国内大直径直拉单晶技术
直拉单晶硅工艺技术黄有志
直拉单晶硅工艺技术黄有志直拉单晶硅工艺技术是制备单晶硅材料的一种重要方法。
该技术的发展，对于现代半导体产业的推动和发展具有重要意义。
黄有志博士是在该领域取得突破性进展的科学家之一。
以下是对其工艺技术的一些介绍。
直拉单晶硅工艺技术是制备高纯度、高晶质结构的单晶硅材料的关键技术之一。
它是将多晶硅材料通过高温熔融状态下拉制而成的。
在这个过程中，使用的原料是通常用石英砂进行还原制备的多晶硅材料，通过特定的工艺参数控制，使其在高温下逐渐冷却凝固，形成单晶硅材料。
直拉单晶硅工艺技术具有高效、高质量的特点。
首先，该工艺技术能够有效地提高单晶硅材料的纯度。
在熔融状态下，通过控制氧气处理时间和掺杂剂的加入，可以有效地去除杂质。
其次，该工艺技术能够制备出高质量的单晶硅材料。
通过控制拉伸速度和温度梯度，可以减少晶体结构的缺陷，提高晶体的完整性和结晶度。
最后，该工艺技术还具有高效率的特点。
相比于其他制备单晶硅材料的方法，直拉工艺技术可以大规模生产，并且成本低廉，适用于工业化生产。
黄有志博士在直拉单晶硅工艺技术的研究领域做出了突出的贡献。
他主要关注在工艺参数的优化和工艺过程的监控控制方面。
通过对熔融硅的温度、拉伸速度、氧气处理时间等参数的研究，他成功地优化了工艺参数，提高了单晶硅材料的质量和产量。
同时，他还研发了一套先进的监控系统，可以实时监测熔融硅的温度和拉伸速度等参数，确保工艺过程的稳定性和可控性。
黄有志博士的工艺技术在半导体产业中得到了广泛的应用。
单晶硅材料是半导体器件制备中不可或缺的基础材料，而直拉单晶硅工艺技术能够高效、高质量地制备出该材料，为半导体器件的生产提供了重要保障。
目前，黄有志博士的工艺技术已广泛应用于半导体材料制备企业中，并且取得了良好的经济效益和应用效果。
总之，直拉单晶硅工艺技术是制备高纯度、高质量的单晶硅材料的关键技术之一。
黄有志博士在该领域的研究和创新，为该技术的发展和应用做出了重要贡献。
他的工艺技术在半导体产业中得到了广泛应用，为半导体器件的制备提供了重要支持。
连续直拉单晶硅棒生产制造关键技术创新与应用
连续直拉单晶硅棒是光伏产业中非常重要的一环。
它是太阳能光伏电池的主要原料，并且在半导体电子器件的制造过程中也扮演着重要的角色。
目前，全球能源危机愈演愈烈，清洁能源行业风生水起，光伏产业正在迅速发展壮大。
而单晶硅棒的生产制造技术的创新与应用，将直接影响到光伏产业的发展速度和效率。
在这个背景下，连续直拉单晶硅棒生产制造关键技术的创新与应用问题备受关注。
1. 前言单晶硅棒的生产制造过程中，连续直拉技术是一项非常重要的技术。
传统的单晶硅生产制造工艺中，采用的是坩埚法，这种方法生产出来的硅块需要通过切片后才能得到晶体硅片。
而连续直拉技术可以直接将硅棒拉制成所需要尺寸的硅片，大大提高了生产效率，减少了生产成本，符合了清洁能源产业的要求。
连续直拉单晶硅棒的生产制造关键技术创新与应用一直备受关注。
2. 原材料准备在连续直拉单晶硅棒的生产制造过程中，高纯度硅块是原材料的重要组成部分。
传统的高纯度硅块主要通过坩埚法生产，但是这种方法存在着很多的问题：生产周期长、生产成本高、能耗大等。
研发出一种新的高纯度硅块生产工艺技术至关重要。
目前，一种叫做气相混合法的技术得到了广泛的应用。
这种方法可以将硅气和氢气在适当的温度下进行反应，形成高纯度的硅单质并在载气中传输到下游设备中，大大加快了生产速度，降低了生产成本。
3. 晶体生长连续直拉单晶硅棒的生产制造过程中，晶体生长是非常关键的一步。
要生长出高质量、无缺陷的单晶硅棒，需要精密的控制晶体生长环境和生长速度。
传统的晶体生长方法主要是采用单晶炉来进行，但这种方法存在着生产周期长、生产效率低等问题。
目前，一种叫做悬浮区法的晶体生长技术正在逐渐成熟，这种方法可以不需要借助单晶炉设备，直接在气相中进行晶体生长，大大提高了生产效率，降低了生产成本。
4. 拉晶成型在晶体生长完毕后，需要将晶体拉制成所需的直径和长度，这是整个生产过程中比较关键的一步。
传统的方法是采用拉晶机进行拉制，但是这种方法存在着生产效率低、拉晶成型不均匀等问题。
直拉单晶硅
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：
熔体
Gr agT d 3
Vk 2
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
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。
判断 Bo Ra d 2g
Ma
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。
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？
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。
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
单晶si直拉法
单晶si直拉法硅的单晶体。
具有基本完整的点阵结构的晶体。
不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。
纯度要求达到99.9999％，甚至达到99.9999999％以上。
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、稳定发展的新兴产业之一。
单晶si 单晶si片单晶si棒太阳能电池板单晶的生长方法：直拉法（CZ法）;悬浮区熔法（FZ法）；基座；片长单晶生长法；汽相生长法；铸锭法；液相外延生长法。
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。
其特点是实现晶体大直径化，设备和工艺比较成熟，该方法生产的单晶占硅单晶总量的80%以上。
直拉硅单晶生长流程：准备装炉抽空捡漏充氩气加热引晶缩细颈放肩转肩等径生长收尾降温停电停氩气停真空泵拆路直拉法单晶炉 1）籽晶旋转升降机构 2）籽晶夹头 3）炉体升降开启机构 4）上炉体 5）隔离阀 6）主炉体 7）电极8）机架 9）坩埚驱动构 10）加热器电源 11）电气箱12）Ar气管路 13）冷却水管路 14）真空管路 15）控制箱16）主炉体升降机构准备戴好口罩和一次性手套。
用用吸尘器和专用毛刷清扫炉室、真空管以及石墨器件。
更换塑料手套，用高纯纸和无水乙醇擦拭炉室、密封圈、测信号孔。
检查并确认石墨器件直拉法的优缺点：优点用直拉法生长单晶的设备和工艺比较简单，容易实现自动控制，生产效率高，易于制备大直径单晶，容易控制单晶中的杂质浓度，可以制备低电阻率单晶。
缺点多晶硅原料易被坩埚污染，硅单晶纯度降低，当硅单晶电阻率大于50欧姆厘米时质量很难控制。
直拉单晶硅工艺技术PPT课件
这种周期性规律是晶体结构中最基本的特征。有固定熔点， 各向异性。
Intensity/a.u.
◆ :CuAlO2 ▲:CuO ◆ 1200℃
◆ ▲
◆ ▲◆
1190℃
◆
◆ ▲
◆ ▲◆
1180℃
◆
◆ ▲
◆ ▲◆
1170℃
◆
◆ ▲
◆ ▲◆
1160℃
◆
◆◆ ▲ ▲◆
◆ 1150℃ ◆ ▲◆ ▲◆
20 30 40
◆◆◆
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50 60 70 80
2()
图1.5 食盐的空间点阵结构图
图1.6 不同烧结温度下通过陶瓷 的XRD图谱
紫锂辉石(Kunzite)
常林钻石 重158.786克拉 图1.7 常见的晶体
1.12晶体的几种晶面
同一个格点可以形成方向不同的晶列，每一个晶列定义了 一个方向，称为晶向。
图1.13 立方晶系中的几个晶面及晶向
1.5晶体的熔化和凝固
晶体的分类： 1.离子晶体 2.分子晶体 3.原子晶体 4.金属晶体
图1.14晶体加热或冷却的理想曲线
1.6结晶过程的宏观特征
1.15冷却曲线
1.7晶核的形成
熔体里存在晶胚，晶胚长到一定的尺寸时，形成晶核。 过冷度越大，临界半径越小。非自发成核要容易多了。
1.8二维晶核的形成
一定数量的液体原子同时落在平滑界面上的临近位置，形 成一个具有单原子厚度并有一定宽度的平面原子集团。
直拉法单晶硅 -回复
直拉法单晶硅-回复单晶硅是一种具有高纯度的硅晶体，具有优异的光电性能和热电性能，广泛应用于电子器件和太阳能电池等领域。
本文将以“直拉法单晶硅”为主题，详细介绍直拉法制备单晶硅的步骤和工艺。
一、什么是直拉法单晶硅？直拉法单晶硅是一种通过直接拉取的方法制备的高纯度硅晶体。
该方法通过溶解高纯度的多晶硅在熔融的硅熔体中，然后逐渐拉伸出一根单晶硅柱。
得到的单晶硅柱可以被切割成具有特定晶向的晶圆，用于制备半导体器件和太阳能电池等。
二、直拉法制备单晶硅的步骤：1. 原材料准备：选择高纯度的多晶硅作为原材料，通常其纯度需达到99.9999以上。
这种高纯度的多晶硅块通常是由卤化硅还原法制备而来。
2. 熔炼硅熔体：将高纯度多晶硅块放入石英玻璃坩埚中，然后将坩埚放入电阻加热炉中进行熔炼。
在特定的温度和保温时间下，多晶硅逐渐熔化成硅熔体。
3. 准备拉晶装置：将石英棒固定在拉晶装置上，调整装置的温度和拉伸速度等参数，使其适合拉晶过程。
4. 开始拉晶：将熔融的硅熔体与石英棒接触，通过向上拉伸石英棒，使熔体附着在棒的一端，并由此逐渐形成硅晶体。
拉晶过程中需要控制温度、拉伸速度以及拉伸方向等参数，以保证拉晶产生单晶硅。
5. 晶柱切割：拉晶结束后，得到的硅晶体为一根长柱状，可以根据具体需要切割成不同规格和方向的晶圆。
切割过程需要使用专业的切割设备和切割工艺，以获得所需的单晶硅片。
三、直拉法制备单晶硅的工艺特点：1. 高纯度：直拉法制备的单晶硅可以达到非常高的纯度要求，这对于一些对杂质含量极为敏感的电子器件非常重要。
2. 大尺寸：直拉法制备的单晶硅柱可以达到较大的尺寸，使得每次拉晶得到的单晶硅片面积更大，提高了生产效率。
3. 较低的缺陷密度：直拉法制备的单晶硅的晶界和缺陷密度较低，有利于提高电子器件的性能。
4. 可重复性好：直拉法制备单晶硅的过程相对稳定，能够实现较好的生产批量一致性和可重复性。
四、直拉法制备单晶硅的应用：1. 半导体器件：直拉法制备的单晶硅片广泛应用于集成电路、晶体管、场效应晶体管等半导体器件的制造。
大直径直拉单晶硅片退火前后工艺的研究
大直径直拉单晶硅片退火前后工艺的研究作者：薛佳勇来源：《科学导报·学术》2020年第70期【摘要】光学透镜所需单晶硅片直径大、厚度也较厚、电阻率高、光的透过率要求也较高。
大直径硅片均采用直拉法生产的单晶硅，在生产过程中如何保证硅片的加工质量，特别是如何有效的控制才能把单晶硅的真实的电阻率表现出来，达到其透过率要求，这些都是难点，因此利用高温退火来解决直拉单晶硅这些问题是一个最佳的选择方案。
【关键词】高温退火;空洞缺陷;残余应力;空位;空穴;缺陷引言大直径的直拉单晶硅高温退火，在国外，一般采取的方式是在拉直单晶硅后不出单晶炉，直接进行高温退火，这就是所谓的炉内高温退火的直拉大直径单晶硅;而在国内，对待大直径的直拉单晶硅采取的方式均以单晶硅片的形式来进行高温退火。
一般直径超过300mm，厚度超过50mm的直拉单晶硅片对高温退火要求是相当严格的，在高温退火过程中极容易出现炸裂的现象，同时也会有显示不出来真实的电阻率值的现象。
本文只针对大直径直拉单晶硅片，在高温退火过程中提出最基本的工艺要求。
1大直径直拉单晶硅高温退火前准备工作1.1硅片选择随着光电科学技术的突飞猛进，红外光学透镜在我国的军工领域和远体天文方面得到了广泛和长足的发展，镜头要求的直径也越来越大，厚度也逐渐增加，而且对单晶硅的内在指标的要求也越来越高，电阻率大都超过30Ω.m，其透过率要求超过52%，甚至更高。
这就要求在大直径直拉单晶硅片选择时，质量必须达到这些超高的标准，才可以制作出合格的光学透镜，所以这些高品质的光学透镜所使用的大直径单晶硅片必须要进行严格的帅选，物料一定不能存在多晶、位错、裂痕、暗纹等严重的缺陷，这些都会在退火过程中出现炸裂的现象，致使高温退火失败。
所以一定在高温退火前，将大直径直拉单晶硅片选择好。
1.2外形处理大直径直拉单晶硅片在退火前必须做好整形处理工作，外形处理首先就是要用外圆磨床对单晶硅片进行滚磨，砂轮至少要达到200目以上，这样才能得到一个良好的单晶硅片柱面;其次单晶硅片的表面应也是至关重要的，一般都要将硅片的表面进行平磨处理，使硅片的表面达到平整性好、一致性高，磨过的硅片的等厚差一般不超过20um;另外，硅片还需要进行倒角作为硅片的保护，能倒成45O的角为最好，一般达到0.5-0.7mm为宜;还有整个硅片上不应有褶皱、锯纹、线痕、崩边、凹陷等严重的几何缺陷。
《直拉法生产单晶硅用籽晶》标准
《直拉法生产单晶硅用籽晶》标准一、范围本标准规定了直拉法生产单晶硅用籽晶的技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输、贮存和订货单及交付记录格式。
本标准适用于直拉法生产单晶硅用籽晶的生产和检验。
二、规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
三、术语和定义下列术语和定义适用于本标准。
1. 籽晶seed crystal：用于直拉法生长单晶硅的引头晶体。
2. 直径diameter：籽晶的直径通常指晶体主轴的最大尺寸。
3. 长度length：籽晶的长度通常指晶体主轴的最长尺寸。
4. 弯曲度bending：籽晶弯曲的程度，通常用弯曲的最大弧度表示。
5. 翘曲度warpage：籽晶翘曲的程度，通常用翘曲的最大弧度表示。
6. 晶体取向crystal orientation：籽晶中原子排列的方向。
7. 杂质含量impurity content：籽晶中杂质的含量。
四、分类与标记1. 籽晶按直径分为不同规格，通常有3英寸（76.2mm）、4英寸（101.6mm）、6英寸（152.4mm）等。
2. 每个规格的籽晶应按其直径、长度、弯曲度、翘曲度、晶体取向和杂质含量进行标记。
五、要求1. 直径：籽晶直径应符合相关规定或客户要求。
2. 长度：籽晶长度应符合相关规定或客户要求。
3. 弯曲度：籽晶弯曲度应不大于0.5°。
4. 翘曲度：籽晶翘曲度应不大于0.2°。
5. 晶体取向：籽晶晶体取向应符合相关规定或客户要求。
6. 杂质含量：籽晶杂质含量应符合相关规定或客户要求。
7. 其他要求：根据订货单或客户要求，可对籽晶的其他性能指标进行约定。
六、试验方法1. 直径测量：采用精度不低于±0.05mm的量具进行测量。
测量时，应尽量减小测量误差。
2. 长度测量：采用精度不低于±0.1mm的量具进行测量。
直拉单晶硅工艺技术
直拉单晶硅工艺技术直拉单晶硅工艺技术是一种生产单晶硅材料的工艺方法，它能够高效地制备高纯度、高质量的单晶硅。
在电子、光伏等领域有着广泛的应用。
下面我将介绍一下直拉单晶硅工艺技术的基本原理和步骤。
直拉单晶硅工艺技术基本原理是利用熔融态下的硅液形成的“剪切层”和拉伸过程中形成的“湍流鞍点”来减小晶体发生成核的机会，实现快速生长大尺寸单晶硅。
直拉单晶硅工艺技术的步骤如下：1、硅原料准备：选择高纯度的硅原料，通常采用电石炉法或氯气法制备。
2、硅液制备：将硅原料放入特殊的熔化炉中，在高温下将硅原料熔化成液态硅。
3、净化处理：通过添加掺杂剂和进行化学处理等方式，对硅液进行净化，去除杂质和不纯物质。
4、晶体成核：将净化后的硅液脱氧，并添加少量的晶种，形成晶体的初步成核。
5、晶体生长：将晶种固定在拉伸机上，通过控制温度和拉拔速度，使晶体逐渐生长。
6、晶体拉伸：在晶体生长过程中，通过拉伸机的拉拔和旋转，将晶体朝着一个方向上不断拉长，直到达到目标长度。
7、光洁处理：将拉伸后的晶体进行光洁处理，使其表面变得光滑。
8、切割整理：将拉伸后的晶体切割成适当大小的小晶体，用于制造半导体晶体管等器件。
直拉单晶硅工艺技术的优点在于能够生长大尺寸的单晶硅，提高了生产效率和晶体质量。
同时，它还具有晶体控制性好、成本低等特点，为单晶硅领域的发展提供了重要的技术支持。
然而，直拉单晶硅工艺技术也存在一些问题。
首先，大尺寸单晶的生产周期较长，需要耗费大量的能源和物资。
其次，工艺要求严格，操作技术要求高，一旦出现操作失误，就会导致晶体质量下降。
总而言之，直拉单晶硅工艺技术是一种优质、高效的制备单晶硅材料的方法。
通过不断的技术创新和工艺改进，相信直拉单晶硅工艺技术能够继续优化，提高生产效率和质量，为电子、光伏等领域的应用提供更好的支持。
大直径直拉硅单晶炉热场的改造及数值模拟(1)
第29卷第4期 人 工 晶 体 学 报 V ol.29 N o.4 2000年11月 JOURNA L OF SY NTHETIC CRY ST A LS N ovember,2000大直径直拉硅单晶炉热场的改造及数值模拟任丙彦,刘彩池,张志成,郝秋艳(河北工业大学半导体材料研究所,天津300130)摘要:为了降低大直径硅单晶生长过程中氧的引入,对常规的406mm(16英寸)热场进行了改造。
设计了以矮加热器为核心的复合式加热器系统,使晶体生长过程中熔体热对流减小。
通过对热场的数值模拟计算,分析了热场的温度分布,发现熔体的纵向温度梯度下降,熔体热对流减小,硅单晶中氧含量降低。
关键词:直拉硅单晶;热场;加热器;热对流;氧含量;数值模拟中图分类号:O78 文献标识码:A 文章编号:10002985X(2000)0420381205 Improvement and Numeric Simulation for H eat Zone inLarge2diameter Si Single Crystals FurnaceREN Bing2yan,LIU Cai2chi,ZH ANG Zhi2cheng,H AO Qiu2yan(Institute of Sem iconductor M aterials,Hebei University of T echnology,T ianjin300130,China)(Received10March2000,accepted15June2000)Abstract:In order to reduce oxygen content in large2diameter C zochralski Si single crystal(CZSi),we have m odified the heat zone in406mm(16in.)system.Thermal convection of melthas been suppressed by our new heat system with com posite heater.Distribution of tem perature filed was calculated by numeric simulation.The result indicated that axial tem perature gradient was decreased due to the decrease of thermal convection in the melt.The concentration of oxygen in CZSi has been reduced.K ey w ords:CZSi;heat zone;heater thermal convection;oxygen concentration;numericsimulation1 引 言传统的直拉(CZ)法生长硅单晶时,氧是主要的非故意掺入的杂质[1]。
单晶小知识直拉法
－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。
广泛使用的覆盖剂为B2O3:密度1.8 g/cm3，软化温度450C，在1300 C时蒸气压仅为13 Pa，透明性好，粘滞性也好。
此种技术可用于生长GaAs、InP、GaP、GaSb和InAs等单晶。
B.悬浮区熔法
主要用于提纯和生长硅单晶；
基本原理：依*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。不使用坩埚，单晶生长过程不会被坩埚材料污染
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。
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。
大直径锗单晶制备工艺研究及其指标分析
大直径锗单晶制备工艺研究及其指标分析李宝学;赵燕;罗玉萍;孙吉单【摘要】采用直拉法(Czochralski method)生成了直径为100 mm、200 mm和300 mm的N型红外用锗单晶,研究了拉晶工艺参数对拉晶的影响,讨论了拉晶速度、成品率和单位质量锗单晶电耗与单晶直径的关系,并对不同直径单晶的晶帽差异进行分析.【期刊名称】《云南冶金》【年(卷),期】2016(045)006【总页数】3页(P50-52)【关键词】直拉法;锗单晶;工艺参数【作者】李宝学;赵燕;罗玉萍;孙吉单【作者单位】昆明云锗高新技术有限公司,云南昆明650503;昆明云锗高新技术有限公司,云南昆明650503;昆明云锗高新技术有限公司,云南昆明650503;昆明云锗高新技术有限公司,云南昆明650503【正文语种】中文【中图分类】TM924.73;O614.43+1锗是典型的稀散金属，具有很好的透红外性能，同时具备高折射指数、低色散以及良好的化学稳定性，在红外探测和激光技术中得到广泛的应用，是目前最理想的红外光学材料之一，是热成像仪光学系统(8～12 μm波段)首选材料。
红外锗单晶材料12英寸以下的锗单晶制备工艺已很成熟，但是制备12英寸以上的大直径锗单晶成功率不高，可以理解12英寸是红外级锗单晶直径的一个分界线[1]。
有报道现在国外已经可以生产直径达到520 mm的单晶，但其用途没有介绍，据推测应该是用于军工或国家战略层面的。
国防先进武器装备、激光和红外技术的发展要求制备大直径的锗单晶。
从未来发展趋势，国内急需连续稳定生产大直径锗单晶的生产线，紧跟国际前沿，打破国外的技术垄断。
锗单晶的常用制备方法有直拉法(CZ)、垂直梯度凝固法(VGF)[2]、水平区熔法、热交换法[3]、定向结晶法、斯捷潘诺夫法和旋转晶片法等[4]。
但其中适合大直径(大于12英寸)锗单晶生长的方法只有直拉法(CZ)，直拉法可制备的直径范围大、工艺最成熟、适于工业化规模生产。
直拉法单晶硅生长技术的现状
直拉法单晶硅生长技术的现状摘要综述了制造集成电路（IC）用直拉硅单晶生长的现状与发展。
对大直径生长用磁场拉晶技术，硅片中缺陷的控制与利用（缺陷工程），大直径硅中新型原生空位型缺陷，硅外延片与SOI片，太阳电池级硅单和大直径直拉硅生长的计算机模拟，硅熔体与物性研究等进行了论述。
关键词：直拉硅单晶；扩散控制；等效微重力；空洞型缺陷；光电子转换效率；硅熔体结构一、光伏产业的发展趋势，及对硅材料的前景要求，直拉法单晶硅生长技术是现在主流生长技术之一光伏产业，是一种利用太阳能电池直接把光能转换为电能的环保型新能源产业。
由于从太阳光能转换成电能的光电转换装置，是利用半导体器件的“光生伏打效应”原理进行光电转换的，因此把与太阳能发电系统构成链条关系的产业称为光伏产业。
光伏产业的链条，包括：硅矿-硅矿石（石英砂）-工业硅（也称金属硅）-多晶硅、单晶硅-晶圆或多晶硅切片-太阳能电池-组件-发电系统。
工业硅的纯度，一般为98-99.99%；太阳能级硅的纯度，一般要求在6N级即99.9999%以上。
与其他常规能源相比，光伏发电具有明显的优越性：一是高度的清洁性，发电过程中无损耗、无废物、无废气、无噪音、无毒害、无污染，不会导致“温室效应”和全球性气候变化；二是绝对的安全性，利用太阳能发电，对人、动物、植物无任何伤害或损害；三是普遍的实用性，不需开采和运输，使用方便，凡是有太阳照射的地方就能实现光伏发电，可广泛用于通信。
交通、海事、军事等各个领域，上至航天器，下至家用电器，大到兆瓦级电站，小到玩具，都能运行光伏发电；四是资源的充足性，太阳能是一种取之不尽用之不竭的自然能源。
据计算，仅一秒钟发出的能量就相当于1.3亿亿吨标准煤燃烧时所放出的热量。
而到达地球表面的太阳能，大约相当于目前全世界所有发电能力总和的20万倍。
地球每天接收的太阳能，相当于全球一年所消耗的总能量的200倍。
人类只要利用太阳每天光照的5%，就可以解决和满足全球所需能源。
硅单晶直径测量
直拉法单晶制造中的直径检测技术--------------------------------------------------------------------------------1引言近年来，特别是进入21世纪，国内半导体工业蓬勃发展。
其最重要的基本材料——硅单晶需求量迅猛增加，占据了举足轻重的地位[5]。
各地兴建单晶厂和单晶硅片生产线的报道一直不绝于耳。
随着单晶硅片制造向200～300mm大直径化发展，直拉法在单晶制造中越来越显示出其主导地位，相应的直径检测技术也在向适应大直径化发展。
2直拉法单晶制造技术直拉单晶制造法（Czochralski，CZ法）是把原料多硅晶块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化，再将一根直径只有10mm的棒状晶种（称籽晶）浸入融液中（图1）。
在合适的温度下，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。
把晶种微微的旋转向上提升，融液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。
若整个结晶环境稳定，就可以周而复始的形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶锭。
当结晶加快时，晶体直径会变粗，提高升速可以使直径变细，增加温度能抑制结晶速度。
反之，若结晶变慢，直径变细，则通过降低拉速和降温去控制。
拉晶开始，先引出一定长度，直径为3～5mm的细颈，以消除结晶位错，这个过程叫做引晶。
然后放大单晶体直径至工艺要求，进入等径阶段，直至大部分硅融液都结晶成单晶锭，只剩下少量剩料。
控制直径，保证晶体等径生长是单晶制造的重要环节。
硅的熔点约为1450℃，拉晶过程始终保持在高温负压的环境中进行。
直径检测必须隔着观察窗在拉晶炉体外部非接触式实现。
拉晶过程中，固态晶体与液态融液的交界处会形成一个明亮的光环，亮度很高，称为光圈。
它其实是固液交界面处的弯月面对坩埚壁亮光的反射。
当晶体变粗时，光圈直径变大，反之则变小。
河北工业大学科技成果——大直径区熔单晶硅(FZSi)制备技术
河北工业大学科技成果——大直径区熔单晶硅（FZSi）制备技术项目简介区熔单晶硅（FZSi）是电力电子器件用的基础材料。
电力电子器件（分立器件）是现代信息社会自动化控制的核心。
近年来，我国半导体分立器件产业一直保持平稳增长的势头，已经成为电子基础产品工业的重要组成部分。
无论是科研水平、新产品开发、还是产业发展都取得了长足的进步和发展。
2001年，我国半导体分立器件销售额占国内半导体市场销售额的21%。
据Insights预测，2004年世界半导体分立器件的消售额将从1999年的245亿美元增长到420亿美元，半导体分立器件的市场一直在稳步发展。
据海关统计，2002年我国约进口分立器件800亿只晶体管，约200亿人民币，而且还再以30%的速度增长。
在这些进口产品中，大多数是技术含量比较高的高档分立器件。
其中有些目前我国虽已能生产，但都还没有形成大规模生产能力，市场主要被外国产品占领。
我国FZ硅生产厂家约有十家，年产量不足200吨，经济效益一直比较好。
但市场缺口一直比较大。
本项目属高科技项目，河北省空白。
其工艺技术成熟，已完成中试，并已小规模进行试生产成功。
市场前景分立器件领域最有希望的产品有变容二极管、肖特基二极管、半导体放电管、开关二极管、快恢复整流二极管（片式封装）、功率半导体器件、硅及GaAs微波功率器件、电子器件等。
应用领域：手机、高频产品、每年国内用量10亿只以上；手机、PPC、HPC、PDA、音响、彩电、AC/DC、DC/DC、微波通信、雷达等领域将是应用最广泛的二极管；应用比较广泛国内市场在100亿只以上；它是过载保护器件，应用广泛，品种很多，市场达数亿只；主要节能灯用3DDI3000系列双极大功率晶体管IGBT、SIT等功率器件。
仅国内节能灯需要功率晶体管11亿只以上；主要用于通信及军事装备；发光管，特别是高亮度发光器件应用广泛。
市场前景广阔。
规模与投资年产10吨单晶硅，投资额大约3000-4000万元。
CCz连续直拉单晶简介
CCz连续直拉单晶简介CCZ技术简介要得到优质晶体，在晶体生长系统中必须建立合理的温度分布，在单晶炉的炉膛内存在不同的介质，如熔体、晶体以及品体周围的气氛等。
不同的介质具有不同的温度，就是在同一介质内，温度也不是均匀分布的，炉膛内的温度是随空间位置而变化的。
晶体生长过程中最理想的是炉内温场不随时间而变化；即温度分布与时间无关，这样的温场称稳态温场。
而实际生长过程中，炉膛中的温场随时间而变化，也就是炉内的温度是空间和时间的函数，这样的温场称为非稳温场。
根据晶体生长方式不同，当前制备单晶硅技术主要分为悬浮区熔法（FZ法）和直拉法（CZ法）两种，直拉法相对来说成本更低，生长速率较快，更适合大尺寸单晶硅棒的拉制，目前我国90%以上的太阳能级单晶硅通过直拉法进行生产，预计今后仍将大比例沿用。
Fz区熔硅CZ直拉法的原理是将高纯度的多晶硅原料放置在石英坩埚中加热熔化，再将单晶硅籽晶插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶体便会在籽晶下端生长，并随着籽晶的提拉晶体逐渐生长形成晶棒。
CZ是从熔体中生长晶体的一种常用方法，属于保守系统，它要求晶体一致共熔，其主要优点在于它是一种直观的技术，可以在短时间内生长出大而无位错的单晶。
优点：1. 便于精密控制生长条件，可以较快速度获得优质大单晶；2. 可以使用定向籽晶，选择不同取向的籽晶可以得到不同取向的单晶体；3. 可以方便地采用“回熔”和“缩颈”工艺，以降低晶体中的位错密度，提高晶体的完整性；4. 可以在晶体生长过程中直接观察生长情况，为控制晶体外形提供了有利条件；缺点：1. 一般要用坩埚作容器，导致熔体有不同程度的污染；保温材料和发热体材料杂质也属于这类污染；2. 当熔体中含有易挥发物时，则存在控制组分的困难；3. 不适合生长冷却过程中存在固态相变的材料；4．分凝系数导致溶质分布不均匀或组分不均匀；5. 随着生长过程的进行，坩埚中熔体液面会不断下降，坩埚内壁逐渐地裸露出来。
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随着国内大直径直拉单晶技术的发展，一些原先在小直径单晶中并未引起重视的问题，对大直径单晶生长的负面影响日渐显现。
大直径单晶对其生长环境有很高的稳定性要求。
本文就其中真空度的稳定和气流控制的优化两个方面，提出了改进方案，以提高大直径单晶生长的成晶率和内在品质。
关键字：直拉法；大直径单晶；真空稳定性；气流控制
1 引言
半导体技术的日新月异促使了硅单晶生长技术向大直径方向发展。
目前，国内大直径直拉单晶制造的规模化生产刚刚起步，许多技术尚处在摸索阶段。
生长无位错的大直径单晶，要求其生长环境有很高的稳定性。
这使得一些破坏单晶生长稳定性的因素，在原先小直径单晶生长中影响不大，但是对大直径单晶生长的负面影响却日渐显现。
在直拉单晶生长过程中，炉体内的气体气流由上至下贯穿单晶生长的区域，及时地带走由于高温而产生出来的硅氧化物和杂质挥发物。
因此，维持单晶炉体内真空值的稳定性，不受外界因素的影响，同时使保护气体有合理的气流走向，迅速带走杂质，已经成为目前半导体材料制造行业领域改进设备，提高成晶率的重要课题。
2 真空度的稳定性控制
高纯氩气从单晶炉顶部注入，底部由真空泵将气体抽出，炉内的真空值保持动态平衡（一般在20Torr左右）。
但由于种种外界因素的影响，这个平衡往往会受到破坏，使真空值在较大幅度内变化，特别在大直径单晶生长中的影响尤为明显。
2.1 影响真空度不稳定的因素
其一，一般设备中，氩气的进气流量是由转子流量计控制的。
转子流量计是通过改变通气孔径的大小来控制气体的流量。
它的缺点就是气流量势必随着进气口压力的改变而改变。
实际生产中，气源压力不可避免地会受到环境温度和贮罐内氩气存量的影响。
其二，真空泵是抽真空的动力设备。
在拉晶过程中，由于炉内高温而挥发出来的杂质和硅氧化物会被吸收到真空泵油中，与泵油混合在一起。
随着工作时间的增长，真空泵油的粘稠度会不断增大，导致抽真空的效率降低。
到一定程度，真空泵必须定期更换泵油。
另外，真空泵油的温度也是影响抽真空效率的因素。
2.2 改进方案
针对上面提出的两个问题，首先从氩气进气系统入手，为了保证进气速度恒定，我们用质量流量控制器（MFC）代替转子流量计。
质量流量控制器能精确地测量和控制气体的流量，它的测量技术是基于美国一个专利（美国专利号NOS.4464932、4679585）。
质量流量控制器检测的是气体的“质量流”，它只受气体自身三个特性的影响（热容量、密度、分子结构），对于某种确定的气体，上面三个参数都是确定的。
因此，MFC的测量精度不受气体的温度、压力等外在因素的影响，能在20～200SLPM的范围内达到高于1.0%的控制精度，响应时间小于2s.
其次，考虑真空抽速的控制。
我们在单晶炉与真空泵的管道上增加了步进蝶阀。
采用步进蝶阀目的是通过改变抽气通道的孔径来调节真空抽速。
这是一个闭环的控制系统，由数字真空表实时检出炉内的真空压力，把该真空值与设定真空值比较，当炉内真空值偏高，就逐渐开大步进蝶阀，提高抽气速度，降低真空值至设定点。
反之，若炉内真空值偏低，则关小步进蝶阀，减小抽气速度。
采用这样闭环系统，可以使单晶炉内真空值相当稳定，避免外界因素的干扰。
3 气流的优化控制
在单晶生长过程中，硅熔液和石英坩埚等炉内物件会由于高温产生大量硅氧化物（主要成分是SiO，也有少量SiO 2，呈黄色烟尘状）、杂质挥发物以及挥发性气体。
这些气尘粒子飘浮在单晶生长界面周围。
当减小氩气流量时，能明显看到硅熔液上方有烟尘翻腾，俗称“冒烟”。
氩气由上至下穿过单晶生长区域，带走气尘杂质。
有时，SiO粒子可能会被吸附到单晶生长界面上，造成正在生长的单晶的原子晶向发生位错，使单晶生长失败，俗称“断苞”，降低了成晶率。
由于单晶的大直径化，需要更大的硅多晶投料量，使用更大直径的石英坩埚。
自然而然，大直径单晶生长时，产生的气尘杂质会更多，增加了位错发生的机率。
所以，大直径单晶需要更迅速地排除气尘杂质。
3.1 进气口改造
为了尽可能快地带走挥发气尘，氩气流量必须足够大。
大直径单晶的氩气流量一般在60-100SLPM。
特别是对于成晶较困难的重掺单晶，由于掺杂量大，挥发物多，需要更大的氩气流量。
值得注意是，大气流量会在炉顶进气口处产生高速气流，并在气流周围形成不规则的气流旋涡。
拉晶过程中，单晶以软轴方式悬挂在钢缆上，高速气流就一阵阵旋风，吹得钢缆和单晶来回晃动，无法稳定，像极大的增加了单晶生长错位断苞的可能性。
y/ft xG
为了避免这样的情况发生，我们对氩气进气口形状作了改进。
改进后的进气口像一个环状的莲蓬头。
由原来的一个进气口，改为多个的微孔进气，并且气流方向向外发散。
这样进气口的总孔径不变，保证了大进气量，又使气流相对缓和、分散。
3.2 合理的气流流向
气流量大并不意味带走颗粒气尘的效果好，合理的气流流向是一个更加重要的因素。
当氩气穿过单晶生长的区域时，由于硅熔液面低于石英坩锅口上沿，熔液表面凹入坩锅内部，大部分气流会直接从坩锅壁外侧流向炉体下部，只有少量的气流进入石英坩埚内部，带走气尘杂质的效率自然降低了。
这种情况在坩锅内熔液越浅时，问题越严重。
为了避免这种情况的发生，在大直径、高品质单晶的拉制中，使用了导气罩技术，使气体在炉体内有合理的流向，能更有效带走杂质气尘。
使用导气罩对于大直径单晶的生长是十分重要的。
导气罩可以为气流导向，不同的作用有不同的形状设计。
这里介绍一种基本的导气罩。
首先，氩气向下进入单晶生长的区域，由一个圆筒形的导气罩直接把气流引导至坩锅内，导气罩下口沿深入坩埚内，直接作用于单晶生长面附近的气尘杂质。
然后由于坩锅内壁的导向作用，气体在熔液面上铺开后，又随坩锅内壁上升，最后从坩锅外侧流向炉体下部。
4 结语
在上面介绍的改进措施中，导气罩的使用和设计对大直径单晶生长是至关重要的，能极大地提高单晶生长的成晶率。
国内由于大直径单晶生产刚刚起步，在导气罩方面的研究还处于起步阶段。
在国外，导气罩在大直径单晶生长中已经普遍使用。
一套导气罩的成熟定型需要半导体材料制造公司付出大量的时间和资金进行反复的试验和改进。
所以，对于导气罩技术的发展各大半导体公司都有自己的专利技术，互相保密，一般拒绝参观和交流。
本文也正是因为这个原因只对导气罩技术作了原理性的分析。
关于导气罩的设计要考虑很多因素，譬如导气罩对单晶氧含量、碳含量和其他品质指标的影响；导气罩与炉内各物件合适的间隙；如何固定安装；安装后对主观察窗和侧观察窗直径检测设备的视野的影响；还有与加热器上方安装导气圈配合使用，以达到更理想的效果等等。
随着国内大直径单晶生长技术的进步，在这些方面的研究和探索十分有意义。