第九章 单晶硅制备-直拉法

直拉生长工艺
⑦等径生长 晶体放肩到接近所需直径(与所需直径差10mm左右)后， 升温升拉速进行转肩生长。 转肩完后，调整拉速和温度，使晶体直径偏差维持在 ±2mm范围内等径生长。这部分就是产品部分，它的 质量的好坏，决定着产品的品质。 热场的配臵、拉晶的速率、晶体和坩埚的转速、气体 的流量及方向等，对晶体的品质都有影响。这部分生 长一般都在自动控制状态下进行，要维持无位错生长 到底，就必须设定一个合理的控温曲线(实际上是功率 控制曲线)。
2上炉筒：
提供晶棒上升空间；
3副室：
提肩装籽晶掺杂等的操作空间；
4炉盖：
主炉室向副室的缩径；
5主炉室：
提供热场和硅熔液的空间；
6下炉室： 提供排气口和电极穿孔等；
8上炉筒提升系统：
液压装置，用于上炉筒提升；
9梯子：
攀登炉顶，检查维修提拉头等；
10观察窗：
观察炉内的实际拉晶状态；
11测温孔：
测量对应的保温筒外的温度；
12排气口：
氩气的出口，连接真空泵；
13坩埚升降系统：
坩埚升降旋转系统等；
14冷却水管组： 提供冷却水的分配。
直拉生长工艺
(2) 晶体及坩埚的转动及提升部分：
晶升：通过籽晶提升系统把凝固的固体向上升，保持晶体
一定的直径。 埚升：通过坩埚升降系统，把硅熔液的液面控制在一个位
置
晶转和埚转：抑制熔液的热对流，为单晶生长提供稳定 热系统。晶转和埚转的方向必须相反
腐蚀清洗的目的是除去运输和硅块加工中，在硅料表面留下 的污染物。 HNO3比例偏大有利于氧化， HF的比例偏大有利于Sห้องสมุดไป่ตู้O2的剥离，
若HF的比例偏小，就有可能在硅料表面残留SiO2，所以控制
好HNO3和HF的比例是很重要的。 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。
直拉生长工艺
(3)控制部分：控制部分是用以晶体生长中控制各种参
数的电控系统，直径控制器通过CCD读取晶体直径;
并将读数送至控制系统。
(4) 气体控制部分：主要控制炉内压力和气体流量，炉 内压力-般为10-20torr(毫米汞柱，ltorr= 133.322Pa), Ar流量一般为60-150slpm(标升/分)。
Cz法的基本设备 cz法的基本设备有:炉体、晶体及坩埚的升降和传动部 分、电器控制部分和气体制部分，此外还有热场的配臵。
(1) 炉体：炉体采用夹层水冷式的不锈钢炉壁，上下炉室用 隔离阀隔开，上炉室为生长完成后的晶棒停留室，下炉室 为单晶生长室，其中配有热场系统。
单晶炉结构
1提拉头：
晶升、晶转系统，磁流体系统等；
规格 方籽晶
直径（mm） 长度(mm) 位错 10× 10或12× 12 100-120 无
晶向偏差 <100> ±1o
圆籽晶
12
100-120
无
<100> ±1o
4、 石英坩埚
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。
籽晶在加工过程中会产生损伤，这些损伤在拉晶中就 会产生位错，在晶种熔接时也会产生位错
拉制细颈就是要让籽晶中的位错从细颈的表面滑移出 来加以消除，而使单晶体为无位错。
引晶的主要作用是为了消除
位错。全自动单晶炉采用自动
引晶。如果特殊情况需要手动 引晶，则要求：细晶长度大于 150mm，直径4mm左右，拉速25mm/min
6、 保温材料
软毡 保温材料一般为固化毡和软毡。 固化毡：成本较高，加工周期长，但搬运方便。 软 毡：造型可以随意改变，使用广泛。
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
直拉生长工艺
直拉法又称Cz法，目前，98%的电子元件都是用硅 材料制作的，其中约85%是用直拉硅单晶制作的。 直拉硅单晶由于具有较高的氧含量，机械强度比 Fz硅单晶大，在制电子器件过程申不容易形变。 由于它的生长是把硅熔融在石英坩埚中，而逐渐 拉制出的，其直径容易做得大。目前直径300mm的 硅单晶己商品化，直径450mm的硅单晶已试制成功， 直径的增大，有利于降低电子元器件的单位成本。
4、 装料
装料基本步骤
底部铺碎料
大块料铺一层
用边角或小块料填缝
装一些大一点的料
最上面的料和坩埚 点接触，防止挂边
严禁出现大块料 挤坩埚情况
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③抽空 装完炉后，将炉子封闭，启动机械真空泵抽空。 ④加热熔化
待真空达到1Pa左右检漏，通入氩气，使炉内压力保持在 15torr左右，然后开启电源向石墨加热器送电，加热至 1420℃以上，将硅原料熔化。 熔料时温度不可过高也不可太低，太低熔化时间加长，影 响生产效率，过高则加剧了Si与石英坩埚的反应，增加石 英中的杂质进入熔硅，太高甚至发生喷硅。 化料中要随时观察是否有硅料挂边、搭桥等不正常现象， 若有就必须及时加以处理。
直拉生长工艺
⑥放肩
晶颈生长完后，降低温度和拉速，使晶体直径渐渐增
大到所需的大小，称为放肩。 放肩角度必须适当，角度太小，影响生产效率，而且 因晶冠部分较长，晶体实收率低。 一般采用平放肩(150°左右)，但角度又不能太大，太
大容易造成熔体过冷，严重时将产生位错和位错增殖，
甚至变为多晶。
1. melting
4. pulling the neck of the crystal
2. temperature stabilisation
5. growth of shoulder
3. accretion of seed crystal
6. growth of body
直拉生长工艺
⑤晶颈生长 硅料熔化完后，将加热功率降至引晶位臵，坩埚也臵 于引晶位臵，稳定之后将晶种降至与熔硅接触并充分 熔接后，拉制细颈。
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
数值 原子符号 原子序数 分子量 晶体结构 熔点 密度（固） 14 28.085 金刚石 1420 2330 ℃ Kg/m3 单位 Si
密度（液）
金刚石晶胞结构 原子密度
2530
5×1022
Kg/m3
所用的籽晶也必须经过腐蚀清洗后才能使用。
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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。
将石英坩埚放臵在石墨坩埚中。
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 下到上逐一对中，对中时决不可使加热器变形。
个/cm3
熔化热
1.8
kJ/g3
2、原料
西门子法、改良西门子法和流
化床法生产的纯多晶，太阳能级 纯多晶要求纯度99.9999%以上。 原生纯多晶 料状纯多晶
单晶的头尾； 圆棒切成方棒而 产生的边角。 单晶边皮和头尾 切片及以后的工 序中产生的废片。 硅片 埚底料
单晶生产最后 剩余在坩埚中的 原料。杂质较多。
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 Si+2HNO3 =SiO2+2HNO2
2HNO2=NO↑+NO2↑+H2O
SiO2+6HF=H2SiF6+2H2O 综合反应式 Si+2HNO36HF=H2SiF6+ NO2↑+3H2O
直拉生长工艺
直拉生长工艺
⑤晶颈生长 引晶温度的判断： 在1400℃熔硅与石英反应生成SiO，可借助其反应速率 即SiO排放的速率来判断熔硅的温度。 具体来讲，就是观察坩埚壁处液面的起伏情况来判断 熔硅的温度。 温度偏高，液体频繁地爬上埚壁又急剧下落，埚边液 面起伏剧烈； 温度偏低，埚边液面较平静，起伏很微； 温度适当，埚边液面缓慢爬上埚壁又缓慢下落。
3 单晶炉提供减压气氛保护、机械运动和自动控制系统
减压气氛保护：
通过上炉筒、副室、炉 盖、主炉
室和下炉室形成减压气氛 保持系统。 机械运动： 通过提拉头和坩埚运动系统提供晶 转、晶升、埚转、埚升系统。
自动控制系统
通过相机测径、测温孔测温、自动柜控制 组成单晶拉制自动控制系统。
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直径自动控制
如何得到直径信号？ 自动控制中，一般用光学传感器取
得弯月面的辐射信号作为直径信号。

什么是弯月面？
如左图所示，在生长界面的周界
附近，熔体自由表面呈空间曲面，称 弯月面。它可以反射坩埚壁等热辐射，
弯月面与亮环
从而形成高亮度的光环。
直拉生长工艺
(5） 热场配臵 热场包括石英坩埚、石墨坩埚、加热器、保温 层等。
石英坩埚内层一般须涂一层高纯度的SiO2，以减少普
通石英中的杂质对熔硅的污染。由于石英在1420℃时
会软化，将石英坩埚臵于石墨坩埚之中，由石 墨坩埚支撑着。
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
其它原料
3 、籽晶
按截面分为：圆形和方形； 按晶向分为：〈111〉〈110〉〈100〉； 按夹头分为：大小头和插销。
插销型籽晶： 通过插销固 定籽晶。 大小头籽晶： 通过大小头处 变径固定籽晶。
注意事项： 籽晶严禁玷污和磕碰；


晶向一定要符合要求；
安装时一定要装正。
单晶炉拉晶籽晶
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适当地降低拉速将有利于维持晶体的无位错生长。
熔体的对流对固液界面的形状会造成直接的影响，而
1、CZ基本原理

在熔化的硅熔液中
插入有一定晶向的籽晶， 通过引细晶消除原生位 错，利用结晶前沿的过 冷度驱动硅原子按顺序 排列在固液界面的硅固 体上，形成单晶。
固液界面过冷度
2 CZ基本工艺
CZ过程需要惰性气体保护！
现有的CZ都采用氩气气氛减压拉晶。
利用通入惰性气体氩气，结合真空泵的 抽气，形成一个减压气氛下的氩气流动。 氩气流带走高温熔融硅挥发的氧化物， 以防止氧化物颗粒掉进硅熔液，进而运
温度偏高
温度偏低 熔接时熔硅不同温度示意图
温度合适
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⑤晶颈生长
在温度适当的情况下．稳定几分钟后就可将籽晶插入 进行熔接。
液体温度偏高，籽晶与硅液一接触，马上出现光圈， 亮而粗，液面掉起很高，光圈抖动，甚至熔断； 液体温度偏低，籽晶与硅液接触后，不出现光圈或许 久后只出现一个不完整的光圈，甚至籽晶不仅不熔接， 反而结晶长大； 液体温度适中，籽晶与硅液接触后，光圈慢慢出现， 逐渐从后面围过来成一宽度适当的完整光圈，待稳定 后· 便可降温引晶了。
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。
动到固液界面，破坏单晶原子排列的一
致性。
拉晶过程中的保护气流
2、利用热场形成温度梯度 热场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
单晶热场温度分布
适的温度梯度。
两个检查步骤
5、 氩气
用单晶炉拉制单晶硅时，需要给单晶炉内通入高纯氩气作为保
护气体。如果氩气的纯度不高，含有水、氧等其他杂质，会影响单晶 生产，严重时无法拉制单晶。
项目 1 2 3 露 点 氧含量 纯 度
要求 ≤-70 ℃ ≤0.5ppm ＞99.999%
检测设备：氩气露点、氧含量便携检测仪
直拉生长工艺
⑤晶颈生长 引晶埚位的确定： 对一个新的热场来说，一下就找准较理想的结晶埚位 是较难的。 埚位偏低，热惰性大，温度反应慢，想放大许久放不 出来，想缩小许久不见收；埚位偏高，热惰性小，不易 控制；埚位适当，缩颈、放肩都好操作。 不同的热场或同一热场拉制不同品种的产品，埚位都 可能不同。热场使用一段时间后，由于CO等的吸附，热 场性能将会改变，埚位也应做一些调整。