大规模集成电路的制作更需要均匀性好的大直径完善单晶。
目前不仅能制造无位错的完善单晶，而且还可以将位错密度控制在一定范围内[1]。
无位错单晶的直径已达到200mm规格化。
2 单晶硅的生长方法2.1 直拉（CZ）法CZ是单晶硅生长中直拉法的简称，其过程相对较为简单，通过从熔硅中利用旋转籽晶对单晶硅进行提拉制备，该种方法生产成本相对较低，且能够大量生产。
因此该项技术在国内太阳能单晶硅片的生产中广泛贵推广开来，直拉法目前使用的技术工艺核心有磁场直拉法、热场构造以及控制氧浓度等。
半导体第三讲-下-单晶硅生长技术
单晶硅主要生长方法
直拉法生长单晶硅容易控制，产能 比区熔高，会引入杂质，应用于半 导体集成电路、二极管、外延片衬 底20、20/1太1/5阳能电池。
区熔法可生长出纯度高均匀性好的 单晶硅，应用于高电压大功率器件 上，如可控硅、可关断晶闸管。
2020/11/5
单晶硅简介
单晶硅属于立方晶系，金刚石结构，是一种性能优良 的半导体材料。
自上世纪 40 年代起开始使用多晶硅至今，硅材料的生 长技术已趋于完善，并广泛的应用于红外光谱频率光 学元件、红外及 射线探测器、集成电路、太阳能电池 等。
此外，硅没有毒性，且它的原材料石英(SiO2)构成了 大约60%的地壳成分，其原料供给可得到充分保障。
在磁场下生长单晶，当引入磁感应强度达 到一定值时，一切宏观对流均受到洛伦兹 力的作用而被抑制。
2020/11/5
垂直磁场对动量及热量的分布具有双重效 应。垂直磁场强度过大（Ha=1000/2000）， 不利于晶体生长。
对无磁场、垂直磁场、勾形磁场作用下熔 体内的传输特性进行比较后发现，随着勾 形磁场强度的增加，熔体内子午面上的流 动减弱，并且紊流强度也相应降低。
区熔硅的常规掺杂方法有硅芯掺杂、表面涂敷 掺杂、气相掺杂等，以气相掺杂最为常用。
2020/11/5
晶体缺陷 区熔硅中的晶体缺陷有位错和漩涡缺陷。
中子嬗变晶体还有辐照缺陷，在纯氢或氩 一氢混合气氛中区熔时，常引起氢致缺陷。
2020/11/5
通过在氩气气氛及真空环境下进行高阻区 熔硅单晶生长试验发现,与在氢气气氛下生长 硅单晶相比,在真空环境下采用较低的晶体生 长速率即可生长出无漩涡缺陷的单晶, 而当晶 体生长速度较高时, 尽管可以消除漩涡, 但单晶 的少子寿命却有明显的下降。在真空中生长无 漩涡缺陷单晶的生长速率,比在氢气气氛下生 长同样直径单晶的生长速率低,但漩涡缺陷对 单晶少子寿命的影响并不明显。
单晶的生长方法
单晶的生长方法
哇塞，单晶那可是超厉害的玩意儿！你知道单晶咋长出来不？嘿嘿，其实有不少方法呢！比如说提拉法，就像从魔法锅里慢慢拉出宝贝一样。
先准备好原料，把它们加热到合适的温度，然后用一个籽晶慢慢往上提拉，就像钓鱼一样，小心翼翼地把单晶从熔体里拉出来。
这过程可得注意温度控制好哇，要是温度不对，那可就完蛋啦！得时刻盯着，就像看着宝贝一样，不能有一点马虎。
还有区熔法，就像切蛋糕一样，把材料分成一块一块的，然后用一个热源慢慢地移动，让单晶在这个过程中长出来。
这也得注意操作规范呀，不然一不小心就搞砸了。
那单晶生长过程安全不？稳定不？当然得重视啦！这就跟盖房子一样，要是不牢固，那不得塌了嘛！在生长单晶的时候，得保证设备都正常运行，不能出啥故障。
要是突然停电了或者设备坏了，那可就悲剧了。
单晶都能用在啥地方呢？那可多了去了！电子领域，那可是少不了单晶。
就像手机、电脑这些高科技产品，很多都要用单晶材料。
还有太阳能电池，单晶在里面也发挥着重要作用呢！这优势可明显啦，性能好哇，比其他材料更可靠。
比如说在半导体行业，单晶的应用那可太广泛了。
有一次，一家公司用提拉法长出了高质量的单晶，用在芯片制造上，效果那叫一个棒！性能提升了好多呢。
单晶的生长方法虽然有挑战，但只要认真对待，注意细节，就能长出超棒的单晶。
这可是很有意义的事情呢！咱得加油哇，让单晶为我们的生活带来更多的惊喜。
硅基半导体的制备技术
硅基半导体的制备技术硅基半导体是一种重要的材料，在电子行业中有广泛的应用。
它具有优良的电子特性和稳定性，因此被广泛用于集成电路、太阳能电池等领域。
本文将介绍硅基半导体的制备技术，包括单晶硅的生长、掺杂和薄膜沉积等关键步骤。
一、单晶硅的生长单晶硅是硅基半导体的基础材料，其生长过程需要高纯度的硅原料和精密的控制条件。
目前常用的单晶硅生长方法有Czochralski法和区域熔融法。
Czochralski法是一种常用的单晶硅生长方法。
首先，将高纯度的硅原料放入石英坩埚中，加热至高温熔化。
然后，在熔融硅液表面缓慢地降下单晶硅种子，通过旋转坩埚和提升种子的方式，使硅液逐渐凝固形成单晶硅棒。
这种方法生长的单晶硅具有较高的纯度和晶格完整性。
区域熔融法是另一种常用的单晶硅生长方法。
它通过在硅片表面形成一个局部区域的熔融，然后使熔融区域逐渐扩大，最终形成单晶硅。
这种方法可以在硅片上生长大面积的单晶硅，适用于大规模生产。
二、掺杂掺杂是指向单晶硅中引入杂质，改变其电子特性的过程。
常用的掺杂方法有扩散法和离子注入法。
扩散法是一种将杂质从气相或液相扩散到单晶硅中的方法。
首先，在单晶硅表面形成一层薄膜，然后将硅片放入高温炉中，在一定的温度和时间条件下，使杂质从薄膜扩散到单晶硅中。
这种方法可以实现对单晶硅的局部掺杂，用于制备各种器件。
离子注入法是一种将杂质离子注入到单晶硅中的方法。
通过加速器将杂质离子加速到一定能量，然后注入到单晶硅中。
这种方法可以实现对单晶硅的全面掺杂，用于制备集成电路等器件。
三、薄膜沉积薄膜沉积是指在硅基半导体表面沉积一层薄膜，用于改变其表面性质或制备特定的器件结构。
常用的薄膜沉积方法有化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）。
化学气相沉积是一种将气体中的化学物质在硅基半导体表面发生化学反应，形成薄膜的方法。
通过控制反应条件和气体流量，可以得到不同性质的薄膜，如氧化硅、氮化硅等。
物理气相沉积是一种将固体材料在真空环境下蒸发或溅射到硅基半导体表面形成薄膜的方法。
半导体级硅单晶生长技术综述
半导体级硅单晶生长技术综述摘要半导体级硅单晶是制造集成电路和太阳能电池等微电子器件的关键材料，其质量和晶体结构对器件性能至关重要。
本文综述了半导体级硅单晶生长技术的发展历程、主要的生长方法及其特点，并对其在半导体工业中的应用前景进行了展望。
1. 引言半导体级硅单晶是由高纯度的硅熔体通过特定的方法生长而成的单晶硅材料。
它具有高度晶体结构完整性、低缺陷密度和高纯度等优良性能，是制造集成电路和光电器件所必需的材料之一。
随着电子信息技术和新能源技术的不断发展，对半导体级硅单晶的需求也日益增加。
2. 生长方法半导体级硅单晶的生长方法主要包括区熔法、悬浮液法和熔于翻转法等。
其中，区熔法是最常用的生长方法之一。
它利用熔融硅的高温特性，在蔓延区和保护区之间形成温度梯度，在过热熔体和下冷Si晶体界面处生成硅原子，从而实现硅单晶的生长。
悬浮液法则是通过在熔融硅中悬浮微小的硅颗粒，在悬浮液不断向下运动的过程中，沉积和排斥硅原子，从而实现单晶硅的生长。
熔于翻转法是最新发展的生长方法之一，它采用高性能矽翻转碗作为生长室，在高真空和气氛下进行生长，可以实现较大直径和高质量的硅单晶生长。
3. 生长过程及参数控制半导体级硅单晶的生长过程包括熔体制备、生长引上、生长室制备和晶体生长等多个步骤。
其中熔体制备是制备高纯度硅熔体的关键环节，包括硅原料的净化、熔炼和纯化等。
生长引上是将熔体引入生长室的过程，需要严格控制引上速度和温度梯度，以保证晶体的品质和形状。
生长室制备则是建立一个适合生长的高真空或气氛环境的关键步骤。
晶体生长是整个过程中最重要的步骤，包括晶面生长、补充剂的掺入和晶体拖曳等。
控制生长过程中的参数对于确保晶体质量具有重要意义。
其中温度控制是最关键的参数之一，需要保持适当的生长温度来实现晶体的生长。
此外，压力、气氛、温度梯度等参数的控制也对晶体的质量和晶格缺陷的形成具有重要影响。
4. 主要应用领域半导体级硅单晶生长技术在半导体工业中具有广泛应用。
单晶硅生长原理及工艺
单晶硅生长原理及工艺摘要：介绍了直拉法生长单晶硅的基本原理及工艺条件。
通过控制不同的工艺参数（晶体转速：2.5、10、20rpm；坩埚转速： 1.25、5、10），成功生长出了三根150×1000mm 优质单晶硅棒。
分别对这三种单晶硅样品进行了电阻率、氧含量、碳含量、少子寿命测试，结果表明，当晶体转速为10rpm，坩埚转速为5rpm，所生长出的单晶硅质量最佳。
最后分析了氧杂质和碳杂质的引入机制及减少杂质的措施。
关键词：单晶硅；直拉法生长；性能测试；氧杂质；碳杂质中图分类号：O782 文献标识码：A 文章编号：1672 －9870（2009）04 －0569 －05收稿日期：2009 07 25基金项目：中国兵器科学研究院资助项目（42001070404）作者简介：刘立新（1962 ），男，助理研究员，E-mail：lxliu2007@。
刘立新1，罗平1，李春1，林海1，张学建1，2，张莹1（1.长春理工大学材料科学与工程学院，长春130022；2.吉林建筑工程学院，长春130021）Growth Principle and Technique of Single Crystal SiliconLIU Lixin1，LUO Ping1，LI Chun1，LIN Hai1，ZHANG Xuejian1，2，ZHANG Ying1（1.Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2. Jilin Architectural and civil Engineering institute，Changchun 130021）Abstract：This paper introduces the basic principle and process conditions of single crystal silicon growth by Cz method.Through controlling different process parameters (crystal rotation speed: 2.5，10，20rpm; crucible rotation speed: -1.25，-5，-10)，three high quality single crystal silicon rods with the size of 150×1000mm were grown successfully. Performancemeasurements of three single crystal silicon samples were performed including resistivity，oxygen and carbon content，minority carrier lifetime，respectively. The results show that as-grown single crystal silicon has the optimal qualitywhen crystal rotation speed is 10rpm，and crucible rotation speed is -5rpm. Finally，the introducing mechanism of oxygenand carbon impurities，and the way to reduce the impurities were discussed.Key words：single crystal silicon；growth by Cz method；performance measurements；oxygen impurities；carbon impurities单晶硅属于立方晶系，金刚石结构，是一种性能优良的半导体材料。
半导体的晶体生长技术
半导体的晶体生长技术在现代科技的舞台上，半导体无疑是一颗璀璨的明星。
从智能手机到超级计算机，从电动汽车到航天飞机，半导体的身影无处不在。
而半导体性能的优劣，很大程度上取决于晶体生长技术的水平。
半导体晶体生长技术就像是一场精细的“建筑工程”，旨在构建出具有完美晶格结构、高度纯净且均匀的晶体。
要理解这一技术，首先得明白半导体晶体的重要性。
半导体晶体是半导体器件的基础材料。
它的晶格结构和杂质分布直接影响着半导体器件的电学性能、光学性能等。
一个优质的半导体晶体，就如同一块质地优良的基石，为高性能半导体器件的诞生奠定了坚实的基础。
在众多的半导体晶体生长技术中，直拉法（Czochralski method）是应用最为广泛的一种。
想象一下，将半导体材料放入一个坩埚中，就像把食材放进锅里。
然后，通过加热使材料融化成液态。
接着，将一根籽晶慢慢浸入到这“液态汤”中，并以适当的速度旋转和提拉。
随着籽晶的上升，液态材料逐渐在籽晶上结晶生长，最终形成一根长长的晶体棒。
直拉法的优点在于能够生长出大尺寸的晶体，并且成本相对较低。
但它也并非完美无缺。
在生长过程中，由于温度梯度和对流等因素的影响，可能会导致晶体中出现杂质和缺陷，从而影响晶体的质量。
为了克服直拉法的不足，区熔法（Float Zone method）应运而生。
这种方法不需要坩埚，而是通过一个局部加热源在多晶棒上形成一个狭窄的熔区。
然后，将籽晶与熔区接触，并逐渐移动加热源，使熔区不断向前移动，从而实现晶体的生长。
区熔法的优势在于能够生长出更高纯度的晶体，因为它避免了坩埚材料对晶体的污染。
然而，区熔法的生长速度较慢，而且难以生长大尺寸的晶体，因此在实际应用中往往需要根据具体需求来选择合适的方法。
除了直拉法和区熔法，外延生长技术（Epitaxy）也是半导体晶体生长中的重要手段。
外延生长就像是在已有的晶体基础上“加盖楼层”，通过在衬底表面上一层一层地生长出具有特定性质的晶体薄膜。
单晶硅生长过程
然后加热至熔化温度（1420℃）以上，将晶硅原料熔化。使用过大的功率来熔化晶
硅，虽然可以缩短熔化时间，但是可能造成石英坩埚壁的过度损伤，而降低石英坩 埚的寿命。反之若功率过小，则整个熔化过程耗时太久，产能下降。
3）引晶 当硅熔液的温度稳定之后,将<100>或<111>方向的籽晶慢慢浸入硅熔液中，由于 籽晶和硅熔液接触时的热应力，会使得籽晶产生位错，这些位错必须利用引晶 生长使之消失。为了能完全消除位错，一般的原则是让引晶长度约等于一个晶 棒直径的长度。
4）放肩 引晶之后，须降低拉速和温度，使得晶体的直径渐渐放大到所需的大小。出 于经济方面的考虑，放肩的形状通常较平。在此步骤中，最重要的参数是直径
的放大速率（亦即放肩的角度）。放肩的形状和角度，将会影响晶棒头部的固
液界面形状及晶棒品质。如果降温太快，液面呈现过冷情况，肩的形状因直径 快速放大而变成方形，严重时易晶生长法
1. CZ法晶体硅生长设备
CZ生长炉主要有四部分组成： （1）炉体：包括石英坩埚、石墨坩埚（用以支 撑石英坩埚）、加热和绝热元件、炉壁等。在炉 体内部这些影响热传导和温度分布的元件，一般 通称为热场。
（2）晶棒/坩埚拉升旋转机构：包括籽晶夹头、
吊线和拉升旋转元件。 （3）气压控制：包括Ar气体流量控制、真空系 统和压力控制阀。
（4）控制系统：包括侦测感应器（sensor）和
电脑控制系统等。 右图为一典型的CZ生长炉的示意图。
2. CZ操作流程与原理
（1）加料 此步骤主要是将晶硅原料和搀杂剂放入石英坩埚内。搀杂剂的种类是按照导电类型
N或P而定的，P型的搀杂剂一般为硼/镓，N型搀杂剂则一般为磷。
（2）熔化 当加完晶硅原料于石英坩埚内后，单晶炉必须关闭并抽真空使之维持在一定的压力范围。
单晶生长原理
直拉法：直拉法即切克老斯基法（Czochralski: Cz), 直拉法是半导体单晶生长用的最多的一种晶体生长技术。
直拉法单晶硅工艺过程－引晶：通过电阻加热，将装在石英坩埚中的多晶硅熔化，并保持略高于硅熔点的温度，将籽晶浸入熔体，然后以一定速度向上提拉籽晶并同时旋转引出晶体；－缩颈：生长一定长度的缩小的细长颈的晶体，以防止籽晶中的位错延伸到晶体中；－放肩：将晶体控制到所需直径；－等径生长：根据熔体和单晶炉情况，控制晶体等径生长到所需长度；－收尾：直径逐渐缩小，离开熔体；－降温：降底温度，取出晶体，待后续加工直拉法－几个基本问题最大生长速度晶体生长最大速度与晶体中的纵向温度梯度、晶体的热导率、晶体密度等有关。
提高晶体中的温度梯度，可以提高晶体生长速度；但温度梯度太大，将在晶体中产生较大的热应力，会导致位错等晶体缺陷的形成，甚至会使晶体产生裂纹。
为了降低位错密度，晶体实际生长速度往往低于最大生长速度。
熔体中的对流相互相反旋转的晶体（顺时针）和坩埚所产生的强制对流是由离心力和向心力、最终由熔体表面张力梯度所驱动的。
所生长的晶体的直径越大（坩锅越大），对流就越强烈，会造成熔体中温度波动和晶体局部回熔，从而导致晶体中的杂质分布不均匀等。
实际生产中，晶体的转动速度一般比坩锅快1-3倍，晶体和坩锅彼此的相互反向运动导致熔体中心区与外围区发生相对运动，有利于在固液界面下方形成一个相对稳定的区域，有利于晶体稳定生长。
生长界面形状（固液界面）固液界面形状对单晶均匀性、完整性有重要影响，正常情况下，固液界面的宏观形状应该与热场所确定的熔体等温面相吻合。
在引晶、放肩阶段，固液界面凸向熔体，单晶等径生长后，界面先变平后再凹向熔体。
通过调整拉晶速度，晶体转动和坩埚转动速度就可以调整固液界面形状。
生长过程中各阶段生长条件的差异直拉法的引晶阶段的熔体高度最高，裸露坩埚壁的高度最小，在晶体生长过程直到收尾阶段，裸露坩埚壁的高度不断增大，这样造成生长条件不断变化（熔体的对流、热传输、固液界面形状等），即整个晶锭从头到尾经历不同的热历史：头部受热时间最长，尾部最短，这样会造成晶体轴向、径向杂质分布不均匀。
单晶硅生长技术
2020/9/12
与敞开系统相 比，密闭系统界面 附近晶体轴向温度 梯度增大约10℃， 而熔体中轴向温度 梯度降低约5℃。
温度-距离曲线（熔体）
磁场直拉法
今年来，随着生产ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ模的扩大，直拉单晶 硅正向大直径发展，投料量急剧增加。由 于大熔体严重的热对流不但影响晶体质量， 甚至会破坏单晶生长。
目前，抑制热对流最常用的方法是在长晶 系统内加装磁场。
区熔硅的常规掺杂方法有硅芯掺杂、表面涂敷 掺杂、气相掺杂等，以气相掺杂最为常用。
2020/9/12
晶体缺陷 区熔硅中的晶体缺陷有位错和漩涡缺陷。
中子嬗变晶体还有辐照缺陷，在纯氢或氩 一氢混合气氛中区熔时，常引起氢致缺陷。
2020/9/12
通过在氩气气氛及真空环境下进行高阻区 熔硅单晶生长试验发现,与在氢气气氛下生长 硅单晶相比,在真空环境下采用较低的晶体生 长速率即可生长出无漩涡缺陷的单晶, 而当晶 体生长速度较高时, 尽管可以消除漩涡, 但单晶 的少子寿命却有明显的下降。在真空中生长无 漩涡缺陷单晶的生长速率,比在氢气气氛下生 长同样直径单晶的生长速率低,但漩涡缺陷对 单晶少子寿命的影响并不明显。
2020/9/12
研究发现，快速热处理( R T P)是一种
快速消融氧沉淀的有效方式, 比常规炉退火
消融氧沉淀更加显著。硅片经R TP 消融处
理后, 在氧沉淀再生长退火过程中，硅的体
微缺陷(BMD)密度显著增加, BMD的尺寸明
显增大。研究还发现, 氧沉淀消融处理后，
后续退火的温度越高, 氧沉淀的再生长越快。
单晶硅生长技术现状
2020/9/12
单晶硅简介
硅(Si)材料是信息技术、电子技术和光伏技术最重 要的基础材料。
03章--硅锗晶体生长解析
第三章 晶体生长
制造半导体器件的材料，绝大部分是单晶 体，包括体单晶和薄膜单晶，因此，晶体生 长问题对于半导体材料研制，是一个极为重 要的问题。
本章主要内容： 1、晶体生长的基本理论 2、熔体中生长单晶的主要规律 3、单晶的生长技术
3-1 晶体生长理论基础
➢晶体的形成方式：
• 晶体是在物相转变的情况下形成的。 • 物相有三种，即气相、液相和固相。 • 由气相、液相固相时形成晶体， • 固相之间也可以直接产生转变。
➢4).变晶，矿物在定向压力方向上溶解，而在垂 直于压力方向上结晶，因而形成一向延长或二 向延 展的变质矿物，如角闪石、云母晶体等；
➢5).由固态非晶质结晶，火山喷发出的熔岩流迅 速冷却，固结成为非晶质的火山玻璃，这种火 山玻璃经过千百年以上的长 时间以后，可逐渐 转变为结晶质。
晶体形成的热力学条件
2.多个晶核生长
1)成核率：单位体积，单位时间内形成的晶核数 成长率：新相在单位时间内线性增长值
2)均匀成核速率： 两个方面的因素
过饱和度或过冷度越大，晶核形成速度越快 粘度越大，晶核形成速度越慢
二 非均匀成核(非自发成核)
➢ 在体系中存在外来质点(尘埃、固体颗粒、籽晶等) ，在外来质点上成核
课堂练习：参 考课本图3-1， 从图上直接说 明气-固相、固液相转变的条 件。
晶体形成的热力学条件
➢从图3-1可直接看出： ➢气-固相转变条件：
温度不变，物质的分压 大于其饱和蒸汽压。 压力不变，物质的温度 低于其凝华点。
晶体形成的热力学条件
➢ 从图3-1可直接看出： ➢ 固-液相转变的条件：
对熔体，压力不变，物质的 温度低于其熔点 ➢ 不能看出的条件： 液-固相，对溶液，物质的浓度 大于其溶解度。
硅基半导体的制备技术
硅基半导体的制备技术硅基半导体是一种在电子行业中广泛应用的材料，其制备技术一直是研究的热点之一。
本文将介绍硅基半导体的制备技术，包括传统的硅基半导体制备方法和新型制备技术的发展趋势。
一、传统硅基半导体制备技术1. 单晶硅生长技术单晶硅是硅基半导体的主要材料，其生长技术是制备硅基半导体的关键步骤之一。
传统的单晶硅生长技术包括气相淀积法、溶液法和熔融法等。
其中，气相淀积法是最常用的方法，通过化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）在衬底上沉积硅薄膜，然后通过退火等工艺形成单晶硅。
2. 晶圆加工技术晶圆加工技术是将单晶硅切割成薄片并进行加工的过程，包括光刻、蚀刻、离子注入、扩散、金属化等步骤。
这些步骤是制备硅基半导体器件的基础，对器件性能和稳定性有重要影响。
3. 氧化硅膜沉积技术氧化硅膜是硅基半导体器件中常用的绝缘层材料，其沉积技术包括热氧化、PECVD等方法。
氧化硅膜的质量和厚度对器件的绝缘性能和电学特性有重要影响。
二、新型硅基半导体制备技术1. 氮化硅薄膜技术氮化硅薄膜是一种新型的绝缘层材料，具有优异的绝缘性能和热稳定性，逐渐取代传统的氧化硅膜。
氮化硅薄膜的制备技术包括PECVD、ALD等方法，可以实现高质量、均匀的薄膜沉积。
2. 低温多晶硅技术传统的单晶硅生长需要高温长时间的退火过程，成本高且能耗大。
低温多晶硅技术采用PECVD等方法在低温下生长多晶硅薄膜，可以降低制备成本并提高生产效率。
3. 柔性硅基半导体技术柔性硅基半导体是一种新型的硅基材料，具有高柔韧性和可弯曲性，适用于柔性电子器件的制备。
柔性硅基半导体技术包括薄膜剥离、柔性衬底等方法，为柔性电子器件的发展提供了新的可能性。
三、硅基半导体制备技术的发展趋势随着电子行业的不断发展，硅基半导体制备技术也在不断创新。
未来硅基半导体制备技术的发展趋势包括：1. 高性能材料的研究：开发新型硅基半导体材料，提高器件性能和集成度。
2. 绿色环保技术的应用：推广低能耗、低污染的硅基半导体制备技术，减少对环境的影响。
半导体制造工艺晶体的生长
半导体制造工艺晶体的生长引言半导体制造工艺的核心是晶体的生长，晶体的质量和结构对于半导体器件的性能起着至关重要的作用。
本文将介绍半导体制造工艺中晶体的生长过程以及一些常用的晶体生长方法。
晶体生长的基础知识在半导体制造工艺中，晶体是由原子或分子以一定的结构排列方式组成的固态物质。
晶体的生长过程涉及到晶体核的形成及其后续的晶体生长。
晶体生长过程中，晶体核是形成晶体结构的基础。
晶体核的形成需要克服原子或分子之间的排斥力，并形成一定的有序结构。
当晶体核形成后，周围的原子或分子会以一定的方式附着到晶体核上，从而形成一个完整的晶体。
晶体生长可以分为三个阶段：核心形成、原子或分子附着和晶体生长。
晶体生长的方法液相生长法液相生长法是最常用的晶体生长方法之一。
在液相生长法中，通过在溶液中加入适当的化学物质，控制温度和溶液成分，使得晶体材料从溶液中生长出来。
液相生长法具有较高的晶体生长速度和较低的生长温度要求，适用于常见的半导体材料的生长，如硅和锗。
气相生长法气相生长法是一种通过将混合气体在适当的条件下通过反应炉或多晶管等装置，使晶体沉积在衬底上的方法。
气相生长法的优点是可以实现大尺寸晶体的生长，并且可以控制晶体的成分和掺杂。
气相生长法广泛应用于氮化镓、砷化镓等复杂半导体材料的生长。
分子束外延法分子束外延法是一种通过将精细控制的分子束照射在衬底上，使晶体在衬底上沉积的方法。
分子束外延法具有高生长速度和高晶体质量的优点，适用于生长高质量的半导体薄膜。
水热法水热法是一种通过在高压、高温的水热条件下使晶体生长的方法。
水热法可以在相对较低的温度下生长高质量的晶体，并且可以控制晶体的形貌和尺寸。
水热法广泛应用于生长氧化铝、氧化锌等半导体材料。
晶体生长的控制参数晶体生长的过程受到多个参数的影响，这些参数包括温度、压力、溶液成分、气相成分等。
温度是晶体生长中最重要的参数之一。
温度的控制可以影响晶体的生长速度和质量。
对于不同的晶体材料，存在一个合适的生长温度范围，超出该范围会导致生长速度的下降和生长质量的变差。
半导体第三讲-下-单晶硅生长技术
单晶硅简介
单晶硅属于立方晶系，金刚石结构，是一种性能优良 的半导体材料。
自上世纪 40 年代起开始使用多晶硅至今，硅材料的生 长技术已趋于完善，并广泛的应用于红外光谱频率光 学元件、红外及 射线探测器、集成电路、太阳能电池 等。
此外，硅没有毒性，且它的原材料石英(SiO2)构成了 大约60%的地壳成分，其原料供给可得到充分保障。
直拉法生长硅单晶
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。
线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒 的接触处产依靠其表面张力和高频电 磁力的支托，悬浮于多晶棒与单晶之间， 故称为悬浮区熔法。
2020/3/23
熔区悬浮的稳定性很重要，稳定熔区的力 主要是熔体的表面张力和加热线圈提供的 磁浮力，而造成熔区不稳定的力主要是熔 硅的重力和旋转产生的离心力。要熔区稳 定地悬浮在硅棒上，前两种力之和必须大 于后两种力之和。
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直拉法单晶硅生长原理示意图
直拉法单晶硅生长设备
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
。
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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； 10－真空泵； 11 －坩埚上升旋转机构； 12 －控制系统； 13 － 直径控制传感器； 14 －氩气； 15 －硅熔体
单晶生长技术
单晶生长技术和操作报告人：唐旭辉前言§超过98%的电子元件是使用硅单晶作用基础材料制备，在迅速发展的太阳能发电工程中，由于单晶硅材料有较高的光电转换率，因此也占据了重要的地位。
硅单晶制备主要有两种方法：CZ，FZ。
§CZ-有坩埚法，主要用于低功率集成电路、晶体管、太阳能电池等。
其特点是容易实现单晶大直径化，设备和工艺巳比较成熟，该方法生产的单晶占硅单晶总量的80%以上。
§FZ-无坩埚法，用高频加热悬浮生长，能生产高阻、高纯、高寿命的高质量单晶，主要用于探测器，大功率可控整流元件，包括能使转换率超过20%以上的太阳能单晶。
§晶体生长技术，它涉及到热力学、物理化学、流体动力学、结晶学和晶体陷理论，由于微电子技术的飞速发展，作为基础材料的硅单晶制备技术也在迅速发展。
质量、成品率与各项关系装拆炉§1：装好炉的重要性§ 2 ：装好炉的几个关键问题§ a ：擦清炉子有两个重要意义，其一防止杂质沾污，影响产品质量，例如使电阻率偏离，少子寿命下降等问题，其二颗粒状物质(如氧化硅)掉入正在生长单晶的熔体中，使无位错单晶生长破坏。
另外清洗管道内的氧化物，保持抽气畅通也十分重要。
另一个需注意要经常将石墨与炉筒接触处用水砂纸擦干净。
§b：加热器、电极与炉子的绝缘性，防止短路打火产生。
重点在金属电极与炉子的绝缘，保持之间的清洁十分重要，另一重点是加热器与下保温板的绝缘。
§c：热场的对称均匀性。
其重要性除了影响产品质量，如电阻率均匀性、晶体缺陷等，还影晌单晶的无位错成晶率，因为不对称的热系统有较大的温差热应力。
装拆炉–石墨器件要点1.石墨件清洁处理，特别是导流筒，另外加热器上的氧化物要及时请理。
所有的石墨器件都应放在干净的不锈钢推车上。
2.检查石墨器件的使用状况，包括质量(有否裂缝等问题)及使用炉数，按规定进行更换。
3.保持加热器与电极的良好接触，同时与炉子及其它石墨件的绝缘。
半导体第三讲 下 单晶硅生长技术36页PPT
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
Hale Waihona Puke 66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
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应用简介
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单晶硅生长的原材料:多晶硅原料的制备 技术
• 地球上Si材料的含量丰富，它以硅砂的Sia:状态存在于 地球表面。从硅砂中融熔还原形成低纯度的Si是制造高 纯度Si的第一步。将Si仇与焦炭、煤及木屑等混合，置 于石墨电弧炉中在1 SDO℃一2 000℃下加热，将氧化物 分解还原，可以获得纯度为98%的多晶硅。接下来需将这 种多晶硅经一系列的化学过程逐步纯化，其工艺及化学 反应式分别如下:
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温度-距离曲线（晶体）
在CZ长晶过程中 ，当熔体中的温度梯 度越小而晶体温度梯 度越大时，生长速率 越高。
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与敞开系统相 比，密闭系统界面 附近晶体轴向温度 梯度增大约10℃， 而熔体中轴向温度 梯度降低约5℃。
温度-距离曲线（熔体）
磁场直拉法
• 今年来，随着生产规模的扩大，直拉单晶硅正向大直径发展，投 料量急剧增加。由于大熔体严重的热对流不但影响晶体质量，甚 至会破坏单晶生长。
2020/10/28热屏后平均拉速明显提高的原因主要有两个： 一方面，热屏阻止加热器的热量向晶体辐射，减弱了固液界面热辐
射力度； 另一方面，热屏起到了氩气导流作用。在敞开系统中，氩气流形成
漩涡，增加了炉内气氛流的的不稳定性，氩气对晶体的直接冷却能 力弱，不利于生长出无位错单晶。增加热屏后，漩涡消失，氩气流 速增加，对晶体的直接冷却和溶液界面吹拂能力加强。
• 目前，抑制热对流最常用的方法是在长晶系统内加装磁场。 • 在磁场下生长单晶，当引入磁感应强度达到一定值时，一切宏观
对流均受到洛伦兹力的作用而被抑制。
• 单晶棒:据估计，CZ法长晶法约占整个Si单晶市场的82%， 其余采用悬浮区熔法制备。
单晶硅主要生长方法
直拉法生长单晶硅容易控制，产能 比区熔高，会引入杂质，应用于半 导体集成电路、二极管、外延片衬 底202、0/10太/28 阳能电池。
区熔法可生长出纯度高均匀性好的 单晶硅，应用于高电压大功率器件 上，如可控硅、可关断晶闸管。
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先进的热场构造
• 在现代下游IC产业对硅片品质依赖度日益增加的情况下, 热场的设计 要求越来越高 。
• 好的热场必须能够使炉内的温度分布达到最佳化，因此一些特殊的 热场元件正逐渐被使用在先进的CZ长晶炉内。
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先进的热场构造
任丙彦等对200mm太阳能用直拉单 晶的生长速率进行了研究。通过采用热 屏、复合式导流系统及双加热器改造直 拉炉的热系统进行不同热系统下的拉晶 试验，结果发现平均拉速可从0.6mm/min 提高到0.9mm/min，提升了50%。
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工艺及化学反应式分别如下
• 1.盐酸化处理
将冶金级Si置于流床反应器中，通人盐酸形成 SiHCI
2.蒸馏提纯
置于蒸馏塔中，通过蒸馏的方法去除其他的反应杂质
• 3.分解析出多晶硅
将上面已纯化的SiHCl}置于化学气相沉积反应炉中与氢 气，发生还原反应，使得单质Si在炉内高纯度细长硅棒 表面析出，再将此析出物击碎即成块状多晶硅
• Si单晶的生长是将Si原料在1420℃以上的温度下融化， 再小心的控制液态一固态凝固过程，以长出直径4英寸、 5英寸、6英寸或8英寸的单一结晶体。
• 目前常用的晶体生长技术有:①提拉法，也称CZ法是将Si 原料在石英塔中加热融化，再将籽晶种入液面，通过旋 转和上拉长出单品棒②悬浮区熔法(floating zone technique),即将一多晶硅棒通过环带状加热器使多晶硅 棒产生局部融化现象，再控制凝固过程而生成
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直拉法单晶硅生长原理示意图
直拉法单晶硅生长设备
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
。
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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； 10－真空泵； 11 －坩埚上升旋转机构； 12 －控制系统； 13 － 直径控制传感器； 14 －氩气； 15 －硅熔体
单晶硅生长技术现状
2020/10/28
单晶硅简介
• 硅(Si)材料是信息技术、电子技术和光伏技术最 重要的基础材料。 • 从某种意义上讲, 硅是影响国家未来在高新技术 和能源领域实力的战略资源。 • 作为一种功能材料, 其性能应该是各向异性的, 因 此半导体硅大都应该制备成硅单晶, 并加工成抛 光片, 方可制造IC器件, 超过98%的电子元件都是 使用硅单晶
2020/10/28
直拉法生长单晶硅设备实物图与示意图
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： （1）多晶硅的装料和熔化 （2）引晶 （3）缩颈 （4）放肩 （5）等颈 （6）收尾
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直拉法生长单晶硅工艺流程图
目前, 直拉法生产工艺的研究热点主要有: • 先进的热场构造 • 磁场直拉法 • 对单晶硅中氧浓度的控制
直拉法生长硅单晶
• 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。
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单晶硅简介
单晶硅属于立方晶系，金刚石结构，是一种性能 优良的半导体材料。 自上世纪 40 年代起开始使用多晶硅至今，硅材料 的生长技术已趋于完善，并广泛的应用于红外光谱 频率光学元件、红外及 射线探测器、集成电路、太 阳能电池等。 此外，硅没有毒性，且它的原材料石英(SiO2)构成 了大约60%的地壳成分，其原料供给可得到充分保 障。 硅材料的优点及用途决定了它是目前最重要、产 量最大、发展最快、用途最广泛的一种半导体材料。