直拉法大直径硅单晶
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。
集成电路制造技术-原理与工艺 课后习题答案
第二单元
3. 欲对扩散杂质起有效的屏蔽作用,对 SiO2 膜有何要求? 答:硅衬底上的 SiO2 要能够当做掩膜来实现定域扩散，需要 xSiO2 满足 下列条件： 预生长的 SiO2 膜具有一定的厚度， 同时杂质在衬底硅中的 扩散系数 DSi 要远远大于其在 SiO2 中的扩散系数 DSiO2，而且 SiO22 表 面杂质浓度与 Si/ SiO2 界面杂质浓度之比达到一定数值，可保证 SiO2 膜起到有效的掩膜作用。
是在高真空溅射时，在衬底正上方插入一块高纵横比 孔的平板，称为准直器。溅射原子的平均自由程足够 长，则在准直器与衬底之间几乎不会发生碰撞。因 此， 。 。 。
16.以铝互连系统作为一种电路芯片的电连系统时，若分别采用真空 蒸镀和磁控溅射工艺淀积铝膜， 应分别从哪几个方面来提高其台阶覆 盖特性？ 真空蒸镀： 通过衬底加热和衬底旋转能够改善真空蒸镀的台阶覆盖特 性。P214
磁控溅射：充分升高衬底温度，在衬底上加射频电压，采用强迫填充 技术，采用准直溅射技术。P224
工艺 APCVD (常压 CVD) 反应简单 淀积速度快 低温 高纯度和均匀性， 一致的台阶覆盖能力，大 的硅片容量 优点 缺点 台阶覆盖能力差, 有颗粒沾污 低产出率 高温，低的淀积速率，需 要更多的维护，要求真空 系统支持 应用 低温二氧化硅 (掺杂或不掺杂).
LPCVD (低压 CVD) 等离子体辅助 CVD: 等离子体增强 CVD (PECVD) 高密度等离子体 CVD (HDPCVD)
6. 硅气相外延工艺采用的衬底不是准确的晶向 , 通常偏离 [100] 或 [111]等晶向一个小角度,为什么?
答： 在外延生长过程中， 外延气体进入反应器， 气体中的反应剂气相输运到衬底，
பைடு நூலகம்
硅的直拉法单晶生长
直拉法是运用熔体的冷凝结晶驱动原理， 在固液界面处，藉由熔体温度下降，将 产生由液态转换成固态的相变化。当前 国际上供应单晶硅生长设备的主要著名 厂商是美国KAYEX公司和德国CGS公司。 这两个公司能供应生长不同直径的单晶 硅生长设备，尤其是生长直径大于 200ram的单晶硅生长设备系统。
为了生长质量合格(硅单晶电阻率、氧含量及氧浓度分 布、碳含量、金属杂质含量、缺陷等)的单晶硅棒，在 采用直拉法生长时，必须考虑以下问题。首先是根据技 术要求，选择使用合适的单晶生长设备；其次是要掌握 一整套单晶硅的制备工艺、技术，包括： (1)单晶硅系 统内的热场设计，确保晶体生长有合理稳定的温度梯度； (2)单晶硅生长系统内的氩气气体系统设计； (3)单晶
• 直拉法的基本过程:
• 1. 引晶：通过电阻加热，将装在坩埚中的 多晶硅熔化，并保持略高于硅熔点的温度， 将籽晶浸入熔体，然后以石英一定速度向上 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。
孔；
5一放肩；6一缩颈； 7一图像传感
器；
8一卷轴旋转系统； 9一提拉
绳； 10一至真空泵； 11一光学系统； 12一石
英坩埚； 13一石墨托； 14一石墨加热器；
15一保温罩
熔体的流动 在Cz晶体生长过程中，熔体流动状态
非常复杂，由于熔体不透明，难以直接观察；因
此，常常用数字模拟，实验模拟，以及用x光照射
硅的直拉法单晶生长
了解单晶硅
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。
直拉法生产硅单晶中的石英坩埚选用
直拉法生产硅单晶中的石英坩埚选用直拉法生产硅单晶，必须使用石英坩埚。
石英坩埚按生产的硅单晶的级别分类有电子级和太阳能级，而电子级又根据产品的类别对石英坩埚有不同的要。
多年来通过石英坩埚及硅材料厂家的相互配合与支持，石英坩埚的工艺技术、产品质量都得到了长足的进步：部分替代进口，而且批量出口，国产坩埚在国际市场争得了一席之地。
但是应该看到，国产石英坩埚与国外高品质的石英坩埚在工艺技术和产品性能方面还有一定的距离。
国产石英坩埚与进口石英坩埚对比1.产品标准目前国内能生产电子级石英坩埚的厂家有十多家，具有一定规模、产品规格较齐全的有锦州圣戈班石英公司、菲利华石英玻璃有限公司、余姚市通达电器电信有限公司等。
从这些公司公布的产品标准来看，跟国际标准(美国GE公司)相当。
石英坩埚的主要指标包括三个方面：几何尺寸；纯度、杂质含量；外观。
几何尺寸体现了精加工水平，由于单晶生产厂家的热场系统(主要是石墨坩埚)相对固定，因此石英坩埚的几何尺寸有统一要。
由于GE坩埚进入市场较早，所以我国产品几何尺寸一般沿用了GE的标准。
纯度、杂质含量标准，采用了石英砂原料生产厂家的标准，由于国产坩埚都采用了进口原料，国内坩埚厂家的标准与国际标准一致。
但是，国内坩埚厂家主要列出了A1、Fe、Ca、Cu、K、Na、Li、B等8种杂质含量的指标，而GE标准除这8种元素外还列出了As、Cd、Cr、Mg、Mn、Ni、P、Sb、T、Zr等指标，而且GE的指标相对要也高一些。
外观包括触痕、裂纹、划伤、凹坑、表面附着物和沾污、斑点和失透点、气泡、波纹等，每一种缺陷都给出了定义和控制限度。
由于引进了国外先进的工艺技术，在缺陷控制方面有很大的提高，国产免洗坩埚也能做到免检的水平。
2.原材料石英坩埚的原材料是二氧化硅，就其纯度而言，大体分为两种，一种是以天然水晶为原料的石英砂，它的杂质总含量(指Al、Fe等13种杂质元素的总和)一般均在50ppm 以下，另一种是用高纯合成原料(如四氯化硅)经高温水解溶制而成的产品，它的纯度很高，13种杂质元素的总含量一般均不超过2ppm，但是它的价格昂贵，软化点低，不少坩埚厂家用这种高纯合成原料在坩埚内层烧结一层 lmm左右的透明层，从而既保证了坩埚内表面的纯度，又不致于使坩埚软化点过低。
单晶硅的生长方法
单晶硅的生长方法1. 直拉法呀，就像我们小时候搭积木一样，一点点把单晶硅拉起来。
你看，在一个高温的坩埚里，把多晶硅熔化，然后用一根细细的籽晶去慢慢往上提拉，哇，单晶硅就这么神奇地生长出来啦！就像盖高楼一样，一层一层的。
2. 区熔法呢，这可有意思了，就好比是在一个局部区域进行一场特殊的“培育”。
把一根多晶硅棒固定，然后用一个加热环在上面移动，加热的地方就熔化啦，慢慢移动过去，单晶硅不就长出来了嘛！是不是很神奇呀！3. 外延生长法，哎呀呀，就好像给单晶硅穿上一件新衣服一样。
在一个已经有单晶硅的衬底上，让气态的反应物沉积上去，形成新的单晶硅层，这就像给它装饰打扮一番呢！4. 气相沉积法，就如同是在空中“变魔术”，让那些气体中的硅原子乖乖地聚集在一起变成单晶硅。
比如把含硅的气体通入反应室，它们就会乖乖地在合适的地方沉积下来成为单晶硅啦，多奇妙呀！5. 分子束外延法，这可是个精细活儿呀，就像一个细心的工匠在雕琢一件艺术品。
通过精确控制分子束的流量和方向，让单晶硅完美地生长出来，厉害吧！6. 固相晶体生长法，这就像是在一个安静的角落默默努力的小伙伴。
在固体状态下，通过一些特殊的条件，让单晶硅悄悄地生长，给人一种很踏实的感觉呢！7. 助熔剂法，好比是有了一个好帮手一样。
加入助熔剂来帮助单晶硅生长，就像有人在旁边助力，让单晶硅长得更好更快呢！8. 水热法，哇哦，就如同在一个温暖的水中“孕育”着单晶硅。
在特定的温度和压力下，让单晶硅在水中生长，是不是很特别呀！9. 熔盐法，这就好像是在一个充满魔法的盐世界里让单晶硅现身。
利用熔盐作为介质，单晶硅就神奇地冒出来啦，真的好有趣呀！10. 等离子体增强化学气相沉积法，就像有一股神奇的力量在推动着单晶硅生长。
利用等离子体来增强反应，让单晶硅快快长大，太有意思啦！我觉得呀，这些单晶硅的生长方法都好神奇，各有各的独特之处，都为我们的科技发展做出了重要贡献呢！。
直拉法单晶硅的工艺流程
直拉法单晶硅的工艺流程
直拉法生长单晶硅的主要工艺流程为:准备→开炉→生长→停炉。
准备阶段先清洗和腐蚀多晶硅,去除表面的污物和氧化层,放人坩埚内。
K4T51163QG-HCE6再准备籽晶,籽晶作为晶核,必须挑选晶格完整性好的单晶,其晶向应与将要拉制的单晶锭的晶向一致,籽晶表面应无氧化层、无划伤。
最后将籽晶卡在拉杆卡具上。
开炉阶段是先开启真空设各将单晶生长室的真空度抽吸至高真空,一般在102Pa以上,通入惰性气体(如氩)及所需的掺杂气体,至一定真空度。
然后,打开加热器升温,同时打开水冷装置,通入冷却循环水。
硅的熔点是1417℃,待多晶硅完全熔融,坩埚温度升至约14⒛℃。
生长过程可分解为5个步骤:引晶→缩颈→放肩→等径生长→收尾。
引晶又称为下种,是将籽晶与熔体很好地接触。
缩颈是在籽晶与生长的单晶锭之问先收缩出晶颈,晶颈最细部分直径只有2~3mm。
放肩是将晶颈放大至所拉制晶锭的直径尺寸,再等径生长硅锭.直至耗尽坩埚内的熔体硅。
最后收尾结束单晶生长。
晶体生长中,控制拉杆提拉速度和转速、坩埚温度及坩埚反向转速是很重要的,硅锭的直径和生长速度与上述囚素有关。
在坩埚温度、坩埚反向转速一定时,主要通过控制拉杆提拉速度来控制硅锭的生长。
即籽晶熔接好后先快速提拉进行缩颈,再渐渐放慢提拉度进行放肩至所需直径,最后等速拉出等径硅锭。
九-单晶硅制备直拉法
CZ各生产环节及注意事项
单晶基本作业流程
冷却
拆炉、清扫
安装热场
装料
化料
收尾
等径
转肩
放肩
引晶
稳定
直拉生长工艺
（1）原料的准备 还炉中取出的多晶硅，经破碎成块状，用HF和HNO3的混
合溶液进行腐蚀，再用纯净水进行清洗，直到中性，烘干 后备用。HF浓度40%，HNO3浓度为68%。一般HNO3： HF=5：1(体积比)。最后再作适当调整。反应式
腐蚀清洗前必须将附在硅原料上的石墨、石英渣及油污等清 除干净。
石英坩埚若为已清洁处理的免洗坩埚，则拆封后就可使用。 所用的籽晶也必须经过腐蚀清洗后才能使用。
直拉生长工艺
②装炉 选定与生产产品相同型号、晶向的籽晶，把它固定在籽晶
轴上。 将石英坩埚放置在石墨坩埚中。 将硅块料及所需掺入的杂质料放人石英坩埚中。 装炉时应注意：热场各部件要垂直、对中，从内到外、从
直拉生长工艺
⑤晶颈生长 晶颈直径的大小，要根据所生产的单晶的重量决定，
其经验公式为 d=1.608×10-3DL1／2
d为晶颈直径； D为晶体直径；L为晶体长度，cm。 目前，投料量60~90kg，晶颈直径为4~6mm。 晶颈较理想的形状是：表面平滑，从上至下直径微收
或等径，有利于位错的消除。
.
17
石墨坩埚
单个三瓣埚
三瓣埚组合后
单 个 三 瓣 埚和 埚底
单 个 三 瓣 埚和 埚底 及中 轴
加热器
➢ 左图为石墨加热器三维图。
➢ 上图为加热器脚的连接方式。加热器 脚和石墨螺丝、石墨电极间需要垫石墨纸， 目的是为了更加良性接触，防止打火。
重要的原、辅料
1、硅的基本性质
直拉硅单晶工艺学
的形状是圆形，云母片上却是椭圆形的。
这说明玻璃的导热性与方向无关，云母片的导热性与方向有关。
晶体在不同的方向上力学性质，电学性质和光学性质是不同的，抗腐蚀、抗
4
氧化的性质随着晶体方向不同也不同。非晶体则不然，它们在各个方向上性质相
几乎没有一样不和大规模集成电路有关。因此，掌握大规模集成电路基础材料直
拉单晶硅的生产技术和工艺理论是非常重要的。 通过本课程学习， 要求掌握： 一、
直拉单晶硅生长的基本理论； 二、 直拉单晶炉结构和直拉单晶硅生产的基本流程；
三、在生产中控制直拉单晶硅的几个基本参数一些基本方法；四、本课程是工艺
各晶面。
为了标出晶向，通过坐标原点作一直线平行于晶面的法线方向，根据晶胞
的棱长决定此直线的坐标，把坐标化成简单的整数比。用［ ］括起来，称为晶
向指数。例如某一组坐标 x=a，y=-2，z=1/3，则晶向是［36 1］ 。对立方晶系，
晶向具有与它垂直的平面相同的指数，如：X 轴垂直于（100）面所以其晶向是
晶向（生长方
向）
[100]
[110]
[111]
[211]
与(111)晶面夹
好的电阻率均匀性，完美的晶体结构，良好的电学性能。因此，硅单晶生长技术
要更成熟、更精细、更完善，才能满足集成电路的要求。直拉单晶硅工艺理论应
不断地向前发展。
目前世界已跨入电子时代感。可以这样说，四十年代是电子管时代，五十年
代是晶体管时代，六十年代是集成电路时代，七十年代是大规模集成电路时代，
料硅单晶，它一登上半导体材料舞台，就显示了独特优点：硬度大，电学热稳定
单晶硅的主要制备方法比较
单晶硅的主要制备方法比较
链接：/tech/20196.html
单晶硅的主要制备方法比较
硅单晶的制备方法：按拉制方法不同分为无坩埚区熔(FZ)法与有坩埚直拉(CZ)法。
区熔拉制的单晶不受坩埚污染，纯度较高，适于生产电阻率高于20欧/厘米的N型硅单晶（包括中子嬗变掺杂单晶）和高阻 P型硅单晶。
由于含氧量低，区熔单晶机械强度较差。
大量区熔单晶用于制造高压整流器、晶体闸流管、高压晶体管等器件。
直接法易于获得大直径单晶，但纯度低于区熔单晶，适于生产20欧/厘米以下的硅单晶。
由于含氧量高,直拉单晶机械强度较好。
大量直拉单晶用于制造MOS集成电路、大功率晶体管等器件。
外延片衬底单晶也用直拉法生产。
硅单晶商品多制成抛光片，但对FZ单晶片与CZ单晶片须加以区别。
外延片是在硅单晶片衬底（或尖晶石、蓝宝石等绝缘衬底）上外延生长硅单晶薄层而制成，大量用于制造双极型集成电路、高频晶体管、小功率晶体管等器件。
目前，市场上所供应的单晶硅多是以有坩埚直拉(CZ)法制备而成的，下面是直拉硅单晶生长控制主要过程示意图：
原文地址：/tech/20196.html
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简述直拉法制备单晶硅棒的工艺流程
简述直拉法制备单晶硅棒的工艺流程下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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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。
直拉法制备单晶硅的原理
直拉法制备单晶硅的原理宝子，今天咱来唠唠直拉法制备单晶硅这个超酷的事儿。
你知道单晶硅不？那可是个超级重要的材料呢。
就像是科技世界里的小明星，好多高科技产品都离不开它。
那这个直拉法呀，就像是一场神奇的魔法表演，把硅变成我们想要的单晶硅。
直拉法的舞台呢，是一个特制的坩埚。
这个坩埚就像是一个小房子，里面住着硅原料。
这些硅原料可不是随随便便的硅哦，它们得是纯度比较高的多晶硅。
就像一群小伙伴，在这个坩埚小房子里等着被变成更厉害的单晶硅。
然后呢，有一个籽晶，这个籽晶就像是一颗种子。
你想啊，种子是能长出大树的，这个籽晶呢，就能“长”出单晶硅。
把籽晶小心翼翼地放到硅原料的上面，就像是把种子种到土里一样。
不过这个“土”可是滚烫的硅原料呢。
接下来呀，就开始加热啦。
哇，那温度升得可高了，就像给这个坩埚里的硅原料和籽晶开了一场超级热的派对。
在这么高的温度下，硅原料就开始慢慢融化，变成了液态的硅。
这时候的硅就像是一滩超级热的小湖，亮晶晶的。
这时候神奇的事情发生啦。
因为籽晶是晶体结构的，它就像一个小队长，对周围那些液态的硅说：“小伙伴们，按照我的样子来站队吧。
”那些液态的硅就很听话地在籽晶的下面开始一层一层地排列起来，就像小朋友们排队一样整整齐齐。
这个过程就像是搭积木，不过是超级微观的积木哦。
随着时间的推移，这个按照籽晶结构排列的硅就越来越长，就像小树苗慢慢长成大树一样。
这个不断生长的单晶硅会被慢慢地往上拉，就像从井里打水一样，一点一点地把它拉出来。
在这个过程中，周围的环境要控制得特别好呢。
比如说温度，就像我们要给这个正在生长的单晶硅宝宝一个特别舒适的温度环境，不能太热也不能太冷，不然它就会长得不好啦。
而且呀，在拉的过程中，还得让单晶硅转圈圈呢。
就像小朋友跳舞一样，一边转一边往上长。
这样做是为了让单晶硅长得更均匀，就像我们做蛋糕的时候要把面糊搅拌均匀一样，这样做出来的蛋糕才好吃，这个单晶硅才长得好呢。
当这个单晶硅长到我们想要的长度的时候，就像小树苗长到合适的高度了，就可以把它从坩埚里取出来啦。
直拉单晶硅的八个过程
直拉单晶硅的八个过程直拉单晶硅是一种制备高纯度硅材料的重要方法，其过程包括八个步骤。
本文将从这八个步骤入手，详细介绍直拉单晶硅的制备过程。
第一步：原料准备直拉单晶硅的原料是高纯度硅，通常采用三氯化硅还原法制备。
在这个过程中，三氯化硅和氢气在高温下反应，生成高纯度的硅。
这个过程需要严格控制反应条件，以确保生成的硅具有足够的纯度。
第二步：熔炼将高纯度硅原料放入熔炉中，加热至高温，使其熔化。
在这个过程中，需要控制熔炉的温度和气氛，以确保硅的纯度和均匀性。
第三步：晶体种植将晶体种植棒浸入熔融硅中，使其表面形成一层硅晶体。
这个过程需要控制种植棒的温度和位置，以确保晶体的生长方向和均匀性。
第四步：晶体生长通过拉扯种植棒，使硅晶体逐渐生长。
这个过程需要控制拉扯速度和温度，以确保晶体的生长速度和均匀性。
第五步：晶体形成当晶体生长到一定长度时，将其从熔融硅中取出，形成一根硅晶棒。
这个过程需要控制取出的速度和位置，以确保晶体的形状和尺寸。
第六步：切割将硅晶棒切成一定长度的硅晶棒坯。
这个过程需要控制切割的位置和角度，以确保硅晶棒坯的尺寸和形状。
第七步：研磨将硅晶棒坯进行研磨，使其表面光滑。
这个过程需要控制研磨的压力和速度，以确保硅晶棒坯的表面质量。
第八步：抛光将硅晶棒坯进行抛光，使其表面更加光滑。
这个过程需要控制抛光的压力和速度，以确保硅晶棒的表面质量。
通过以上八个步骤，就可以制备出高纯度、高质量的直拉单晶硅。
这种材料在半导体、太阳能电池等领域有着广泛的应用。
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]。
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。
直拉法生长的硅单晶中的杂质浓度受到许多因素的影响
直拉法生长的硅单晶中的杂质浓度受到许多因素的影响。
掺杂估算所考虑的只是肩部下刚开始等径生长的硅单晶要达到的目标电阻率。
在忽略了一些次要因素后，可以对掺杂量进行大致的估算，作为试拉时的依据，然后可以再根据试拉的结果进行修正。
直拉法生长硅晶体时炉膛中的气氛有正压、减压氩气(也可用氮气)和真空三种。
在不同的气氛下，掺杂剂的蒸发情况不同。
掺杂估算时必须考虑它的影响。
下面我们分别讨论不同气氛下的掺杂估算。
(a)不考虑熔硅中的杂质挥发时的掺杂估算生长用于集成电路和分立器件制造的大直径中、低阻晶体时，普遍采用减压氩(氮)气气氛。
除重掺杂外，在两种气氛下生长硅单晶时都不用纯元素掺杂，而是用掺杂元素与硅的合金与多晶硅共熔掺杂。
这是因为一方面纯元素量太少不易精确计量，另一方面其物理化学性质与硅熔体也相差太远，例如某些元素的熔点比硅低得多，与多晶硅共熔时将于硅熔化前挥发。
CZ法生长是典型的正常凝固过程，在忽略杂质的挥发效应的情形，掺杂剂的轴向分布遵从Pfann关系式(3．149)，分布曲线如图3．41所示。
选取晶体肩部位置的电阻率为目标电阻率上限，如果可以忽略杂质的挥发、石英坩埚引入的杂质、多晶硅中的初始杂质浓度和母合金电阻率的不均匀性对于目标电阻率的影响，则可以推出以下的掺杂估算公式。
母合金中的掺杂元素分凝进入晶体，达到与目标电阻率相应的掺杂剂浓度，故有（a+m)CS=keff.Cm .m 式中，a为多晶硅的重量，m 为掺人的母合金的重量；Cm 为母合金中掺杂剂的浓度，keff为有效分凝系数，CS 为晶体肩部位置处目标电阻率对应的杂质浓度。
因而掺入的母合金的重量可由下式计算得到： m=CS/[(keff.Cm -cs)a] 在减压氩气气氛下，生长硅单晶速度为lmm／min时，几种常用掺杂元素在硅中的有效分凝系数的一组数据是：磷为0．406，硼为0．91，锑为0．052。
按式(4．19)估算掺杂量，再根据实际情况加以修正。
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。
拉制单晶硅的方法
拉制单晶硅的方法
咱们用更接地气的方式聊聊怎么“拉”出单晶硅这事儿。
直拉法，就像扯面条
想象一下你在家做手工面条。
首先，你得准备好一盆干净的、超级纯净的硅粉，放进一个特制的透明碗里——这碗得是超高级的，不能让里面的硅沾上一点点脏东西。
接着，你把这个碗放到一个大炉子里，开火加热，直到硅粉全部变成滚烫的硅浆，这时候炉子里还得充点保护气体，就像炒菜时开抽烟机，防止硅被空气“污染”。
然后，拿出一根小小的单晶硅“引子”，轻轻放到硅浆表面，开始慢慢转啊转，边转边往上提，就像你用手拉面条一样。
随着引子上升，热乎乎的硅浆就会一层层地贴上去，越长越长，最后变成一根完整的单晶硅棒。
等硅棒长得差不多了，就关火让它自然凉快下来。
最后，把这根大“面条”切成一片片的，就可以拿去做高科技芯片了。
区熔法，有点像烤串
区熔法就不一样了，它更像是你用电磁炉烤肉串，但是没有签子，肉就是你要处理的硅棒本身。
你用一种高级的电磁圈对着硅棒某一段加热，让它局部变成熔化的状态，就像是烤串上的那块肉被烤得滋滋响。
然后，你慢慢地让这个熔化的区域沿着硅棒向上移动，就像是肉串在烤架上滚动。
随着它移动，上面还没熔化的部分因为高温也慢慢变成了单晶结构，就这样，整根硅棒就变成了单晶硅。
这种方法的好处是，烤出来的“肉”——也就是单晶硅，超级纯净，特别适合做那些对干净程度要求特别高的东西。
不过呢，它不太能做出很大的硅片，而且做出来的硅棒可能没那么结实。
这就是两种神奇的“拉”硅方法，是不是挺有意思的？。
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大直径直拉单晶技术
摘要：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。
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。