区熔法制备单晶硅
区熔法的应用
区熔理论在材料提纯中的应用和实现摘要：区熔法是一种利用局部区域熔化后，通过熔区的运动进行提纯的方法。
他是一种制备高纯单晶的方法，广泛应用于硅锗等单晶的制备。
区熔法主要可分为水平区熔法和悬浮区熔法两种，两种方法生产工艺不同，适用范围也不同物质的固相和液相在密度差的驱动下，均会发生运动，因而可通过区域熔炼控制或者重新分配存在于原料纸的可溶性杂质。
同时区熔法可有效消除分凝效应，也可将所期望的杂质均匀掺入晶体中，并在一定程度上控制盒消除位错、包裹体等结构缺陷。
区熔法是利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接单晶耔晶。
调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过棒料整根棒料，生长成一根单晶，晶向与耔晶晶向相同。
区熔法适宜生长那些在熔点温度时具有非常强的溶解能力的材料，可生长熔点极高或活性较强的材料，如MgO单晶，碳化物单晶和难熔金属单晶。
按其适用范围的不同，区熔法主要分为两种，即水平区熔法和悬浮区熔法。
前者主要用于锗、GaAs等材料的提纯和单晶生长。
后者主要用于制备单晶硅，这是由于硅熔体的温度高，化学性能活泼，容易受到异物的拈污，难以找到适合的舟皿。
水平区熔提纯是只把材料锭的一小部分熔化形成熔区，并使熔区从锭条的一端移到另一端。
因为每次熔化的仅是锭条的一小部分，例如，对K<1的杂质，当熔区第二次在锭首时，由于杂质浓度较高的尾部没被熔化，所以小熔区中的杂质浓度一定比原来锭的杂质浓度要小，熔区移动后，新凝固的固相杂质浓度要比第一次小。
这样当熔区一次次通过锭条时，材料就能逐渐被提纯。
当某些半导体器件或某些特殊器件对材料的纯度要求很高时，则应进行多次区熔提纯，使中间部分纯度达到要求的程度。
区熔提纯受到熔区长度、熔区移动速度、区熔次数以及质量运输等诸多因素影响。
其中，在一次区熔时，熔区长度越长，区熔效果越好，多次区熔时则刚好相反。
熔区移动速度越慢，区熔时间越久，区熔效果越好，但生产率不高，因而必须选取一个合适的熔区移动速度。
区熔法制备单晶硅
集成电路制造工艺------区熔法制备单晶硅班级：电艺3091学号：38#姓名：赵剑指导老师：张喜凤日期：2010.04.25区熔法制备单晶硅作者：赵剑（陕西国防工业职业技术学院电艺309138 西安户县 710300）【摘要】区熔法晶体生长是在本文中介绍的技术历史上早期发展起来的几种工艺之一，仍然在特殊需要中使用。
直拉法的一个缺点是坩埚中的氧进入到晶体中，对于有些器件，高水平的氧是不能接受的。
对于这些特殊情况，晶体必须用区熔法技术来生长以获得低氧含量晶体。
【关键词】区熔法、直拉法、单晶硅1引言集成电路通常用硅制造，硅是一种非常普遍且分布广泛的元素。
石英矿就是一整块二氧化硅。
尽管硅化物储量丰富，但硅本身不会自然生长，一般用大量存在的二氧化硅作原料，经过一系列的工艺步骤就可以得到多晶硅，多晶硅经过提纯就变成了高纯度的可以制作集成电路的单晶硅。
目前制备单晶硅的常用方法有直拉法和区熔法。
本文主要介绍区熔法制备单晶硅。
2单晶硅的制备区熔法又分为两种：水平区熔法和立式悬浮区熔法。
前者主要用于锗、GaAs 等材料的提纯和单晶生长。
后者主676要用于硅，这是由于硅熔体的温度高，化学性能活泼，容易受到异物的玷污，难以找到适合的舟皿，不能采用水平区熔法。
然而硅又具有两个比锗、GaAs优越的特性：即密度低(2.33g／cm3和表面张力大(0.0072N／cm)，所以，能用无坩埚悬浮区熔法。
该法是在气氛或真空的炉室中，利用高频线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触处产生熔区，然后使熔区向上移动进行单晶生长。
由于硅熔体完全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。
2.1区熔法制备单晶硅利用多晶锭分区熔化和结晶半导体晶体生长的一种方法。
区熔法是利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接单晶籽晶。
调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过整根棒料，生长成一根单晶，晶向与籽晶的相同。
区熔法又分为两种：水平区熔法和立式悬浮区熔法。
区熔法制备单晶硅
集成电路制造工艺------区熔法制备单晶硅班级：电艺3091学号：38#姓名：赵剑指导老师：张喜凤日期：2010.04.25区熔法制备单晶硅作者：赵剑（陕西国防工业职业技术学院电艺309138 西安户县 710300）【摘要】区熔法晶体生长是在本文中介绍的技术历史上早期发展起来的几种工艺之一，仍然在特殊需要中使用。
直拉法的一个缺点是坩埚中的氧进入到晶体中，对于有些器件，高水平的氧是不能接受的。
对于这些特殊情况，晶体必须用区熔法技术来生长以获得低氧含量晶体。
【关键词】区熔法、直拉法、单晶硅1引言集成电路通常用硅制造，硅是一种非常普遍且分布广泛的元素。
石英矿就是一整块二氧化硅。
尽管硅化物储量丰富，但硅本身不会自然生长，一般用大量存在的二氧化硅作原料，经过一系列的工艺步骤就可以得到多晶硅，多晶硅经过提纯就变成了高纯度的可以制作集成电路的单晶硅。
目前制备单晶硅的常用方法有直拉法和区熔法。
本文主要介绍区熔法制备单晶硅。
2单晶硅的制备区熔法又分为两种：水平区熔法和立式悬浮区熔法。
前者主要用于锗、GaAs 等材料的提纯和单晶生长。
后者主676要用于硅，这是由于硅熔体的温度高，化学性能活泼，容易受到异物的玷污，难以找到适合的舟皿，不能采用水平区熔法。
然而硅又具有两个比锗、GaAs优越的特性：即密度低(2.33g／cm3和表面张力大(0.0072N／cm)，所以，能用无坩埚悬浮区熔法。
该法是在气氛或真空的炉室中，利用高频线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触处产生熔区，然后使熔区向上移动进行单晶生长。
由于硅熔体完全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。
2.1区熔法制备单晶硅利用多晶锭分区熔化和结晶半导体晶体生长的一种方法。
区熔法是利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接单晶籽晶。
调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过整根棒料，生长成一根单晶，晶向与籽晶的相同。
区熔法又分为两种：水平区熔法和立式悬浮区熔法。
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，在熔融硅液表面悬挂一根带有小晶种的单晶硅棒，通过旋转和提升下降的方式，逐渐拉出单晶硅棒。
在拉出的过程中，控制温度和拉速，使得硅液逐渐凝固形成单晶硅。
区域熔融法是另一种常用的单晶硅生长方法。
它通过在硅片上制造一定的掺杂区域，然后加热整个硅片，使得掺杂区域熔化。
随后，通过控制温度梯度，使得熔融区域逐渐移动，最终形成单晶硅。
二、掺杂掺杂是指向硅基半导体中引入杂质，以改变其电子特性。
常用的掺杂方法有扩散法和离子注入法。
扩散法是一种常用的掺杂方法。
它通过将硅片放入含有掺杂材料的气氛中，加热至高温，使得掺杂材料扩散到硅片中。
掺杂材料可以是五价元素如磷或三价元素如硼，通过控制温度和时间，可以控制掺杂的浓度和深度。
离子注入法是另一种常用的掺杂方法。
它通过将掺杂材料的离子注入到硅片中，使得掺杂材料与硅原子发生置换。
离子注入法具有高精度和可控性，适用于制备高精度的器件。
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，用于制备各种器件结构。
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常用的薄膜沉积方法。
它通过将气体中的前驱体在高温下分解，生成沉积物质并沉积在硅基半导体表面。
化学气相沉积具有高沉积速率和均匀性好的特点，适用于大面积薄膜的制备。
物理气相沉积是另一种常用的薄膜沉积方法。
它通过将金属或合金材料蒸发或溅射到硅基半导体表面，形成薄膜。
区熔单晶硅和直拉单晶硅
区熔单晶硅和直拉单晶硅区熔单晶硅和直拉单晶硅是两种常用的单晶硅生产工艺。
单晶硅是一种高纯度的硅材料，广泛应用于半导体行业。
在制备单晶硅时，区熔和直拉是两种常见的工艺路线。
本文将对这两种工艺进行比较和介绍。
一、区熔单晶硅区熔单晶硅是一种传统的生产工艺，也是最早被应用的工艺之一。
它的主要步骤包括：选材、熔炼、晶化、切割和修整等。
1. 选材：区熔单晶硅的选材是非常关键的一步。
选材要求硅原料的纯度高，杂质含量低，以确保生产出的单晶硅具有良好的电学性能。
2. 熔炼：在区熔工艺中，硅原料被放入石英坩埚中，在高温下进行熔炼。
通过控制熔炼条件和熔炼时间，使硅原料逐渐熔化并形成单晶硅。
3. 晶化：熔融的硅原料在逐渐冷却的过程中，通过特定的方法来形成单晶硅。
晶化过程需要严格控制温度和冷却速率，以保证单晶硅的晶体结构完整性和纯度。
4. 切割：晶化后的硅块需要经过切割处理，使其成为适合半导体器件制造的单晶硅片。
切割时要保证切割面的光洁度和平整度，以提高单晶硅片的质量。
5. 修整：切割后的单晶硅片需要进行修整处理，以去除切割过程中产生的缺陷和杂质。
修整过程通常包括化学腐蚀、机械研磨和抛光等步骤。
区熔单晶硅工艺的优点是工艺成熟、可控性好，生产成本相对较低。
但是，由于区熔工艺存在晶体生长速度慢、晶体纯度不易控制等问题，生产出的单晶硅片质量相对较差。
二、直拉单晶硅直拉单晶硅是一种相对较新的生产工艺，也是目前主流的单晶硅生产工艺之一。
它的主要步骤包括：选材、熔炼、晶化、拉丝和修整等。
1. 选材：直拉单晶硅的选材要求与区熔工艺相似，同样需要高纯度的硅原料。
选材的关键是减少杂质的含量，以确保生产出高质量的单晶硅。
2. 熔炼：直拉工艺中的熔炼过程与区熔工艺类似，硅原料被放入石英坩埚中，在高温下进行熔炼。
熔炼后的硅液通过特定的方法形成一根硅棒。
3. 晶化：在直拉工艺中，硅棒从熔液中被拉出，并在拉伸过程中逐渐冷却和凝固。
通过控制拉伸速度和温度等参数，使硅棒逐渐凝固并形成单晶硅。
1单晶硅的制备
单晶硅的制备内容摘要：单晶硅是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿。
其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。
由于太阳能具有清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新1兴产业之一。
目前，制备单晶硅主要有悬浮区熔法和直拉法两种方法。
悬浮区熔法是在20世纪50年代提出看并很快被应用到晶体制备技术中。
用这种方法制备的单晶硅的电阻率非常高，特别适合制作电力电子器件。
目前悬浮区熔法制备的单晶硅仅占有很小的市场份额随着超大规模集成电路的不断发展，不但要求单晶硅的尺寸不断增加，而且要求所有的杂质浓度能得到精密控制，而悬浮区熔法无法满足这些要求，因此，直拉法制备的单晶硅越来越多地被人们所采用。
目前市场上的单晶硅绝大部分是采用直拉法制备得到的。
关键词：单晶硅非金属元素新材料用途悬浮区熔法直拉法电力电子超大规模集成电路一，直拉法:即切克老斯基法, 是用得最多的一种晶体生长技术。
拉晶过程，首先将预处理好的多晶硅装入炉内石英坩埚中，待抽真空或通入惰性气体后进行熔硅处理。
在熔硅阶段坩埚位置的调节很重要。
开始时，坩埚位置很高，待下部多晶硅熔化后，坩埚逐渐下降至正常拉晶位置。
熔硅时间不宜过长，否则掺入熔融硅中的多晶硅会挥发，而且坩埚容易被熔蚀。
待熔硅稳定后即可拉制单晶硅。
所用掺杂剂可在拉制前一次性加入，也可在拉制过程中分批加入。
1．直拉法基本原理和基本过程如下：1) 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；2) 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；3) 放肩：将晶体控制到所需直径；4) 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；5) 收尾：直径逐渐缩小，离开熔体；6) 降温：降级温度，取出晶体，待后续加工7) 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。
FZ法
1.区熔法（FZ）法
区域熔化是对锭条的一部份进行熔化，熔化的部分称为熔区，当熔区从头到尾移动一次后，杂质随熔区移到尾部。
利用这种方法可以进行多次提纯，一次一次移动熔区以达到最好的提纯效果，但由于液固相转变温度高，能耗大，多次区熔提纯成本高。
区熔法有水平区熔和悬浮区熔，前者主要用于锗提纯及生长锗单晶，硅单晶的生长则主要采用悬浮区熔法，生长过程中不使用坩埚，熔区悬浮于多晶硅棒和下方生长出的单晶之间。
由于悬浮区熔时，熔区呈悬浮状态，不与任何物质接触，因而不会被沾污。
此外，由于硅中杂质的分凝效应和蒸发效应，可获得高纯单晶硅。
目前航天领域用的太阳电池所用硅片主要用这种方式生长。
2.区熔法生产单晶示意图。
单晶制备方法
直拉法制单晶硅和区熔法晶体生长第一节概述多晶硅是单质硅的一种形态。
熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。
多晶硅可作拉制单晶硅的原料，多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。
例如，在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，远不如单晶硅明显；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。
在化学活性方面，两者的差异极小。
多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别，但真正的鉴别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻率等。
多晶硅由很多单晶组成的，杂乱无章的。
单晶硅原子的排列都是有规律的，周期性的，有方向性。
当前生长单晶主要有两种技术：其中采用直拉法生长硅单晶的约占80%，其他由区溶法生长硅单晶。
采用直拉法生长的硅单晶主要用于生产低功率的集成电路元件。
例如：DRAM,SRAM,ASIC电路。
采用区熔法生长的硅单晶，因具有电阻率均匀、氧含量低、金属污染低的特性，故主要用于生产高反压、大功率电子元件。
例如：电力整流器，晶闸管、可关断门极晶闸管（GTO）、功率场效应管、绝缘门极型晶体管（IGBT）、功率集成电路（PIC）等电子元件。
在超高压大功率送变电设备、交通运输用的大功率电力牵引、UPS电源、高频开关电源、高频感应加热及节能灯用高频逆变式电子镇流器等方面具有广泛的应用。
直拉法比用区溶法更容易生长获得较高氧含量（12`14mg/kg）和大直径的硅单晶棒。
根据现有工艺水平，采用直拉法已可生产6`18in （150`450mm）的大直径硅单晶棒。
而采用区溶法虽说已能生长出最大直径是200mm的硅单晶棒，但其主流产品却仍然还是直径100`200mm的硅单晶。
区熔法生长硅单晶能够得到最佳质量的硅单晶，但成本较高。
若要得到最高效率的太阳能电池就要用此类硅片，制作高效率的聚光太阳能电池业常用此种硅片。
单晶硅的制备
制备过程中设备的使用方法及注意事项
电阻炉使用
需要先将硅原料放入炉中，然后 升温至熔点以上，进行熔化和提 纯。在晶体生长阶段，需要控制 好温度场和热场分布，以确保硅 晶体质量。
真空系统使用
在熔化阶段和晶体生长阶段都需 要将炉内压力抽到低真空状态， 以减少气体杂质和微小颗粒物对 硅质量的影响。
通过控制气氛压力和流量，减少外部杂质对 单晶硅的污染，提高单晶硅的纯度。
化学成分控制与单晶硅 性能
籽晶选择与处理与单晶 硅稳定性
通过控制硅熔体中的化学成分，调整单晶硅 的物理、化学性能，如硬度、电学性能等。
选用高质量的籽晶并通过一定的处理方法提 高其质量和稳定性，有利于提高单晶硅的整 体稳定性和一致性。
提高单晶硅的纯度和质量，以满足不断发展的光伏和 半导体行业的需求。
研究单晶硅的微纳结构与性能关系，为开发高效、低 成本的光电器件提供基础。
探索新的单晶硅制备技术，降低生产成本和提高生产 效率。
针对不同应用领域，研究具有特殊性能的单晶硅材料 及其制备技术。
单晶硅制备技术的经济性和环保性分析
单晶硅制备技术具有较高的生产效率和产品质量，因此具有较好的经济性。
05
单晶硅制备的实验方案设计和优化
实验方案设计的基本原则和流程
基于单晶硅的生长机制和制备需求，设计实验方 案时应遵循以下原则
纯净原料：选用高纯度原料，避免杂质引入，提 高单晶硅的质量和性能。
优化工艺参数：通过研究和实验，不断优化工艺 参数，包括温度、压力、熔体流动速率等，以提 高单晶硅的生长质量和效率。
严格控制生长过程：在单晶硅的生长过程中，应 控制好坩埚内的气氛、熔化温度、结晶速率等关 键因素，以获得高质量的单晶硅。
单晶硅的制备
把高纯度晶硅原料放入高纯石英坩埚中，然后把硅料熔 化为液体硅，然后人为地用一根籽晶（单晶）进行引晶， 并通过控制温度和生长速度的方法人为的控制单晶棒直
径，来达到我们所需要的单晶棒。
生长单晶的条件比较严格，要在保护气体（一般是氩气） 下进行，对真空度有严格要求，单晶炉如果漏水或漏气 也会对拉晶造成非常严重的影响，另外拉单晶这对单晶 炉的机械性能及操作人员的技术能力有很高的要求。
引晶：引晶是整个拉晶的基础，能不能引出高质量 的单晶是能不能拉出高质量单晶的关键。引晶最关 键的是要如何找出引晶的温度并预判温度的大致变 化，学会根据引晶情况来调节温度对单晶生产来说 是至关重要的。 放肩：放肩是引晶和等径之间的一个步骤，其目的 是为了使晶体在直径上最大，达到我们的要求直径， 生产出合格的晶体。放肩通常是通过降低熔硅温度 和降低生长速度来实现的。在放肩过程中，切记不 要频繁地调节温度，以免造成液面温度的剧烈变化 而坏苞，最好在引晶过程完成后根据炉内的温度情 况一次性降温。
转肩：转肩的过程与放肩的过程有点相反，它是晶体直 径达到一定要求后，通过人为地提升拉速和升温来限制 晶体直径的继续长大，达到我们所要求的直径。转肩的 关键是转肩技术提升多少速度？升多少温度？直径如何 恰到好处？都是比较关键的技术。 等径：等径是拉晶的一部分，我们是拉晶的主体，我们 所做的一切工作都是为了拉出符合直径要求的晶棒，也 就是等径部分才是我们的主要产品。在等径过程中，要 时刻观察炉内直径的变化情况和晶体的生长情况，以免 意外发生。在等径过程中，最常发生的事故是直径失控 和温度突变，最常见的是掉苞。如果发生掉苞，要根据 实际情况处理。如果已拉出的晶棒已经很长，可以有一 定的产量产出，就要视情况把晶棒取出，余料再拉一根 单晶。如果坏苞时已拉出的晶体很小或根本不能出产量， 就回熔。总之掉苞的情况各种各样、问题不一，处理办 法也不是千篇一律。
区熔硅
区熔硅单晶区熔硅单晶(float zonesilicon crystal)用区熔法单晶生长技术制备的半导体硅材料，是重要的硅单晶产品。
由于硅熔体与坩埚容器起化学作用，而且利用硅表面张力大的特点，故采用悬浮区熔法，简称FZ法或FZ单晶。
CZ法(直拉法）的单晶拉制在国内比较普遍，且容易实现，主要是将多晶硅料放在坩埚中，加热后将融融态硅提拉出来，且单晶炉价格较FZ法拉制的设备便宜很多，FZ法（区熔法）时利用铜线圈将多晶硅园棒的料局部融化拉制，纯度较高。
两者拉出的单晶所用的范围不太相同。
区熔法为将一多晶硅棒(Polysilicon Rod)通过环带状加热器，以产生局部融化现象，再控制凝固过程而生长单晶棒。
CZ法利用旋转着的籽晶从坩埚中的熔体中提拉制备出单晶的方法，又称提拉法、直拉法。
1918年波兰人J. Czochralski 曾用此法测定结晶速率而得名。
就技术方面而言，CZ法较容易及较低成本增加晶圆的尺寸，以吻合微电子元件制造业要求大尺寸、高纯度、高生产率的趋向。
但区熔法所生成的晶圆有较低的含氧量，较少SiO2析出物及低机械强度，进而相对有较低电子元件产出率。
特点和应用由于不用坩埚，避免了来自坩埚的污染，而且还可以利用悬浮区熔进行多次提纯，所以单晶的纯度高。
用于制作电力电子器件、光敏二极管、射线探测器、红外探测器等。
Fz单晶的氧含量比直拉硅单晶(见半导体硅材料)的氧含量低2～3个数量级，这一方面不会产生由氧形成的施主与沉积物，但其机械强度却不如直拉单晶硅，在器件制备过程中容易产生翘曲和缺陷。
在Fz单晶中掺入氮可提高其强度。
工艺特点大直径生长，比直拉硅单晶困难得多，要克服的主要问题是熔区的稳定性。
这可用“针眼技术”解决，在FZ法中这是一项重大成就。
另一项重大成就是中子嬗变掺杂。
它使电力电子器件得到飞跃发展。
Fz技术无法控制熔体对流和晶／熔边界层厚度，因而电阻率的波动比cZ单晶大。
高的电阻率不均匀性限制了大功率整流器和晶闸管的反向击穿电压。
区熔法制备单晶硅工艺流程
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第四五讲-单晶硅制备
坩埚
单晶炉中所使用的坩埚，由石英坩 埚和石墨坩埚两种。石英坩埚放置 在石墨坩埚中，多晶硅原料放置在 石英坩埚中。
导流筒
导流筒主要是用来隔断热场内部 和外部，使外部的温度大大小于 内部，从而起到加快单晶拉速的 作用，同时也起到导流的作用。
加热器
加热器连接石墨电极，石墨电极连 接炉体电极。电流通过电极传到加 热器，并利用电流穿过加热器所产 生的热量，达到熔融多晶硅和持续 提供热量的作用。
拉晶过程中的保护气流
2、利用热场形成温度梯度 热场（hot zone)是由高纯石墨部件和保温材料（碳毡）组成。 ➢ 石墨加热器：产生热量，熔化多晶硅原料， 并保持熔融硅状态；
➢ 石墨部件：形成氩气流道，并隔离开保温 材料；
➢ 保温材料：保持热量，为硅熔液提供合适 的温度梯度。
单晶热场温度分布
3 晶转、晶升、埚转和埚升
4、 石英坩埚
两个检查步骤
主要检查事项： ➢ 1未熔物； ➢ 2白点和白色附着物； ➢ 3杂质（包括黑点）； ➢ 4划伤和裂纹； ➢ 5气泡； ➢ 6凹坑和凸起； ➢ 7坩埚重量。
1 未熔物：不允许有未熔物存在；
2 白点数量：
Item 22′
>13.0mm 0
6.0~13.0mm 2
3 黑点数量：
这是指正晶向的情况。如果籽晶的晶向偏高度较大，或者 安装固定籽晶时发生了较大偏 离，生长出来的单晶，对称 性就差一些，相邻棱线之间的夹角有宽有窄，不但影响成 晶率，均匀性变差，晶向偏离大，切片也受影响。
单晶炉拉晶籽晶
规格 直径（mm） 长度(mm) 位错 晶向偏差
方籽晶 圆籽晶
10×10或 12×12
3 、自动控制
1 ）温度自动控制
单晶硅生产工艺
单晶硅生产工艺一、单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。
熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。
单晶硅棒是生产单晶硅片的原材料，随着国内和国际市场对单晶硅片需求量的快速增加，单晶硅棒的市场需求也呈快速增长的趋势。
单晶硅圆片按其直径分为6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米）等。
直径越大的圆片，所能刻制的集成电路越多，芯片的成本也就越低。
但大尺寸晶片对材料和技术的要求也越高。
单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。
直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。
直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。
目前晶体直径可控制在Φ3~8英寸。
区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化、节能灯、电视机等系列产品。
目前晶体直径可控制在Φ3~6英寸。
外延片主要用于集成电路领域。
由于成本和性能的原因，直拉法（CZ）单晶硅材料应用最广。
在IC工业中所用的材料主要是CZ抛光片和外延片。
存储器电路通常使用CZ抛光片，因成本较低。
逻辑电路一般使用价格较高的外延片，因其在IC制造中有更好的适用性并具有消除Latch－up的能力。
单晶硅也称硅单晶，是电子信息材料中最基础性材料，属半导体材料类。
单晶硅已渗透到国民经济和国防科技中各个领域，当今全球超过2000亿美元的电子通信半导体市场中95%以上的半导体器件及99%以上的集成电路用硅。
二、硅片直径越大，技术要求越高，越有市场前景，价值也就越高。
日本、美国和德国是主要的硅材料生产国。
中国硅材料工业与日本同时起步，但总体而言，生产技术水平仍然相对较低，而且大部分为2.5、3、4、5英寸硅锭和小直径硅片。
电池系列之直拉法与区熔法
电池系列之直拉法与区熔法一、基本概念1、CZ直拉法（CZ）全称Czochralski，是生产单晶硅棒最常用的工艺，将多晶体硅料放入坩埚中加热熔化，待温度合适后，经过将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、转肩、等径、收尾等步骤，完成一根单晶锭的拉制。
2、区熔法如果需要生长及高纯度的硅单晶，其技术选择是悬浮区熔提炼，该项技术一般不用于GaAs。
区熔生长技术的基本特点是样品的熔化部分是完全由固体部分支撑的，不需要坩埚。
3、各向异性晶体的各向异性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同，这就是晶体的各向异性。
晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的弹性模量、硬度、断裂抗力、屈服强度、热膨胀系数、导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强度、磁化率和折射率等都是不同的。
二、引发讨论的原贴太阳能级硅单晶切片产品规格三、答疑解惑阅读原贴后提出了三个疑问，首先来看第一个。
Q1：为啥制备法限定直拉法？不是说悬浮区熔法得到的棒子纯度更高吗？是因为成本问题吗？两种方法制得的硅棒成本比大概是多少呢？最佳回答：区融法得到的是高纯单晶硅，制备方法一般是将一根多晶硅棒悬浮区融，将杂质赶到硅棒的另一侧，这样得到的是低杂质浓度、更低缺陷的单晶硅。
因为材料非常纯，电阻值非常大，一般在变压器中使用，是不会用作电池材料的。
区融法的棒子非常贵，成本确实高。
培养一个直拉法做单晶硅棒的人才一般需要3个月，区融法人才一年能培养出来就不错了，设备也很贵，原料也贵。
Q2：我知道晶体具有各向异性的特征，那么<100>±3°的晶向具有哪些物理性质和化学性质呢？或者干脆问100、110、111三种晶向的物理和化学性质各有什么不同？最佳回答：画一个单晶硅晶胞，你会发现，不同晶向的原子面密度不一样，化学键强度也不一样，破坏所需要的能量也就不一样。
碱腐蚀就是利用不同晶向的化学键强度不同腐蚀的，俗话说柿子要捡软的捏，一个道理，都是键强不同的结果。
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集成电路制造工艺------区熔法制备单晶硅班级：电艺3091学号：38#*名：**指导老师：***日期：2010.04.25区熔法制备单晶硅作者：赵剑（陕西国防工业职业技术学院电艺309138 西安户县 710300）【摘要】区熔法晶体生长是在本文中介绍的技术历史上早期发展起来的几种工艺之一，仍然在特殊需要中使用。
直拉法的一个缺点是坩埚中的氧进入到晶体中，对于有些器件，高水平的氧是不能接受的。
对于这些特殊情况，晶体必须用区熔法技术来生长以获得低氧含量晶体。
【关键词】区熔法、直拉法、单晶硅1引言集成电路通常用硅制造，硅是一种非常普遍且分布广泛的元素。
石英矿就是一整块二氧化硅。
尽管硅化物储量丰富，但硅本身不会自然生长，一般用大量存在的二氧化硅作原料，经过一系列的工艺步骤就可以得到多晶硅，多晶硅经过提纯就变成了高纯度的可以制作集成电路的单晶硅。
目前制备单晶硅的常用方法有直拉法和区熔法。
本文主要介绍区熔法制备单晶硅。
2单晶硅的制备区熔法又分为两种：水平区熔法和立式悬浮区熔法。
前者主要用于锗、GaAs 等材料的提纯和单晶生长。
后者主676要用于硅，这是由于硅熔体的温度高，化学性能活泼，容易受到异物的玷污，难以找到适合的舟皿，不能采用水平区熔法。
然而硅又具有两个比锗、GaAs优越的特性：即密度低(2.33g／cm3和表面张力大(0.0072N／cm)，所以，能用无坩埚悬浮区熔法。
该法是在气氛或真空的炉室中，利用高频线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触处产生熔区，然后使熔区向上移动进行单晶生长。
由于硅熔体完全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。
2.1区熔法制备单晶硅利用多晶锭分区熔化和结晶半导体晶体生长的一种方法。
区熔法是利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接单晶籽晶。
调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过整根棒料，生长成一根单晶，晶向与籽晶的相同。
区熔法又分为两种：水平区熔法和立式悬浮区熔法。
前者主要用于锗、GaAs等材料的提纯和单晶生长。
后者主676要用于硅，这是由于硅熔体的温度高，化学性能活泼，容易受到异物的玷污，难以找到适合的舟皿，不能采用水平区熔法。
然而硅又具有两个比锗、GaAs优越的特性：即密度低(2.33g／cm3和表面张力大(0.0072N／cm)，所以，能用无坩埚悬浮区熔法。
该法是在气氛或真空的炉室中，利用高频线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触处产生熔区，然后使熔区向上移动进行单晶生长。
由于硅熔体完全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。
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。
采用单匝盘形加热线圈，熔区上方的多晶棒和下方的单晶棒的直径均可大于线圈的内径。
区熔时熔区不与任何异物接触，不会受到玷污，还有硅中杂质的分凝效应和蒸发效应，生长出的单晶纯度很高。
用中子嬗变掺杂方法，就能获得电阻率高、均匀性好的硅单晶。
可用于高电压大功率器件上，如可控硅、可关断晶闸管等。
这些器件被广泛地用在近代的电力机车、轧钢机、冶金设备、自动控制系统以及高压输配电系统中。
来生长单晶体的方法。
将棒状多晶锭熔化一窄区,其余部分保持固态,然后使这一熔区沿锭的长度方向移动，使整个晶锭的其余部分依次熔化后又结晶。
区熔法可用于制备单晶和提纯材料,还可得到均匀的杂质分布。
这种技术可用于生产纯度很高的半导体、金属、合金、无机和有机化合物晶体（纯度可达10-6～10-9）。
在头部放置一小块单晶即籽晶，并在籽晶和原料晶锭相连区域建立熔区，移动晶锭或加热器使熔区朝晶锭长度方向不断移动。
区域熔化法是按照分凝原理进行材料提纯的。
杂质在熔体和熔体内已结晶的固体中的溶解度是不一样的。
在结晶温度下,若一杂质在某材料熔体中的浓度为c,结晶出来的固体中的浓度为c s，则称K=c L/c s为该杂质在此材料中的分凝系数。
LK的大小决定熔体中杂质被分凝到固体中去的效果。
K＜1时，则开始结晶的头部样品纯度高，杂质被集中到尾部;K＞1时,则开始结晶的头部样品集中了杂质而尾部杂质量少。
，使单晶不断长大。
为经过一次区熔后不同K值的杂质分布。
区熔可多次进行，也可以同时建立几个熔区提纯材料。
通常是在提纯的最后一次长成单晶。
有时,区熔法仅用于提纯材料,称区熔提纯。
区熔夷平是使熔区来回通过材料，从而得到杂质均匀分布的晶锭。
区熔法生长晶体有水平区熔和垂直浮带压熔两种形式。
2.1.1 水平区熔法将原料放入一长舟之中，舟应采用不沾污熔体的材料制成，如石英、氧化镁、氧化铝、氧化铍、石墨等。
舟的头部放籽晶。
加热可以使用电阻炉，也可使用高频炉。
用此法制备单晶时，设备简单，与提纯过程同时进行又可得到纯度很高和杂质分布十分均匀的晶体。
但因与舟接触，难免有舟成分的沾污，且不易制得完整性高的大直径单晶。
2.1.2垂直浮带区熔法用此法拉晶时，先从上、下两轴用夹具精确地垂直固定棒状多晶锭。
用电子轰击、高频感应或光学聚焦法将一段区域熔化，使液体靠表面张力支持而不坠落。
移动样品或加热器使熔区移动。
这种方法不用坩埚，能避免坩埚污染，因而可以制备很纯的单晶和熔点极高的材料（如熔点为3400℃的钨），也可采用此法进行区熔。
大直径硅的区熔是靠内径比硅棒粗的“针眼型”感应线圈实现的。
为了达到单晶的高度完整性，在接好籽晶后生长一段直径约为2～3毫米、长约10～20毫米的细颈单晶，以消除位错。
此外,区熔硅的生长速度超过约5～6毫米/分时，还可以阻止所谓漩涡缺陷的生成。
为确保生长沿所要求的晶向进行，也需要使用籽晶，采用与直拉单晶类似的方法，将一个很细的籽晶快速插入熔融晶柱的顶部，先拉出一个直径约3mm，长约10-20mm的细颈，然后放慢拉速，降低温度放肩至较大直径。
顶部安置籽晶技术的困难在于，晶柱的熔融部分必须承受整体的重量，而直拉法则没有这个问题，因为此时晶定还没有形成。
这就使得该技术仅限于生产不超过几公斤的晶锭用区熔法单晶生长技术制备的半导体硅材料，是重要的硅单晶产品。
由于硅熔体与坩埚容器起化学作用，而且利用硅表面张力大的特点，故采用悬浮区熔法，简称FZ法或FZ单晶。
特点和应用由于不用坩埚，避免了来自坩埚的污染，而且还可以利用悬浮区熔进行多次提纯，所以单晶的纯度高。
用于制作电力电子器件、光敏二极管、射线探测器、红外探测器等。
Fz单晶的氧含量比直拉硅单晶(见半导体硅材料)的氧含量低2～3个数量级，这一方面不会产生由氧形成的施主与沉积物，但其机械强度却不如直拉单晶硅，在器件制备过程中容易产生翘曲和缺陷。
在Fz单晶中掺入氮可提高其强度。
工艺特点大直径生长，比直拉硅单晶困难得多，要克服的主要问题是熔区的稳定性。
这可用“针眼技术”解决，在FZ法中这是一项重大成就。
另一项重大成就是中子嬗变掺杂。
它使电力电子器件得到飞跃发展。
Fz技术无法控制熔体对流和晶／熔边界层厚度，因而电阻率的波动比cZ单晶大。
高的电阻率不均匀性限制了大功率整流器和晶闸管的反向击穿电压。
利用中子嬗变掺杂可获得掺杂浓度很均匀的区熔硅(简称NTD硅)，从而促进了大功率电力电子器件的发展与应用。
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。
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。
其中漩涡缺陷有A、B、C和D四种，其特性及易出现的主要条件列于表1。
漩涡缺陷有害，它使载流子寿命下降，进而导致器件特性劣化。
在器件工艺中它可转化为位错、层错及形成局部沉淀，从而造成微等离子击穿或使PN 结反向电流增大。
这种缺陷不仅使高压大功率器件性能恶化，而且使CCD产生暗电流尖峰。
在单晶制备过程中减少漩涡缺陷的措施有尽量降低碳含量、提高拉晶速度等。
’90年代的水平90年代以来达到的是：区熔硅单晶的最大直径为150mm，并已商品化，直径200mm的产品正在试验中。
晶向一般为<111)和<100>。
(1)气相掺杂区熔硅单晶。
N型掺磷、P型掺硼。
无位错、无漩涡缺陷。
碳浓度[C。
]<2×10“at／cm3，典型的可<5×1015at／cm3。
氧浓度<1×1016at／cm3。
电阻率范围和偏差列于表2，少子寿命值列于表3。
(2)中子嬗变掺杂(NTD)硅单晶。
N型掺杂元素磷，无位错、无漩涡缺陷。
碳浓度[C。
]<2×1016at／cm3，典型的可<5×1015at／cm3，氧浓度<1×1016at／cm3，电阻率范围和偏差及少子寿命值列于表4。
3 区熔法制备单晶硅的工业流程及具体步骤：主要用于提纯和生长硅单晶；其基本原理是：依靠熔体的表面张力，使熔区悬浮于多晶硅棒与下方生长出的单晶之间，通过熔区向上移动而进行提纯和生长单晶。
区熔法制备单晶硅具有如下特点：1.不使用坩埚，单晶生长过程不会被坩埚材料污染2.由于杂质分凝和蒸发效应，可以生长出高电阻率硅单晶单晶硅建设项目具有巨大的市场和广阔的发展空间。
在地壳中含量达25.8%的硅元素，为单晶硅的生产提供了取之不尽的源泉。
近年来，各种晶体材料，特别是以单晶硅为代表的高科技附加值材料及其相关高技术产业的发展，成为当代信息技术产业的支柱，并使信息产业成为全球经济发展中增长最快的先导产业。
单晶硅作为一种极具潜能，亟待开发利用的高科技资源，正引起越来越多的关注和重视。
与此同时，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家正掀起开发利用太阳能的热潮并成为各国制定可持续发展战略斩重要内容。
在跨入21世纪门槛后，世界大多数国家踊跃参与以至在全球范围掀起了太阳能开发利用的“绿色能源热”，一个广泛的大规模的利用太阳能的时代正在来临，太阳能级单晶硅产品也将因此炙手可热。
此外，包括我国在内的各国政府也出台了一系列“阳光产业”的优惠政策，给予相关行业重点扶持，单晶硅产业呈现出美好的发展前景。
单晶硅性质；单晶硅具有金刚石晶格。
晶体硬而脆具有金属光泽。
能导电。
但导电率不及金属。
局随温度升高而增加。
具有半导体性质。
单晶硅石重要的半导体材料，在单晶硅中掺入微量的IIIA族元素。
形成p型半导体。
掺入微量的第vA族元素。
形成N型和P型导体结合在一起。
就可以做成太阳能电池。
将辐射能转变为电能。
在开发电能方面是一种很有前途的材料。
3 单晶硅的发展前景：单晶硅是电力工业的粮食。
基于区熔硅片的电力电子技术的飞速发展被称为“硅片引起的第二次革命”。
近年来，区熔硅单晶开始进入绿色能源领域。