CZ法单晶生长原理及工艺流程

CZ生长原理及工艺流程CZ法的基本原理，多晶体硅料经加热熔化，待温度合适后，经过将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、转肩、等径、收尾等步骤，完成一根单晶锭的拉制。

炉内的传热、传质、流体力学、化学反应等过程都直接影响到单晶的生长与生长成的单晶的质量，拉晶过程中可直接控制的参数有温度场、籽晶的晶向、坩埚和生长成的单晶的旋转与升降速率，炉内保护气体的种类、流向、流速、压力等。

CZ法生长的具体工艺过程包括装料与熔料、熔接、细颈、放肩、转肩、等径生长和收尾这样几个阶段。

1．装料、熔料装料、熔料阶段是CZ生长过程的第一个阶段，这一阶段看起来似乎很简单，但是这一阶段操作正确与否往往关系到生长过程的成败。

大多数造成重大损失的事故(如坩埚破裂)都发生在或起源于这一·阶段。

2．籽晶与熔硅的熔接当硅料全部熔化后，调整加热功率以控制熔体的温度。

一般情况下，有两个传感器分别监测熔体表面和加热器保温罩石墨圆筒的温度，在热场和拉晶工艺改变不大的情况下，上一炉的温度读数可作为参考来设定引晶温度。

按工艺要求调整气体的流量、压力、坩埚位置、晶转、埚转。

硅料全部熔化后熔体必须有一定的稳定时间达到熔体温度和熔体的流动的稳定。

装料量越大，则所需时间越长。

待熔体稳定后，降下籽晶至离液面3～5mm距离，使粒晶预热，以减少籽经与熔硅的温度差，从而减少籽晶与熔硅接触时在籽晶中产生的热应力。

预热后，下降籽晶至熔体的表面，让它们充分接触，这一过程称为熔接。

在熔接过程中要注意观察所发生的现象来判断熔硅表面的温度是否合适，在合适的温度下，熔接后在界面处会逐渐产生由固液气三相交接处的弯月面所导致的光环(通常称为“光圈”)，并逐渐由光环的一部分变成完整的圆形光环，温度过高会使籽晶熔断，温度过低，将不会出现弯月面光环，甚至长出多晶。

熟练的操作人员，能根据弯月面光环的宽度及明亮程度来判断熔体的温度是否合适。

3．引细颈虽然籽晶都是采用无位错硅单晶制备的[16～19]，但是当籽晶插入熔体时，由于受到籽晶与熔硅的温度差所造成的热应力和表面张力的作用会产生位错。

因此，在熔接之后应用引细颈工艺，即Dash技术，可以使位错消失，建立起无位错生长状态。

Dash的无位错生长技术的原理见7．2节。

金刚石结构的硅单晶中位错的滑移面为{111}面。

当以[l00]、[lll]和[ll0]晶向生长时，滑移面与生长轴的最小夹角分别为36．16°、l9．28°和0°。

位错沿滑移面延伸和产生滑移，因此位错要延伸、滑移至晶体表面而消失，以[100]晶向生长最容易，以[111]晶向生长次之，以[ll0]晶向生长情形若只存在延伸效应则位错会贯穿整根晶体。

细颈工艺通常采用高拉速将晶体直径缩小到大约3mm。

在这种条件下，冷却过程中热应力很小，不会产生新的位错。

因此，细颈的最小长度L与直径D的关系可由下式表示：式中，θ为滑移面与生长轴的最小夹角。

高拉速可形成过饱和点缺陷。

在这种条件下，即使[ll0]晶向生长位错也通过攀移传播到晶体表面。

实践发现，重掺锑晶体细颈粗而短就可以消除位错，可能是通过攀移机制实现的。

在籽晶能承受晶锭重量的前提下，细颈应尽可能细长，一般直径之比应达到1：10。

4．放肩引细颈阶段完成后必须将直径放大到目标直径，当细颈生长至足够长度，并且达到一定的提拉速率，即可降低拉速进行放肩。

目前的拉晶工艺几乎都采用平放肩工艺，即肩部夹角接近180°，这种方法降低了晶锭头部的原料损失。

5．转肩晶体生长从直径放大阶段转到等径生长阶段时，需要进行转肩，当放肩直径接近预定目标时，提高拉速，晶体逐渐进入等径生长。

为保持液面位置不变，转肩时或转肩后应开始启动埚升，一般以适当的埚升并使之随晶升变化。

放肩时，直径增大很快，几乎不出现弯月面光环，转肩过程中，弯月面光环渐渐出现，宽度增大，亮度变大，拉晶操作人员应能根据弯月面光环的宽度和亮度，准确地判断直径的变化，并及时调整拉速，保证转肩平滑，晶体直径均匀并达到目标值。

从原理上说也可以采用升高熔体的温度来实现转肩，但升温会增强熔体中的热对流，降低熔体的稳定性，容易出现位错(断苞)，所以，目前的工艺都采取提高拉速的快转肩工艺。

6．等径生长当晶体基本实现等径生长并达到目标直径时，就可实行直径的自动控制。

在等径生长阶段，不仅要控制好晶体的直径，更为重要的是保持晶体的无位错生长。

晶体内总是存在着热应力，实践表明，晶体在生长过程中等温面不可能保持绝对的平面，而只要等温面不是平面就存在着径向温度梯度，形成热应力，晶体中轴向温度分布往往具有指数函数的形式，因而也必然会产生热应力。

当这些热应力超过了硅的临界应力时晶体中将产生位错。

由轴向温度梯度引起的位错密度N D可以用下式表示[41]：式中，β是硅的热胀系数(在500～850℃温度范围内约为)，b是柏格斯矢量的绝对值，G是切变模量，σC是硅的临界应力，r 是晶体半径。

从式(4．28)可知，轴向温度梯度不引起位错的条件是径向温度梯度引起的位错密度由下式表示式中l是晶体长度。

从式(4．30)可知，径向温度梯度不引起位错的条件是因此，必须控制径向温度梯度和轴向温度梯度不能过大，使热应力不超过硅的临界应力，满足这样的条件才能保持无位错生长。

另一方面，多晶中夹杂的难熔固体颗粒、炉尘(坩埚中的熔体中的SiO挥发后，在炉膛气氛中冷却，混结成的颗粒)、坩埚起皮后的脱落物等，当它们运动至生长界面处都会引起位错的产生(常常称为断苞)，其原因一是作为非均匀成核的结晶核，一是成为位错源。

调整热场的结构和坩埚在热场中的初始位置，可以改变晶体中的温度梯度。

调节保护气体的流量、压力，调整气体的流向，可以带走挥发物SiO和有害杂质CO气体，防止炉尘掉落，有利于无位错单晶的生长，同时也有改变晶体中的温度梯度的作用。

无位错状态的判断因晶体的晶向而异，一般可通过晶锭外侧面上的生长条纹(通常称为苞丝)、小平面(通常称为扁棱和棱线)来判断。

<111>生长时，在放肩阶段有六条棱线出现，三条主棱线、三条副棱线、等晶阶段晶锭上有苞丝和三个扁棱，因生长界面上小平面的出现而使弯月面光环上有明显的直线段部分。

生长晶向对准时，三个小平面应大小相等，相互间成l20°夹角。

但实际生长时往往由于生长方向的偏离，造成小平面有大有小，有的甚至消失。

<100>方向生长时，有四条棱线，没有苞丝。

无位错生长时，在整根晶体上四条棱线应连续，只要有一条棱线消失或出现不连续，说明出现了位错(断苞)。

出现位错后的处理视情况不同处理方法也不同，当晶锭长度不长时，应进行回熔，然后重新拉晶；当晶锭超过一定的长度，而坩埚中还有不少熔料时，可将晶锭提起，冷却后取出，然后再拉出下一根晶锭；当坩埚中的熔体所剩不多时，或者将晶体提起，或者继续拉下去，断苞部分作为回炉料。

拉晶人员应调整拉晶工艺参数，尽可能避免出现位错。

这里所提到的“苞丝”实质上是旋转性表面条纹。

在4．2．5节中我们已经讨论了在晶体转轴与温度场对称轴不一致的条件下，晶体旋转所产生的轴向(沿提拉方向)的生长速率起伏以及由此而产生的旋转性杂质条纹。

现在我们再来讨论在同样的条件下，晶体的径向(垂直于提拉方向)生长速率起伏所产生的结果。

在近似地认为固液界面上任意一点包括固液界面边缘上任意一点的温度都等于硅的凝固点温度的前提(也就是说认为界面的过冷度等于零，即不考虑生长动力学效应的影响)下，由图4．12可以看出，晶体旋转时晶体柱面与熔体液面的交点(即固液界面边缘上的一点)A点距轴O’一O’的距离是变化着的。

晶体旋转一周，半径的变化为2d，故晶体的半径随时间的变化可表示为于是径向生长速率起伏为如果径向温度梯度为G、晶体旋转一周的温度变化为△T，则代入(4．10)式，于是有在晶体生长的等径阶段，径向生长速率的平均值为零。

由于晶体转轴与温度场对称轴不一致，因而产生了径向生长速率的起伏。

径向生长速率的起伏导致在该条件下生长的晶体的表面出现了细牙螺纹。

螺纹的螺距为每旋转一周固液界面边缘在液面方向的位移，如式(4．8)所示。

螺纹的深度为2d，即O一O轴与O’一O’轴间垂直距离的两倍，见图4—10。

晶体表面的这种细牙螺纹就是旋转性表面条纹。

晶体转轴与温度场对称轴不一致，晶体旋转时引起了生长速率的起伏，因而在晶体内引起了溶质浓度的起伏，这就是旋转性杂质条纹；同样原因引起的生长速率起伏，在晶体表面所引起的直径变化是旋转性表面条纹。

故旋转性杂质条纹和旋转性表面条纹都是同一原因引起的。

除了上述的旋转性生长条纹以外，由于固液界面温度的随机性的起伏，引起生长速率的起伏，也会产生表面条纹。

实际硅单晶无位错生长时所观察到的“苞丝”包括了这两种表面条纹。

以上关于表面生长条纹产生机制的讨论是在固液界面温度等于凝固点的近似假设条件下进行的，考虑到生长动力学效应界面温度有一定的过冷度，且与生长机制有关，因此<111>晶向生长的无位错硅单晶的生长过程中单晶表面可以看到明显的表面条纹(常被称为“苞丝”)，而一旦出现位错后就会消失，在<111>以外的晶向生长的无位错硅单晶生长时也看不到这样的现象。

7．收尾收尾的作用是防止位错反延。

在拉晶过程中，当无位错生长状态中断或拉晶完成而使晶体突然脱离液面时，已经生长的无位错晶体受到热冲击，其热应力往往超过硅的临界应力。

这时会产生位错，并将反延至其温度尚处于范性形变最低温度的晶体中去(图4．20)，形成位错排，星形结构。

一般来说，位错反延的距离大约等于生长界面的直径。

因此，在拉晶结束时，应逐步缩小晶体的直径直至最后缩小成为一点，这一过程称为收尾。

收尾可通过提高拉速，也可通过升高温度的方法来实现，更多的是将两种方法结合起来，收尾时应控制好收尾的速度，以防晶体过早地脱离液面。

目前先进的单晶炉可以实现从引晶到收尾的整个过程。