直拉单晶硅

熔体
d Gr ag T 2 Vk
3
对于硅而言，α=1.43×10-4℃-1，vk=3 ×10-3cm2/sec， 因此，Gr=1.56 ×104△Td3。此外，Gr的临界值为105， 而根据估计实际的Gr值高达108。除非靠其它的对流方式 加以抑制，否则CZ熔体很容易出现不稳定性。
强迫对流——晶 轴旋转的影响
直拉单晶硅
直拉单晶 硅片工艺 流程
直拉法，也叫切克劳斯基（Czochralsik）方法， 此法早在1917年由切克斯基建立的一种晶体生长方法， 后来经过很多人的改进，成为现在制备单晶硅的主要 方法。 用直拉法制备硅单晶时，把高纯多晶硅放入高纯 石英坩埚，在硅单晶炉内熔化；然后用一根固定在籽 晶轴上的籽晶插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后， 慢慢向上拉籽晶，晶体便在籽晶下端生长。
有经验的长晶操作员，即能在长晶过程中，从 晶棒的外观判断其是否为无位错单晶。
[100]晶棒的侧视图
俯视图
facet示意图
自然对流
晶棒
一般的CZ系统里，热源是由坩 埚侧面的加热器所提供，这造成熔体 的外侧温度比中心轴高，熔体底端的 温度比液面高。我们知道密度是随着 温度的升高而降低的，于是在底部的 熔体会藉着浮力往上流动，这种对流 方式称为“自然对流”。自然对流的 程度大小可由格拉斯霍夫常数来判定：
籽晶 单晶硅棒 石英坩埚 水冷炉壁 绝热石墨 加热器 石墨坩埚 石墨底盘 石墨轴承 电极
在熔体结晶过程中， 温度下降时，将产生由液态 转变成固态的相变化。为什 么温度下降，会导致相变化 的产生呢？这个问题的答案 可由热力学观点来解释。 一个平衡系统将有最低的自由能，假如一个系统的自由能 G高于最低值，它将设法降低G（即△G < 0）以达到平衡 状态。因此我们可以将△G < 0视为结晶的驱动力。 由图可知， △G < 0 亦即出现过冷度△T（ △T =Tm-T） 所以过冷度△T就是结晶的驱动力
将多晶硅原料加 到石英坩埚 多晶硅原料正在 熔化 熔化后稳定温度
籽晶浸入熔硅中
晶 颈 生长以消除位错
放肩
等径生长
收尾
直拉单晶硅棒
晶颈生长 ①将加热器降至引晶位置，坩埚也置于引晶 位置 ②引晶埚位的确定 ③引晶温度的确定
④当硅熔体的温度稳定之后，将<100>或<111>
方向的籽晶慢慢浸入硅熔体中。由于籽晶与熔硅 接触时的热应力，会使得籽晶产生位错，这些位 错必须利用晶颈生长使之消失掉。晶颈生长是将 籽晶快速往上提升，使长出的晶体的直径缩小到 一定的大小。由于位错线通常与生长轴成一个交 角，只要晶颈够长，位错便能长出晶体表面，产 生零位错的晶体。为了完全消除位错，一般的原 则是让晶体长度约等于一个晶棒的长度。
对于<111>方向而言，由于其为最紧密堆积， 所以并不需要长很细的晶颈但需要使用很快的拉 速。对于<100>而言，晶颈的直径越小，越容易消 除位错。但是当晶颈的直径过小时，晶颈可能无 法支撑晶棒本身重量而断裂。晶颈能支撑晶棒重 量的最小直径可由下式表示
d 1.608 10 DL
3
1/2
位错是可能在任何时候重新出现于晶棒内。因 为晶体硅具有很高的弹性应力，如果长晶过程造成 的热应力或机械应力小于本身的弹性应力，那么这 些应力可以在晶棒冷却过程中消失掉。但当热应力 或机械应力大于弹性应力时，位错就会形成以减小 应变。造成热应力或机械应力大于弹性应力最常见 的情况是，外来的颗粒如石英坩埚的碎片。
在CZ法里，熔体温度的不对称 性可以靠晶轴旋转来改善。如果晶轴 没有旋转，长出的晶棒的形状就不是 圆形的。晶轴旋转会使紧邻固液界面 下的熔体往上流动，再借由离心力往 外侧流动，而造成一个强迫对流区。 由晶轴旋转引起的熔体扰动的程度， 可由瑞洛尔兹常数表示
Re
s r
Vk
2
自然对流和晶轴旋转两种方式相互作用对熔体流动的影响。
Td d Ma ( ) Vk dT
Bo
Ma
d g
思考题 1、直拉单晶炉由几大部分组成？ 2、什么叫直拉单晶炉的热场 ？ 3、直拉单晶炉的合理热场条件是什么？ 4、直拉单晶硅的工艺步骤？ 5、直拉单晶硅通常选择那些晶体生长方向，为什么？ 6、直拉单晶硅中如何实现无位错生长？ 7、直拉单晶硅中熔体的对流分哪几种情况，分别用什么 常数来判断其对流的程度？
熔硅
浸入熔硅之后 位错出现在籽 晶底部
利用高拉速 在拉了一定长 拉出细长的 度的晶颈后， 晶颈 位错长出晶体
因为晶体硅是金刚 石结构，所以位错比较 容易出现在（111）面 上而沿着<110>方向延 伸生长。当晶体硅的生 长方向为<100>或 <111>时，所有的（111） 面都与生长轴成斜角， 于是位错可利用Dash technique使之长出晶 体表面而消失。
若 较小，晶体生长产生的结晶潜热不能及时散 掉，单晶硅温度会增高，结晶界面温度随着增高，熔体表 面的过冷度减小，单晶硅的正常生长就会受到影响。
dT dy 过大，结晶潜热随着及时散掉，但是，由于晶体散 S
热快，熔体表面一部分热量也散掉，结晶界面温度会降低， 表面过冷度增大，可能产生新的不规则的晶核，使晶体变 成多晶，同时，熔体表面过冷度增大，单晶可能产生大量 dT 结构缺陷。总之，晶体的纵向温度梯度 要足够大， dy S 但不能过大。
Qh
在稳定的条件下，进入系统的热量将等于输出系统的热能
Qh QL Qm Qc
Tm
温度 固态
Hale Waihona Puke Baidu
固液界面 边界层 液态
y
只有 热及时传走，散掉，保持结晶界面温度稳定。
dT dy S
dT dy 足够大时，才能单晶硅生长产生的结晶潜 S
d
在液面上浸入一个籽晶，在籽晶与熔体达 到热平衡时，液面会靠着表面张力的支撑吸附 在籽晶下方。若此时我们将籽晶往上提升，这 些被吸附着的液体也会跟着籽晶往上运动，而 形成过冷状态。过冷的液体会凝固结晶，且随 着籽晶方向长成单晶棒。
Qc
硅晶棒
加热器提供热量 Qh 结晶潜热
QL
QL
熔硅
Qm
熔体表面释放热量 Qm 晶棒表面释放热量 Qc
表面张力引起的对流
由液体的温度梯度，所造成的 表面张力的差异，而引起的对流形 态，称为表面张力对流。其对流程 度大小可由Marangoni常数来判断
d 是表面张力的温度系数。自然 dT
自然对流与表面张力对流的相对大小，可由Bond常数来 判断 Ra 2 所以在表面上较大的长晶系统 主要受自然对流控制。而表面张力对流在低重力状态（例 如太空中）及小的长晶系统，才会凸现其重要性。
形状为平面时，比较容易维持良好的晶棒品质。
d ' 是界面中心至边缘的深度。一般认为，当固液界面
散热程度大于热来源时，固液界面形状为凸形， 同理，凹形界面意味着过多的热量进入固液界面。
当固液截面形状不是平面状时，在凝固过程 中会使晶棒内产生热应力。当热应力小于弹性应 力时，这些热应力会在晶棒的冷却过程中消失掉。 若固液界面形状太徒或太凹时，热应力可能大于 弹性应力，于是晶棒内便会产生位错而失去结晶 的完美性。
熔体
强迫对流——坩 埚旋转的影响
坩埚的旋转将使坩埚外侧的熔 体往中心流动。坩埚旋转所引起的 对流程度由泰乐常数来判定
2c h 2 Ta ( ) Vk
2
坩埚的转动不仅可以改善熔体内 的热对称性，另外还可以促使熔体内 的自然对流形成螺旋状的流动路径， 增加径向温度梯度。
自然对流、晶轴旋转和坩埚旋转三种方式相互作用对熔体 流动的影响。