直拉单晶工艺学

晶体生长时，熔体温度分布离液面越远温度越高。晶体生长要稳定， 晶体生长时，熔体温度分布离液面越远温度越高。晶体生长要稳定，必须有较大的熔 体纵向温度梯。 体纵向温度梯。
晶体长大
熔体中生成晶核后，熔体开始结晶。 熔体中生成晶核后，熔体开始结晶。 晶体生成的因素： 晶体生成的因素： a.内部因素：晶体界面的曲率因素（凸形界面、凹形界面） a.内部因素 晶体界面的曲率因素（凸形界面、凹形界面） 内部因素： b.外部因素：生长界面附近的温度分布状况（结晶潜热释放速度、逸散条件） b.外部因素 生长界面附近的温度分布状况（结晶潜热释放速度、逸散条件） 外部因素： 晶体生长时径向梯度示意 T 如图
纵向温度梯度影响成晶；径向温度梯度对成晶无多大影响，对单晶质量 影响较大。
石墨件老化会引起纵向温度梯度的减小。所以石墨件有使用寿命
气氛条件下拉晶可增大纵向温度梯度。
杂质分凝效应
定义：一块有含有杂质的材料， 定义：一块有含有杂质的材料，经 熔化后再慢慢凝固， 熔化后再慢慢凝固，则固体中 各部分的杂质浓度并不相同， 各部分的杂质浓度并不相同， 这就是分凝现象。 这就是分凝现象。
0 dt/dx>0 界面凸向熔体 dt/dx=0 dt/dx<0 界面凹向熔体
x
热场配置
热场配置是将加热器、保温罩、保温盖、石墨托碗等组成一些几何形式，改变单晶炉 热场配置是将加热器、保温罩、保温盖、石墨托碗等组成一些几何形式， 内的温度分布状况。 内的温度分布状况。 热场的组合形状 a.内梯形罩（图示） a.内梯形罩 图示） 内梯形罩（ 注：目前的热场配置大部分为内梯形。 目前的热场配置大部分为内梯形。 b.外梯形短平保温罩 外梯形短平保温罩
N型/P型单晶及掺杂 /P型单晶及掺杂
拉制一定型号和一定电阻率的单晶，选择适当的掺杂剂是很 重要的。五族元素常用作硅单晶的N 重要的。五族元素常用作硅单晶的N型掺杂剂，主要有磷、 砷、锑。三族元素常用作硅单晶的P 砷、锑。三族元素常用作硅单晶的P型掺杂剂，主要有硼、 铝、镓。拉制硅单晶的电阻率范围不同，掺杂剂的形态也不 一样，拉制电阻率低（小于1欧姆· 一样，拉制电阻率低（小于1欧姆·厘米 ）的硅单晶，一般掺 三族或五族纯元素；拉制电阻率较高（大于1欧姆· 三族或五族纯元素；拉制电阻率较高（大于1欧姆·厘米）硅 单晶，采用母合金作掺杂剂。 所谓“母合金”，就是杂质纯元素与硅的合金。 采用母合金作为掺杂剂为了“稀释杂质”使掺杂量更容易控 制，更准确。
∆T S A
L L ∆T B% A S B%
K＜1时二元系相图 K＜1属于熔点低杂质 K＜1的杂质易聚集在尾部
K＞1时二元系相图 K＞1属于熔点高杂质 K＞1杂质易聚集在头部
熔体结晶时杂质分凝效应使单晶中杂质分布 不均这是它的不利方面， 不均这是它的不利方面，另一面利用杂质分 凝使杂质集中在单晶的尾部或头部， 凝使杂质集中在单晶的尾部或头部，达到提 纯物质的目的。 纯物质的目的。
掺杂计算
纯元素掺杂：纯元素掺杂量的计算主要根据单晶头、尾的电阻率，查得对应杂质浓度来确定。
公式：M =（Cs头 / K0）·（W / D）·（A / N0） 公式： M：掺杂元素重量 K0 ：所掺杂质在熔体的分凝系数 （P的分凝系数0.35，B的分凝系 数0.8～0.9 ) 的分凝系数0.35， 0.8～ Cs头：头部电阻率所对应的杂质浓 W：多晶硅重量 A：掺杂元素原子量 PA=3 D：硅的比重 d=2.33 N0：阿佛加德罗常数
掺杂 与热场
a.掺杂量大、杂质浓度高的单晶，要求晶体纵向温度梯度较小而熔体纵 a.掺杂量大、杂质浓度高的单晶，要求晶体纵向温度梯度较小而熔体纵 向温度梯度较大（考虑组分过冷）。 b.掺杂量小、杂质浓度低的单晶，要求大的纵向温度梯度；径向温度梯 b.掺杂量小、杂质浓度低的单晶，要求大的纵向温度梯度；径向温度梯 度一般取零或稍负，使生长界面平滑或微凹向熔体。
直拉单晶炉热场
静态热场——熔硅后引晶时的温度分布， 静态热场——熔硅后引晶时的温度分布， 由加热器、保温系统、坩埚位置等因素决 定。 动态热场——拉晶时的热场，由结晶潜热、 液面下降、固体表面积增加等因素决定。 常用温度梯度 温度梯度从数量上描述热系统的温度 温度梯度 分布情况。 温度梯度——指温度在某方向的变化率 指温度在某方向的变化率 温度梯度 一定距离内，某方向的温度相差越大， 单位距离内的温度变化越大，梯度就大。
赛维LDK 赛维LDK
直拉单晶工艺介绍
工艺流程
多晶硅 腐蚀、清洗 区熔单晶生长 区熔单晶硅 直拉单晶生长 直拉单晶硅
切片 磨片 抛片 抛光片、外延片
单晶硅切片
单晶硅磨片
直拉法生产硅单晶的工艺种类
真空工艺 气氛工艺
a. 流动气氛
b. 不流动气氛
减压拉晶工艺 偏心拉晶工艺
晶体与非晶体
晶体有规则的外型
小结
合理的热场分布应使纵向温度梯度尽可能大，使单晶生长有足够动力； 但不能过大，以防生成新晶核变多晶。径向温度梯度尽量接近0或等于0 但不能过大，以防生成新晶核变多晶。径向温度梯度尽量接近0或等于0， 保证结晶界面平坦。
拉晶过程中易晶变纵向温度梯度过小的可能性很大，而增大纵向温度梯 度的方法是提高坩埚位置，也可适当降低保温罩高度或增大保温盖孔。
实际结晶过程的非自发成核
晶核借助于外来固态物质的帮助在熔体中的固相界 面上或容器表面上生成，称之为非自发成核。
a. 制备单晶时，在熔体中加入晶种，在晶种上生成非自发晶 核，这样形成非自发晶核所做的功少，熔体结晶时的过冷度自 然小，自发晶核难以生成，自然容易生成单晶。（制备单晶时 应使过冷度尽量小） b. 熔体中如存在其它固体杂质，容易以该杂质为基底形非自 发晶核，不易长成单晶，直拉硅单晶生长时，坩埚边结晶与炉 臂掉渣变多晶就属于这种情况。 注：半导体材料生长多数采用加入同种固相物质起晶核作用
石墨坩埚的厚薄影响热场稳定性，厚度大热惯量大，热场对温度变化反应慢， 石墨坩埚的厚薄影响热场稳定性，厚度大热惯量大，热场对温度变化反应慢，热场较 稳定；薄坩埚热惯量小，热场对温度变化反应快，热场易变化， 稳定；薄坩埚热惯量小，热场对温度变化反应快，热场易变化，但热场温度容易调 整。
热场与产品规格的关系
晶向与热场
单晶生长时，面间距大的晶面，面间原子因距离大，吸引力小，形成 新晶核困难，因此所需的动力——过冷度要大些，生长速度要慢些。同 新晶核困难，因此所需的动力——过冷度要大些，生长速度要慢些。同 时，由于这种晶面的原子面密度大，同一面上原子间距小，晶面横向生 长快，释放较多的结晶潜热，如此必须有足够大的纵向温度梯度。 （100）面间距最小 100）面间距最小 （111）面间距最大 111）面间距最大
如水晶、明矾等，这些晶体都有规则的外形; 如水晶、明矾等，这些晶体都有规则的外形; 玻璃、松香、塑料等外表没有一定规则。
晶体具有一定熔点
将晶体和非晶体逐渐加热，每隔一定时间测量一下它们的温度，一直到 它们全部熔化成为熔体，作出温度和时间关系的曲线。 (如下图一) 如下图一)
晶体各向异性
晶体在不同方向上导热性质、力学性质、电学性质等各物理、化学性质 不同，是因为晶体各晶面格点密度的不同。 (下图二实验) 下图二实验)
ห้องสมุดไป่ตู้
图一
晶体熔化和凝固与时间关系对应曲线上出现“温度平台”是因为熔化过程中，晶体由固态向液 态变 化一过程需吸收一定的热量（熔化热），使晶体内原子有足够的能量冲破晶格束缚，破坏固态结构。 反之，凝固时过程会释放一定的结晶潜热。
图二
晶面和晶向
晶体中原子、分子或离子按一定周期性、对称性排列，把这些微粒 的重心作为一个几何点，叫做格点 格点。 格点 晶体中有无限多在空间按一定规律分布的格点，称为空间点阵 空间点阵。空 空间点阵 间点阵中，通过两个格点作一条直线，这一直线上一定含有无数格 点，这样的直线叫晶列 晶列，晶体外表的晶棱就是晶列。 晶列 通过不在同一晶列的三个格点作一平面，这平面上必包含无数格点， 这样的平面叫晶面 晶面。 晶面 晶面指数——选取x 晶面指数——选取x，y，z平行于晶胞的三条 棱标出一个晶面，标出晶面在x 棱标出一个晶面，标出晶面在x，y，z轴上的 截距，然后取截距的倒数，若倒数为分数， 则乘上它们的最小公倍数，便有h 则乘上它们的最小公倍数，便有h，k，l 的形式，而（h 的形式，而（h，k，l）即为晶面指数。 晶向——通过坐标原点作一直线平 晶向——通过坐标原点作一直线平 行于晶面 法线方向，根据晶胞棱长 决定此直线点坐标，把坐标化成整数， 用[ ]括起来表示。 ]括起来表示。 注：对于硅单晶生长，{100}晶面族的法向 注：对于硅单晶生长，{100}晶面族的法向 生长速度最快，{111}族最慢。（拉速） 生长速度最快，{111}族最慢。（拉速）
（但最能影响单晶生长的是生长界面的温度梯度。） 但最能影响单晶生长的是生长界面的温度梯度。） 晶体生长时，晶体的纵向温度梯度大于零，即离结晶面越远，温度越低。 晶体生长时，晶体的纵向温度梯度大于零，即离结晶面越远，温度越低。
注：要有足够大的晶体纵向温度梯度才能长出稳定的单晶，足够大的纵向梯度 使单晶生 要有足够大的晶体纵向温度梯度才能长出稳定的单晶， 长时产生的潜热和熔体传给晶体的热量带走，保持结晶界面的温度平衡。 长时产生的潜热和熔体传给晶体的热量带走，保持结晶界面的温度平衡。但晶体纵向温 度梯度过大会使熔体表面过冷度加大，可能产生新的晶核，使单晶变多晶。 度梯度过大会使熔体表面过冷度加大，可能产生新的晶核，使单晶变多晶。
结晶过程的宏观特性
曲线表明凝固时必须有一定的过冷度∆T结晶才能进行。即结晶只能在过冷熔体中进行。 所谓“过冷度”，指实际结晶温度与其熔点的差值，∆T=液体实际凝固温度-熔点温度。 结晶潜热的释放和逸散是影响结晶过程的重要因素。晶体熔化时吸收的热，叫熔化热， 结晶时放出的热，叫结晶潜热。
a. 结晶潜热的释放和逸散相等，结晶温度保持恒定，液体完全结晶后温度才下降。 b. 表示由于熔体冷却略快或其他原因结晶在较大的过冷度下进行，结晶较快，释放的结晶潜热大于热的逸散， 温度逐渐回升，一直到二者相等，此后，结晶在恒温下进行，一直到结晶过程结束温度才开始下降。 c. 结晶在很大的过冷度下进行，结晶潜热的释放始终小于热的逸散，结晶在连续降温过程中进行。