【半导体单晶炉】半导体第三讲-下-单晶硅生长技术

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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在电子行业中广泛应用的材料，其制备技术一直是研究的热点之一。

本文将介绍硅基半导体的制备技术，包括传统的硅基半导体制备方法和新型制备技术的发展趋势。

一、传统硅基半导体制备技术1. 单晶硅生长技术单晶硅是硅基半导体的主要材料，其生长技术是制备硅基半导体的关键步骤之一。

传统的单晶硅生长技术包括气相淀积法、溶液法和熔融法等。

其中，气相淀积法是最常用的方法，通过化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）在衬底上沉积硅薄膜，然后通过退火等工艺形成单晶硅。

2. 晶圆加工技术晶圆加工技术是将单晶硅切割成薄片并进行加工的过程，包括光刻、蚀刻、离子注入、扩散、金属化等步骤。

这些步骤是制备硅基半导体器件的基础，对器件性能和稳定性有重要影响。

3. 氧化硅膜沉积技术氧化硅膜是硅基半导体器件中常用的绝缘层材料，其沉积技术包括热氧化、PECVD等方法。

氧化硅膜的质量和厚度对器件的绝缘性能和电学特性有重要影响。

二、新型硅基半导体制备技术1. 氮化硅薄膜技术氮化硅薄膜是一种新型的绝缘层材料，具有优异的绝缘性能和热稳定性，逐渐取代传统的氧化硅膜。

氮化硅薄膜的制备技术包括PECVD、ALD等方法，可以实现高质量、均匀的薄膜沉积。

2. 低温多晶硅技术传统的单晶硅生长需要高温长时间的退火过程，成本高且能耗大。

低温多晶硅技术采用PECVD等方法在低温下生长多晶硅薄膜，可以降低制备成本并提高生产效率。

3. 柔性硅基半导体技术柔性硅基半导体是一种新型的硅基材料，具有高柔韧性和可弯曲性，适用于柔性电子器件的制备。

柔性硅基半导体技术包括薄膜剥离、柔性衬底等方法，为柔性电子器件的发展提供了新的可能性。

三、硅基半导体制备技术的发展趋势随着电子行业的不断发展，硅基半导体制备技术也在不断创新。

未来硅基半导体制备技术的发展趋势包括：1. 高性能材料的研究：开发新型硅基半导体材料，提高器件性能和集成度。

2. 绿色环保技术的应用：推广低能耗、低污染的硅基半导体制备技术，减少对环境的影响。

单晶硅生长炉原理

单晶硅生长炉原理单晶硅生长炉原理首先，把高纯度的多晶硅原料放入高纯石英坩埚，通过石墨加热器产生的高温将其熔化；然后，对熔化的硅液稍做降温，使之产生一定的过冷度，再用一根固定在籽晶轴上的硅单晶体（称作籽晶）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；接着，控制籽晶生长出一段长为100m单晶硅生长炉m左右、直径为3～5mm的细颈，用于消除高温溶液对籽晶的强烈热冲击而产生的原子排列的位错，这个过程就是引晶；随后，放大晶体直径到工艺要求的大小，一般为75～300mm，这个过程称为放肩；接着，突然提高拉速进行转肩操作，使肩部近似直角；然后，进入等径工艺，通过控制热场温度和晶体提升速度，生长出一定直径规格大小的单晶柱体；最后，待大部分硅溶液都已经完成结晶时，再将晶体逐渐缩小而形成一个尾形锥体，称为收尾工艺；这样一个单晶拉制过程就基本完成，进行一定的保温冷却后就可以取出。

直拉法，也叫切克劳斯基（J.Czochralski）方法。

此法早在1917年由切克劳斯基建立的一种晶体生长方法，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，容易控制单晶中杂质浓度，可以制备低电阻率单晶。

据统计，世界上硅单晶的产量中70％～80％是用直拉法生产的。

单晶硅生长炉现状目前国内外晶体生长设备的现状如下：美国KAYEX公司国外以美国KAYEX公司为代表，生产全自动硅单晶体生长炉。

KAYEX公司是目前世界上最大，最先进的硅单晶体生长炉制造商之一。

KAYEX的产品早在80年代初就进入中国市场，已成为中国半导体行业使用最多的品牌。

该公司生长的硅晶体生长炉从抽真空－检漏－熔料－引晶－放肩－等径－收尾到关机的全过程由计算机实行全自动控制。

晶体产品的完整性与均匀性好，直径偏差在单晶全长内仅±1mm。

主要产品有CG3000、CG6000、KAYEX100PV、KAYEX120PV、KEYEX150，Vision300型，投料量分别为30kg、60kg、100kg、120kg、150kg、300kg。

半导体制造工艺之晶体的生长概述

半导体制造工艺之晶体的生长概述晶体生长是半导体制造中至关重要的一步，它决定了半导体材料的质量和性能。

本文将概述半导体晶体的生长工艺，包括单晶生长、多晶生长和薄膜生长。

首先，单晶生长是制备高纯度单晶材料最常用的方法之一、单晶生长过程包括溶液法、气相法和陶瓷法等。

其中，溶液法是最早发展起来的单晶生长方法之一、在溶液法中，首先制备出含有半导体材料的溶液，然后通过控制溶液中的温度、浓度和溶液与环境接触的界面等条件来实现晶体的生长。

气相法利用气体中的半导体材料蒸汽沉积在基片上，并在其上形成单晶。

陶瓷法是将半导体材料粉末压制成形状可控的块状，并在高温下进行烧结，从而实现晶体的生长。

其次，多晶生长是制备大尺寸半导体材料的一种方法。

它通过在固态下将多个晶核生长成晶粒，形成多晶的材料。

多晶生长一般分为凝固法和熔融法。

凝固法中，通过一定条件下的凝固过程将原料直接转变为多晶体。

凝固法的一个典型例子是铸造法，即将熔化的半导体材料注入到石膏型中，随后通过凝固过程获得多晶体。

熔融法中，通过将原料加热至熔点，然后冷却成形，实现多晶体的生长。

最后，薄膜生长是一种制备半导体薄膜的方法。

薄膜生长涉及多种技术，包括物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD）、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）、分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE）等。

在物理气相沉积中，通过将半导体材料直接蒸发或溅射到基片上来形成薄膜。

在化学气相沉积中，通过化学反应使气体中的原子或分子转变为沉积在基片上的固态材料。

分子束外延是利用高纯度蒸发源，在真空环境下瞄准并发射精细束流的精确方法，将气体分子形成薄膜。

以上是半导体制造工艺中晶体生长的概述。

不同的晶体生长方法适用于不同的材料和应用，选择合适的生长方法对于获得高质量的晶体是至关重要的。

随着技术的发展，对晶体生长方法的研究也在不断进步，为半导体工业带来了更高效、更精确的制造工艺。

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！。

半导体第三讲-下-单晶硅生长技术

单晶棒:据估计，CZ法长晶法约占整个Si单晶市场的82%，其余采用悬浮区熔法制备。
单晶硅主要生长方法
直拉法生长单晶硅容易控制，产能比区熔高，会引入杂质，应用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底20、20/1太1/5阳能电池。
区熔法可生长出纯度高均匀性好的单晶硅，应用于高电压大功率器件上，如可控硅、可关断晶闸管。
2020/11/5
单晶硅简介
单晶硅属于立方晶系，金刚石结构，是一种性能优良的半导体材料。
自上世纪 40 年代起开始使用多晶硅至今，硅材料的生长技术已趋于完善，并广泛的应用于红外光谱频率光学元件、红外及射线探测器、集成电路、太阳能电池等。
此外，硅没有毒性，且它的原材料石英(SiO2)构成了大约60%的地壳成分，其原料供给可得到充分保障。
在磁场下生长单晶，当引入磁感应强度达到一定值时，一切宏观对流均受到洛伦兹力的作用而被抑制。
2020/11/5
垂直磁场对动量及热量的分布具有双重效应。垂直磁场强度过大（Ha=1000/2000），不利于晶体生长。
对无磁场、垂直磁场、勾形磁场作用下熔体内的传输特性进行比较后发现，随着勾形磁场强度的增加，熔体内子午面上的流动减弱，并且紊流强度也相应降低。
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。
2020/11/5
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。
2020/11/5
通过在氩气气氛及真空环境下进行高阻区熔硅单晶生长试验发现,与在氢气气氛下生长硅单晶相比,在真空环境下采用较低的晶体生长速率即可生长出无漩涡缺陷的单晶, 而当晶体生长速度较高时, 尽管可以消除漩涡, 但单晶的少子寿命却有明显的下降。在真空中生长无漩涡缺陷单晶的生长速率,比在氢气气氛下生长同样直径单晶的生长速率低,但漩涡缺陷对单晶少子寿命的影响并不明显。

硅的直拉法单晶生长

直拉法单晶硅生长：凝固结晶的驱动力
• 在熔体长成晶体的过程中(Melt Growth)，藉由熔体温度下降，将产生由液态转换成固态的相变化 (Phase Transformation)。这要从热力学观点来解释。对于发生在等温等压的相变化，不同相之间的相对稳定性，可有自由能G来决定。G=H—TS
• 其中H是焓，T是绝对温度，而S是熵。一个平衡系统将具有最低的自由能。加入一个系统的自由能△G高于最低值，它将设法降低△G以达到平衡状态。因此我们可以将△G视为结晶的驱动力，如图1．5所示。在温度T时，液固二相的自由能可表示为： •
• 因此在温度T时 △G= △H-T△S • 另外在平衡的熔化温度Tm时，液固二相的自由能是相等的，即△G=0，因此 • △G= △H-T△S=0 △S= △H／T • 其中△H即是所谓的结晶潜热。可得到 • △G= △H△T／T=△S△T • 其中△T=Tm- T，亦即所谓的过冷度，由于凝固时，△S是个负值常数，所以△T可 • 被视为唯一的驱动力。
end
谢谢பைடு நூலகம்
• 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)单晶硅夹持技术系统的设计；(4)为了提高生产效率的连续加料系统的设计； (5)单晶硅制备工艺的过程控制。

单晶硅生长过程

（5）等径生长引晶和放肩之后，通过拉速和温度的不断调整，可使晶棒的直径维持在±2mm之
间，这段直径固定的部分称之为晶身。由于硅片即来自于晶身，所以此阶段的
参数控制是非常重要的。由于在晶棒生长过程中，液面会逐渐下降，加热功率逐渐上升等因素，使得晶棒的散热速率随着晶棒长度的增加而递减。因此固液界面处的温度梯度减小，使得晶棒的最大拉速随着晶棒长度而减小。
当硅熔液的温度稳定之后将100或111方向的籽晶慢慢浸入硅熔液中由于籽晶和硅熔液接触时的热应力会使得籽晶产生位错这些位错必须利用引晶生长使之消失
单晶硅的生长及硅片加工
单晶硅按晶体伸长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。直拉法、区熔法伸长单晶硅棒材，外延法伸长单晶硅薄膜。直拉法伸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。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。外延片主要用于集成电路领域。
（6）收尾
在长完晶身部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么热应力将使得晶棒出现位错和滑移线。于是为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一个尖点而与sensor）和
电脑控制系统等。右图为一典型的CZ生长炉的示意图。
2. CZ操作流程与原理
（1）加料此步骤主要是将晶硅原料和搀杂剂放入石英坩埚内。搀杂剂的种类是按照导电类型
N或P而定的，P型的搀杂剂一般为硼/镓，N型搀杂剂则一般为磷。
（2）熔化当加完晶硅原料于石英坩埚内后，单晶炉必须关闭并抽真空使之维持在一定的压力范围。
然后加热至熔化温度（1420℃）以上，将晶硅原料熔化。使用过大的功率来熔化晶

半导体级硅单晶生长技术综述

半导体级硅单晶生长技术综述摘要半导体级硅单晶是制造集成电路和太阳能电池等微电子器件的关键材料，其质量和晶体结构对器件性能至关重要。

本文综述了半导体级硅单晶生长技术的发展历程、主要的生长方法及其特点，并对其在半导体工业中的应用前景进行了展望。

1. 引言半导体级硅单晶是由高纯度的硅熔体通过特定的方法生长而成的单晶硅材料。

它具有高度晶体结构完整性、低缺陷密度和高纯度等优良性能，是制造集成电路和光电器件所必需的材料之一。

随着电子信息技术和新能源技术的不断发展，对半导体级硅单晶的需求也日益增加。

2. 生长方法半导体级硅单晶的生长方法主要包括区熔法、悬浮液法和熔于翻转法等。

其中，区熔法是最常用的生长方法之一。

它利用熔融硅的高温特性，在蔓延区和保护区之间形成温度梯度，在过热熔体和下冷Si晶体界面处生成硅原子，从而实现硅单晶的生长。

悬浮液法则是通过在熔融硅中悬浮微小的硅颗粒，在悬浮液不断向下运动的过程中，沉积和排斥硅原子，从而实现单晶硅的生长。

熔于翻转法是最新发展的生长方法之一，它采用高性能矽翻转碗作为生长室，在高真空和气氛下进行生长，可以实现较大直径和高质量的硅单晶生长。

3. 生长过程及参数控制半导体级硅单晶的生长过程包括熔体制备、生长引上、生长室制备和晶体生长等多个步骤。

其中熔体制备是制备高纯度硅熔体的关键环节，包括硅原料的净化、熔炼和纯化等。

生长引上是将熔体引入生长室的过程，需要严格控制引上速度和温度梯度，以保证晶体的品质和形状。

生长室制备则是建立一个适合生长的高真空或气氛环境的关键步骤。

晶体生长是整个过程中最重要的步骤，包括晶面生长、补充剂的掺入和晶体拖曳等。

控制生长过程中的参数对于确保晶体质量具有重要意义。

其中温度控制是最关键的参数之一，需要保持适当的生长温度来实现晶体的生长。

此外，压力、气氛、温度梯度等参数的控制也对晶体的质量和晶格缺陷的形成具有重要影响。

4. 主要应用领域半导体级硅单晶生长技术在半导体工业中具有广泛应用。

《单晶生长方法介绍》课件

3 晶体生长中的传质和传热过程
研究晶体生长过程中的传质和传热规律，以确保高质量的单晶生长。
单晶生长的工艺优化
生长温度和压力的控制
调控生长温度和压力，以实现理想的生长条件。
晶体成核和生长速度的控制
控制晶体成核和生长速度，以获得所需的晶体质量和尺寸。
推拉速率的控制
优化推拉速率，以获得均匀和高质量的单晶生长。
气态法
气态法是一种常用的单晶生长方法，包括化学气相沉积法和气相淀积法。
固态法
固态法是一种常见的单晶生长方法，包括摩尔堆叠法和热悬挂法。
单晶生长技术的核心问题
1 晶体凝固界面移动规律
理解晶体凝固界面的移动规律对单晶生长至关重要。
2 晶体结构性质与生长条件之间的相互作用
探索晶体结构性质与生长条件之间的相互作用，以优化单晶生长的过程。
技术改进和创新
通过技术改进和创新，提高单晶生长的效率和质量。
结论
应用前景
单晶生长技术具有广泛的应用前景，可应用于材料科学、电子器件等领域。
研究意义
对单晶生长技术的研究具有重要意义，可推动材料科学和工业的发展。
《单晶生长方法介绍》 PPT课件
单晶生长是一项重要的技术，广泛应用于材料科学和工业领域。本课件将介绍单晶生长的方法、核心问题以及工艺优化，以及其在未来的应用前景。
简介
单晶生长是一项关键的技术，具有广顾其发展历程。
单晶生长方法介绍
液态法
液态法是一种常见的单晶生长方法，包括Bridgman法、Czochralski法和化学气相输运法。

单晶硅生长原理及工艺

单晶硅生长原理及工艺摘要：介绍了直拉法生长单晶硅的基本原理及工艺条件。

通过控制不同的工艺参数（晶体转速：2.5、10、20rpm；坩埚转速： 1.25、5、10），成功生长出了三根150×1000mm 优质单晶硅棒。

分别对这三种单晶硅样品进行了电阻率、氧含量、碳含量、少子寿命测试，结果表明，当晶体转速为10rpm，坩埚转速为5rpm，所生长出的单晶硅质量最佳。

最后分析了氧杂质和碳杂质的引入机制及减少杂质的措施。

关键词：单晶硅；直拉法生长；性能测试；氧杂质；碳杂质中图分类号：O782 文献标识码：A 文章编号：1672 －9870（2009）04 －0569 －05收稿日期：2009 07 25基金项目：中国兵器科学研究院资助项目（42001070404）作者简介：刘立新（1962 ），男，助理研究员，E-mail：lxliu2007@。

刘立新1，罗平1，李春1，林海1，张学建1，2，张莹1（1.长春理工大学材料科学与工程学院，长春130022；2.吉林建筑工程学院，长春130021）Growth Principle and Technique of Single Crystal SiliconLIU Lixin1，LUO Ping1，LI Chun1，LIN Hai1，ZHANG Xuejian1，2，ZHANG Ying1（1.Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2. Jilin Architectural and civil Engineering institute，Changchun 130021）Abstract：This paper introduces the basic principle and process conditions of single crystal silicon growth by Cz method.Through controlling different process parameters (crystal rotation speed: 2.5，10，20rpm; crucible rotation speed: -1.25，-5，-10)，three high quality single crystal silicon rods with the size of 150×1000mm were grown successfully. Performancemeasurements of three single crystal silicon samples were performed including resistivity，oxygen and carbon content，minority carrier lifetime，respectively. The results show that as-grown single crystal silicon has the optimal qualitywhen crystal rotation speed is 10rpm，and crucible rotation speed is -5rpm. Finally，the introducing mechanism of oxygenand carbon impurities，and the way to reduce the impurities were discussed.Key words：single crystal silicon；growth by Cz method；performance measurements；oxygen impurities；carbon impurities单晶硅属于立方晶系，金刚石结构，是一种性能优良的半导体材料。

单晶生长技术

单晶生长技术和操作报告人：唐旭辉前言§超过98%的电子元件是使用硅单晶作用基础材料制备，在迅速发展的太阳能发电工程中，由于单晶硅材料有较高的光电转换率，因此也占据了重要的地位。

硅单晶制备主要有两种方法：CZ，FZ。

§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。

其特点是容易实现单晶大直径化，设备和工艺巳比较成熟，该方法生产的单晶占硅单晶总量的80%以上。

§FZ-无坩埚法，用高频加热悬浮生长，能生产高阻、高纯、高寿命的高质量单晶，主要用于探测器，大功率可控整流元件，包括能使转换率超过20%以上的太阳能单晶。

§晶体生长技术，它涉及到热力学、物理化学、流体动力学、结晶学和晶体陷理论，由于微电子技术的飞速发展，作为基础材料的硅单晶制备技术也在迅速发展。

质量、成品率与各项关系装拆炉§1：装好炉的重要性§ 2 ：装好炉的几个关键问题§ a ：擦清炉子有两个重要意义，其一防止杂质沾污，影响产品质量，例如使电阻率偏离，少子寿命下降等问题，其二颗粒状物质(如氧化硅)掉入正在生长单晶的熔体中，使无位错单晶生长破坏。

另外清洗管道内的氧化物，保持抽气畅通也十分重要。

另一个需注意要经常将石墨与炉筒接触处用水砂纸擦干净。

§b：加热器、电极与炉子的绝缘性，防止短路打火产生。

重点在金属电极与炉子的绝缘，保持之间的清洁十分重要，另一重点是加热器与下保温板的绝缘。

§c：热场的对称均匀性。

其重要性除了影响产品质量，如电阻率均匀性、晶体缺陷等，还影晌单晶的无位错成晶率，因为不对称的热系统有较大的温差热应力。

装拆炉–石墨器件要点1.石墨件清洁处理，特别是导流筒，另外加热器上的氧化物要及时请理。

所有的石墨器件都应放在干净的不锈钢推车上。

2.检查石墨器件的使用状况，包括质量(有否裂缝等问题)及使用炉数，按规定进行更换。

3.保持加热器与电极的良好接触，同时与炉子及其它石墨件的绝缘。

半导体第三讲下单晶硅生长技术课件

•2024/1/15
•半导体第三讲下单晶硅生长技术
ß 垂直磁场对动量及热量的分布具有双重效应。垂直磁场强度过大（Ha=1000/2000），不利于晶体生长。
ß 对无磁场、垂直磁场、勾形磁场作用下熔体内的传输特性进行比较后发现，随着勾形磁场强度的增加，熔体内子午面上的流动减弱，并且紊流强度也相应降低。
显增大。研究还发现, 氧沉淀消融处理后，
后续退火的温度越高, 氧沉淀的再生长越快。
•2024/1/15
•半导体第三讲下单晶硅生长技术
ß 对1000 ℃、1100℃退火后的掺氮直拉硅中氧沉淀的尺寸分布进行的研究表明，随着退火时间的延长，小尺寸的氧沉淀逐渐减少，而大尺寸的氧沉淀逐渐增多。氮浓度越高或退火温度越高, 氧沉淀的熟化过程进行得越快。
ß 因此适当控制氧析出物的含量对制备性能优良的单晶硅材料有重大意义
•2024/1/15
•半导体第三讲下单晶硅生长技术
ß
研究发现，快速热处理( R T P)是一种
快速消融氧沉淀的有效方式, 比常规炉退火
消融氧沉淀更加显著。硅片经R TP 消融处
理后, 在氧沉淀再生长退火过程中，硅的体
微缺陷(BMD)密度显著增加, BMD的尺寸明
•2024/1/15
•半导体第三讲下单晶硅生长技术
ß 通过一定的工艺, 在硅片体内形成高密度的氧沉淀, 而在硅片表面形成一定深度的无缺陷洁净区，该区域将用于制造器件, 这就是 “内吸杂”工艺。
ß 如果氧浓度太低, 就没有 “内吸杂”作用, 反之如果氧浓度太高, 会使晶片在高温制程中产生挠曲。
拉晶试验，结果发现平均拉速可从0.6mm/min提高到0.9mm/min，提升了 50%。

单晶生长原理

直拉法：直拉法即切克老斯基法（Czochralski: Cz), 直拉法是半导体单晶生长用的最多的一种晶体生长技术。

直拉法单晶硅工艺过程－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；－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；－放肩：将晶体控制到所需直径；－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。

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。

生长界面形状（固液界面）固液界面形状对单晶均匀性、完整性有重要影响，正常情况下，固液界面的宏观形状应该与热场所确定的熔体等温面相吻合。

在引晶、放肩阶段，固液界面凸向熔体，单晶等径生长后，界面先变平后再凹向熔体。

通过调整拉晶速度，晶体转动和坩埚转动速度就可以调整固液界面形状。

生长过程中各阶段生长条件的差异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。

生长单晶半导体的方法有

生长单晶半导体的方法有
生长单晶半导体常用的方法有:
1. 布里奇曼-斯托克伯格法:在高温优先配向的单晶种子上慢速结晶,生长出大块单晶。

2. 金属有机化学气相沉积法:在载体上使用有机金属和硅烷等前驱体,通过热分解和表面反应生长单晶薄膜。

3. 分子束外延生长法:在真空系统中,通过分子束轰击衬底,生长高质量的外延单晶层。

4. 液相外延法:在衬底表面溶液中通过温度梯度和供料调控,生长单晶薄层。

5. 低压有机金属化学汽相淀积法:使用有机金属源在低压容器中生长单晶。

6. 凝胶-溶胶技术:使用硅溶胶凝胶转化方法生长纳米粒子,再制成单晶薄膜。

7. 区熔定向生长法:利用激光等进行区域熔化,并控制固化方向生长大规模单晶。

通过精心控制结晶条件和过程,可以获得性能优异的单晶半导体。

单晶硅生长的工艺流程

单晶硅生长的工艺流程
单晶硅生长的工艺流程主要包括以下几个步骤：
1. 制备硅单晶种子
将高纯度多晶硅加热至熔点，使其中的杂质浮起，用特殊的设备从上端抽取到纯净的硅熔体，然后使用旋转器旋转并拉扯出来，即可得到具有较高晶格定向性的硅单晶种子。

2. 准备硅熔体
在特殊的反应炉中，将硅石和氧化铝等原料加入到高温高压的反应环境中，使它们发生互相作用，生成硅熔体。

3. 单晶硅生长
将硅单晶种子放入硅熔体中，并逐渐上升和旋转，依次凝固、生长出单晶硅，这个过程被称为“拉曼”过程。

同时，通过恰当的加热和冷却控制，可以获得所需的硅单晶形态和尺寸。

4. 硅单晶切成片
将生长好的硅单晶锯成晶片，用于制备太阳能电池和其他半导体器件。

5. 优化和制备半导体器件
对硅单晶晶片进行表面抛光、清洗等处理，采用化学蚀刻、光刻、离子注入、渗透等工艺优化晶体结构，然后通过印刷、焊接、封装等过程制备成各种半导体器件。

单晶硅生长技术

2020/9/12
2020/9/12
与敞开系统相比，密闭系统界面附近晶体轴向温度梯度增大约10℃，而熔体中轴向温度梯度降低约5℃。
温度-距离曲线（熔体）
磁场直拉法
今年来，随着生产ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ模的扩大，直拉单晶硅正向大直径发展，投料量急剧增加。由于大熔体严重的热对流不但影响晶体质量，甚至会破坏单晶生长。
目前，抑制热对流最常用的方法是在长晶系统内加装磁场。
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。
2020/9/12
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。
2020/9/12
通过在氩气气氛及真空环境下进行高阻区熔硅单晶生长试验发现,与在氢气气氛下生长硅单晶相比,在真空环境下采用较低的晶体生长速率即可生长出无漩涡缺陷的单晶, 而当晶体生长速度较高时, 尽管可以消除漩涡, 但单晶的少子寿命却有明显的下降。在真空中生长无漩涡缺陷单晶的生长速率,比在氢气气氛下生长同样直径单晶的生长速率低,但漩涡缺陷对单晶少子寿命的影响并不明显。
2020/9/12
研究发现，快速热处理( R T P)是一种
快速消融氧沉淀的有效方式, 比常规炉退火
消融氧沉淀更加显著。硅片经R TP 消融处
理后, 在氧沉淀再生长退火过程中，硅的体
微缺陷(BMD)密度显著增加, BMD的尺寸明
显增大。研究还发现, 氧沉淀消融处理后，
后续退火的温度越高, 氧沉淀的再生长越快。
单晶硅生长技术现状
2020/9/12
单晶硅简介
硅(Si)材料是信息技术、电子技术和光伏技术最重要的基础材料。

第3章_1_单晶生长

集成电路的基础工艺
集成电路是经过很多道工序制成的。其中最基础的工艺有：生产所需类型衬底的硅圆片工艺；准确定域区间的光刻工艺；向芯片中增加材料的氧化、淀积、扩散和离子注入工艺；去除芯片上的材料的刻蚀工艺。
集成电路的制造就是由这些基础工艺的不同组合构成的。本章主要介绍这些基础工艺。
（4）埋层掺杂（5）生长外延层
（6）外延层氧化（7）光刻二（隔离光刻）（8）隔离区掺杂（9）腐蚀掉隔离掺杂中形成的SiO2,然后重新生成SiO2作为基区掺杂的掩摸
（10）光刻三（基区光刻）（11）基区掺杂（硼）(12) 光刻四（发射区光刻）（13）发射区（14）光刻五（引线孔光刻）
（15）蒸铝（16）光刻六（刻铝）（17）合金
气氛控制：硅的CZ生长法必须在惰性气体或真空中进行。因为：(1)热的石墨部件必须保护以防止氧的侵蚀。（2）工艺中所用的气体应该不与熔融的硅起反应。
控制系统：控制系统在拉晶过程中控制着晶体生长的基本工艺参数。
2. 拉晶操作： (1) 准备工作掺杂剂制作，籽晶，坩埚，多晶硅
掺杂剂采用重掺杂单晶；
籽晶控制熔硅的核化和单晶的晶向。籽晶应当从无位错单晶锭上切取。
多晶硅是制取单晶硅的基本原料，应具有电子级纯度。
(2) 拉晶熔硅，引晶，收颈，放肩，收肩，等径生长，
收尾。
3.03 硅晶体中的杂质氧：硅中氧含量的行为是很复杂的。对
硅单晶的电学和力学性质产生明显影响。
（1）形成微缺陷（2）提高硅晶片的屈服强度（3）形成施主中心，增加电导率碳：在直拉单晶的非人为掺入的杂质中，
还没有一种高温材料满足要求。目前，熔融硅土是目前唯一使用的材料。
基座是用于支撑石英坩埚的，因为石墨的高温性能好，所以使用高纯石墨做基座。