单晶硅生长原理及工艺_刘立新
直拉硅单晶生长工艺流程与原理
氩气及真空系统部分
系统构成 1、氩气分流控制：三阀系统（氩气分流环（京运通 单晶炉只是转子流量计））； 2、炉压控制：节流阀； 3、真空测量：不同量程真空计检测真空； 4、真空泵组：副泵用于隔离操作，主泵用于正常拉 晶。
单晶炉加热系统示意图
单晶炉热系统
单晶炉热系统实物图
内（石英护套）/外（石墨护套）
单晶体/坩埚升降及旋转机构
1、快慢双电机构造： 提升拉速控制精度；实现易挥发杂质旳掺杂；
2、配重块合理配重： 确保了晶体旋转时旳动态平衡；
3、上/下轴旋转旳作用： 固液界面热对称旳取得；晶体断面良率旳提升；
4、行程传感器： 长度旳测量可把握剩料，做到及时收尾。
单晶炉晶体提拉部分
单晶炉晶体提拉部分（功能构造示意）
流体密封； 3、每炉生长之前经过用真空泵对炉子抽极限真空，（抽真
空）关闭抽闲阀门，测量炉内压力升高速度来鉴定炉子 是否到达密闭要求；（检漏）
单晶炉旳真空度及真空旳泄漏率对单晶硅生长 至关主要！
直拉单晶炉内部旳气氛环境特征
1、用高纯氩气保护（99.999%）； 2、带走氧气等泄露进炉内旳杂质，并带走熔液表面蒸发
单晶炉热系统旳材料构成及要求
1、加热器是热系统旳主体，用高纯石墨制成，它是系统旳热源。保温 系统用石墨制成，也有碳素纤维、碳毡、和高纯石墨混合构成；
2、热场内要提供通畅旳气流通道，并使气流流过生长区域液面； 3、氧化物会在温度较低旳热场零件上沉积，应防止氧化物沉积在液面 以上旳位置。
单晶炉热场
1、静态热场 熔硅后引晶时旳温度分布，由加热器、保温系统、坩埚位置等原因决定 。
2、炉子泄漏率合格之后开启真空阀和氩气阀，设定氩 气流量和炉压，使炉内到达单晶生长所需旳气氛和 压力条件（一般1000帕左右）。
硅单晶的原理和成长工序(课堂PPT)
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ห้องสมุดไป่ตู้
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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。
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籽晶与熔硅的接触
▪ 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。
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谢谢
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CZ生长原理及工艺流程
小莫
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单晶生长原理
▪ 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。
单晶硅生长及硅片制备技术概述
• 为了避免硅金属在高温下氧化，炉子必 须在惰性氩气气氛下操作，氩气可以从
炉顶及长晶腔顶流入，使用机械式真空 抽气机及气体流量阀将气压控制在5～ 20torr及80～150升／分钟的流量，氩气 流经长晶腔再由抽气机带走。
• 在晶体生长过程中，石英坩埚在高温惰性气氛下逐渐脱氧：
• SiO2→SiO+O
(2.12)
• Si+SiO2→2SiO (2.13)
• 氧原子溶入硅融液中成为硅晶棒氧杂质的来源。同时，氧
原子可以以一氧化硅化学组成的气体，进入氩气气流中排
出长晶炉外。
• 石墨在高温下与微量的氧气有下列反应而导致材质衰变：
• 在晶体生长过程中，硅晶种被纯度99．7％的钨丝线所 悬挂。晶体成长时，钨丝线及晶棒以2—20rpm旋转且 以0．3—10mm／min速率缓慢上升，造成融溶液面下 降，为保持固定的液体表面水平高度，坩埚的支撑轴 需不断地慢速上升，此支撑轴由冷等压石墨材制成， 与钨丝线成不同方向旋转。使用光学影像量测系统固 定扫瞄晶棒与融熔表面形成的凹凸光环(meniscus)大小， 以决定成长中晶棒的直径。晶棒直径是晶体生长工艺 过程中第一优先控制的参数。其次为钨丝线上升速率 及液面温度，在实际生产中使用计算机软件来进行控 制。在某固定直径的长晶条件下，融液温度瞬间变高 将导致晶棒直径变小的倾向，进而造成钨丝线上升速 率急速变慢，反之则变快。温度不稳定会引起钨丝线 上升速率交互跳动，进而晶体品质不良
单晶硅生长过程的技术要点
• 提拉法生长单晶的过程可细分为(1)硅金属及渗杂质 (Dopant)的融化，(2)长颈子(Necking)，(3)长晶棒主体 (Body)及收尾(Tail Growth)
单晶硅生产工艺[资料]
![单晶硅生产工艺[资料]](https://img.taocdn.com/s3/m/c3c917c2647d27284a73512b.png)
单晶硅生产工艺[资料]单晶硅生产工艺单晶硅生产工艺一、单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。
熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。
单晶硅棒是生产单晶硅片的原材料，随着国内和国际市场对单晶硅片需求量的快速增加，单晶硅棒的市场需求也呈快速增长的趋势。
单晶硅圆片按其直径分为 6 英寸、8 英寸、12 英寸(300 毫米)及 18 英寸(450 毫米)等。
直径越大的圆片，所能刻制的集成电路越多，芯片的成本也就越低。
但大尺寸晶片对材料和技术的要求也越高。
单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法(CZ)、区熔法(FZ)和外延法。
直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。
直拉法生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。
目前晶体直径可控制在Φ3~8 英寸。
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。
目前晶体直径可控制在Φ3~6 英寸。
外延片主要用于集成电路领域。
由于成本和性能的原因，直拉法(CZ)单晶硅材料应用最广。
在 IC 工业中所用的材料主要是 CZ 抛光片和外延片。
存储器电路通常使用 CZ 抛光片，因成本较低。
逻辑电路一般使用价格较高的外延片，因其在 IC 制造中有更好的适用性并具有消除 Latch,up 的能力。
单晶硅也称硅单晶，是电子信息材料中最基础性材料，属半导体材料类。
单晶硅已渗透到国民经济和国防科技中各个领域，当今全球超过 2000 亿美元的电子通信半导体市场中95%以上的半导体器件及 99%以上的集成电路用硅。
二、硅片直径越大，技术要求越高，越有市场前景，价值也就越高。
日本、美国和德国是主要的硅材料生产国。
中国硅材料工业与日本同时起步，但总体而言，生产技术水平仍然相对较低，而且大部分为 2.5、3、4、5 英寸硅锭和小直径硅片。
单晶硅生长技术及氧缺陷控制方法2100字
单晶硅生长技术及氧缺陷控制方法2100字摘要：本文介绍了单晶硅的基本概念和用途，并对单晶硅的几种主要制备方法做了简单介绍。
同时结合生产实际经验，对单晶硅中的主要杂质――氧，提出了几种控制方法。
关键词：单晶硅;生长技术;氧缺陷1 单晶硅的概念半导体材料的电学性质和其他物理性质对晶格缺陷以及所含杂质的种类和数量非常敏感。
制作各种半导体器件，尤其是集成电路和大规模集成电路的制作更需要均匀性好的大直径完善单晶。
目前不仅能制造无位错的完善单晶，而且还可以将位错密度控制在一定范围内[1]。
无位错单晶的直径已达到200mm规格化。
2 单晶硅的生长方法生长单晶的方法有很多种，但基本上可分为：从熔体中的生长法、从溶剂的溶液中生长法和气相生长法[2]。
从熔体中生长单晶的方法，根据具体的工艺又分为立式和水平布里支曼法、立式和水平区溶法、直拉法和粉末法等。
立式区熔法又称无坩埚区熔法。
从溶液中生长单晶的方法有溶剂层移动法，液相外延法等。
从气相生长单晶方法，又可分为热分解或氢还原CVE、利用歧化反应的CVE以及分子束外延法等。
体单晶硅的制备主要用直拉法和区溶法。
薄层单晶硅的制备主要用硅的化合物热分解或氢还原的CVE及分子束外延法。
直拉法又称为乔赫拉尔斯基法。
这种方法生长的单晶硅径向杂质分布比较均匀，但纵向分布就差一些。
另外，拉制单晶时熔体直接与石英坩埚接触，会引进一些氧原子及碳沾污。
目前用区熔法能生长直径100mm，长1m以上的单晶硅，这种单晶中纵向杂质分布比较好，但径向分布不如直拉法的单晶。
用气相外延法（如SiH4的热分解或SiCl4氢还原）能够制备质量非常好的薄层单晶，一般器件大多制作在这个外延层中。
气相外延是目前在器件生产中不可缺少的工艺。
为了满足器件对材料的导电类型和电阻率的要求，在直拉法中采用在熔体中掺杂的方法，在无坩埚区熔中采用的掺杂方法有多种。
前些年，我国主要采用溶液掺杂法，最近提出了一些新的行之有效的掺杂方法。
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。
直拉单晶硅生长原理及其工艺技术 (2)
图1-6多晶硅
图1-4 晶体熔化曲线
250 200 温度T 150 系列1 100 50 0 a b 时间t c d
温度T
250 200 150 系列1 100 502 单晶和多晶 1.2.1 单晶 在晶体中，晶体的各个部分，从上到下，从里到外，所有原子，分子或离子都是有规律的排 列，组成一个空间点阵。这种排列具有周期性和对称性，他们的结晶学方向都是相同的。根据这种 周期性和对称性，总可以找到一个最小的结构单元，而它周围的结构，其实就是将它重复排列的结 果，最终组成了整个晶体，这个结构单元称为晶胞，它能体现晶体的基本性质，它是组成晶体的最 小单元。也可以理解为同一晶胞在三维空间里不断的重复平移就组成了晶体，这样的晶体称为单晶 体，还可以说，该物质的质点按同一取向排列，由一个核心(晶核)生长而成的晶体就是单晶。 单晶体有大有小，小到一个晶胞、一个晶粒，大到几百千克。之所以把他称为单晶体是因 为组成的物质是相同的，组成它的所有晶胞的晶向是相同的。因此有的还具有规则的外表面和棱线。 1.2.2 多晶 一个物体包含有多个晶体（晶粒），这些晶体杂乱无章的聚集在一起，具有多种晶向，晶 体之间的原子排列发生了变异，从而产生了界限，称为晶界。从单独一个晶体看，具有单晶体的性 质，但从整个物体看，去没有单晶的性质，各项异性的特征消失，这个物体虽然是晶体，但不具备 周期性和对称性，也不具备同一个晶向，这种物体称为多晶体，它是由大量结晶学方向不相同的晶 体组成的。 因为多晶中各个晶粒的取向不同。在外力的作用下，一些晶粒的滑移面处于有利地位，当 受到较大的切应力时，位错开始滑移。而相邻晶粒处于不利位向，不能开始滑移则变成晶粒中的位 错不能越过晶粒晶界，而是塞秸在晶界附近，这个晶粒的变形便受到约束。所以，多晶的变形要困 难些。单晶的塑性形变相对容易些，在外力的作用下容易沿着解离面剖开。图1-6是单晶硅和多晶 硅的实物图.
一种单晶硅的生长方法及单晶硅[发明专利]
![一种单晶硅的生长方法及单晶硅[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/488fcce7b04e852458fb770bf78a6529647d35c0.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202110287392.4(22)申请日 2021.03.17(71)申请人 杭州晶宝新能源科技有限公司地址 310000 浙江省杭州市西湖区文三路199号创业大厦1105室(72)发明人 陈鹏 李晓强 (74)专利代理机构 北京超凡宏宇专利代理事务所(特殊普通合伙) 11463代理人 覃蛟(51)Int.Cl.C30B 15/04(2006.01)C30B 15/20(2006.01)C30B 29/06(2006.01)(54)发明名称一种单晶硅的生长方法及单晶硅(57)摘要本发明公开了一种单晶硅的生长方法及单晶硅，涉及单晶硅技术领域。
单晶硅的生长方法，包括：将设定量的多晶硅原料和掺杂剂置于生长容器中采用提拉法进行晶体生长，并在收尾阶段末期继续生长一个待测晶体，通过测试待测晶体的电阻率计算在生长容器的余料中掺杂剂的浓度，进而根据余料中掺杂剂的浓度计算掺杂剂的补充量，以将掺杂剂的浓度补充至设定值进行下一晶体的生长。
能够更精确地测试余料中掺杂剂的浓度，达到精确控制下一晶体生长前生长容器中掺杂剂的浓度，使晶体的电阻率能够更精确地进行控制，一定程度上防止晶体电阻率偏离目标值，提升产品合格率。
权利要求书1页 说明书5页 附图2页CN 112680787 A 2021.04.20C N 112680787A1.一种单晶硅的生长方法，其特征在于，包括：将多晶硅原料和设定浓度的掺杂剂置于生长容器中采用提拉法进行主晶体的生长，并在收尾阶段末期继续生长一个待测晶体，通过测试所述待测晶体的电阻率计算在所述生长容器的余料中掺杂剂的浓度，进而根据余料中掺杂剂的浓度计算掺杂剂的补充量，以将掺杂剂的浓度补充至设定浓度进行下一晶体的生长。
2.根据权利要求1所述单晶硅的生长方法，其特征在于，在生长出所述待测晶体之后，将整体晶体取出并将所述待测晶体从所述主晶体上切除，然后将所述待测晶体进行热处理之后再测定所述待测晶体的电阻率。
半导体第三讲 下 单晶硅生长技术
2014-11-16
工艺及化学反应式分别如下
1.盐酸化处理
将冶金级Si置于流床反应器中，通人盐酸形成 SiHCI
2.蒸馏提纯
置于蒸馏塔中，通过蒸馏的方法去除其他的反应杂质
3.分解析出多晶硅
将上面已纯化的SiHCl}置于化学气相沉积反应炉中与氢 气，发生还原反应，使得单质Si在炉内高纯度细长硅 棒表面析出，再将此析出物击碎即成块状多晶硅
2014-11-16
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。
2014-11-16
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。
2014-11-16
区熔(FZ )法生长硅单晶
无坩埚悬浮区熔法。 原理：在气氛或真空的炉室中，利用高频 线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒 的接触处产生熔区，然后使熔区向上移动 进行单晶生长。 由于硅熔体完全依靠其表面张力和高频电 磁力的支托，悬浮于多晶棒与单晶之间， 故称为悬浮区熔法。
2014-11-16
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。 硅材料的优点及用途决定了它是目前最重要、产量最 大、发展最快、用途最广泛的一种半导体材料。
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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：5、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０７），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 Lixin 1，LUO Ping 1，LI Chun 1，LIN Hai 1，ZHANG Xuejian 1，2，ZHANG Ying 1（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 sizeofÉäÏß̽²âÆ÷¡¢¼¯³Éµç·¡¢Ì«ÑôÄܵç³ØµÈ［1］。
此外，硅没有毒性，且它的原材料石英(SiO 2)构成了大约60%的地壳成分，其原料供给可得到充分保障。
硅材料的优点及用途决定了它是目前最重要、产量最大、发展最快、用途最广泛的一种半导体材料［2］。
到目前为止，太阳能光电工业基本上是建立在硅材料基础之上的，世界上绝大部分的太阳能光电器件是用单晶硅制造的。
其中单晶硅太阳能电池是最早被研究和应用的，至今它仍是太阳能电池的最主要材料之一。
单晶硅完整性好、纯度高、资源丰富、技术成熟、工作效率稳定、光电转换效率高、使用寿命长，是制备太阳能电池的理想材料。
因此备受世界各国研究者的重视和青睐，其市场占有率为太阳能电池总份额中的40%左右［3］。
随着对单晶硅太阳能电池需求的不断增加，单晶硅市场竞争日趋激烈，要在这单晶硅市场上占据重要地位，应在以下两个方面实现突破，一是不断降低成本。
为此，必须扩大晶体直径，加大投料量，并且提高拉速。
二是提高光电转换效率。
为此，要在晶体生长工艺上搞突破，减低硅中氧碳含第32卷第4期2009年12月长春理工大学学报（自然科学版）Journal of Changchun University of Science and Technology （Natural Science Edition ）Vol.32No.4Dec.2009量［4］。
因此，对单晶硅的生产和研究提出了新的要求。
了解单晶生长条件、生长缺陷以及它们对器件性能的影响之间的关系，对提高晶体质量是很重要的。
本文采用直拉法生长了6英寸优质单晶硅，并对其电阻率、杂质含量及位错进行了测试，获得了最佳的生长工艺参数，分析了杂质引入机制及减少杂质的措施。
1直拉法生长单晶硅基本原理当前制备单晶硅主要有两种技术，根据晶体生长方式不同，可分为悬浮区熔法（Float Zone Meth-od ）和直拉法（Czochralski Method ）。
这两种方法制备的单晶硅具有不同的特性和不同的器件应用领域，区熔单晶硅主要应用于大功率器件方面，而直拉单晶硅主要应用于微电子集成电路和太阳能电池方面，是单晶硅的主体。
基本原理：原料装在一个坩埚中，坩埚上方有一可旋转和升降的籽晶杆，杆的下端有一夹头，其上捆上一根籽晶。
原料被加热器熔化后，将籽晶插入熔体之中，控制合适的温度，使之达到过饱和温度，边旋转边提拉，即可获得所需单晶。
因此，单晶硅生长的驱动力为硅熔体的过饱和。
根据生长晶体不同的要求，加热方式可用高频或中频感应加热或电阻加热。
图1是直拉法单晶硅生长原理示意图。
1－单晶硅；2－硅熔体；3－坩埚；4－加热器图1直拉法单晶硅生长原理示意图Fig.1The graph of growth principle for single crystal silicon byCz method2实验2.1直拉法单晶硅生长设备采用直拉法生长炉及相关配套系统生长单晶硅。
整个生长系统主要包括晶体旋转提拉系统、加热系统、坩埚旋转提拉系统、控制系统等。
图2为直拉法生长单晶硅设备实物图与示意图。
由图2可知，炉体下部有一石墨托（可以上下移动和旋转），上面放置圆柱形石墨坩埚（用以支撑石英坩埚）、石英坩埚、石墨加热器及保温罩、炉壁等。
所用的石墨件和石英件都是高纯材料，以防止对单晶硅的污染。
采用软性的吊线挂住籽晶，晶体与坩埚拉升速度，必须能够维持高准确度，这样才能保持液面在同一位置，精确控制晶体的生长速度。
控制系统是用以控制程序参数，如晶体直径、拉速、温度及转速等。
控制系统一般是采用闭环式回馈控制。
直径控制sensor （CCD camera ）是用以读取晶体直径，并将读取之数据送至控制系统（PLC ）。
为了控制直径，控制系统会输出讯号调整拉速、转速及温度。
同样，晶体生长炉内氩气的流量等参数，也是靠这种闭环回馈方式控制。
2.2直拉法单晶硅生长工艺直拉法生长单晶硅的制备步骤一般包括：多晶硅的装料和熔化、引晶、缩颈、放肩、等颈和收尾。
如图3所示。
2.1.1多晶硅的装料和熔化首先，将高纯多晶硅料粉碎至适当的大小，并在硝酸和氢氟酸的混合溶液中清洗外表面，以除去可能的金属等杂质［5］，然后放入高纯的石英坩埚内。
在装料完成后，将坩埚放入单晶炉中的石墨坩埚中，然后将单晶炉抽真空使之维持在一定的压力范围之内，再充入一定流量和压力的保护气，最后加热升温，加热温度超过硅材料的熔点1412℃，使其充分熔化。
长春理工大学学报（自然科学版）2009年5701－晶体上升旋转机构；2－吊线；3－隔离阀；4－籽晶夹头；5－籽晶；6－石英坩埚；7－石墨坩埚；8－加热器；9－绝缘材料；10－真空泵；11－坩埚上升旋转机构；12－控制系统；13－直径控制传感器；14－氩气；15－硅熔体图2直拉法生长单晶硅设备实物图与示意图Fig.2The graph of device and principle for single crystal silicon by Cz method2.1.2引晶选取籽晶尺寸为１５０１０００2.3性能测试采用BIO-RAD公司FTS135傅立叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)仪测定单晶硅中的氧含量和碳含量；采用北京中西化玻仪器有限公司SHY11－BD86A型电阻率测试仪（测量范围：10・cm，分辨率：10・cm）测定单晶硅的电阻率；采用北京合能阳光新能源技术有限公司HS－CLT型少子寿命测试仪（测量范围：1－6000m，贯穿深度：5003结果与讨论表2为6英寸单晶硅性能测试结果。
结果表明，当晶体转速为10rpm ，坩埚转速为－5rpm ，所生长出的单晶硅各项性能指标最佳。
表26英寸单晶硅性能测试结果Tab.2The results of performance measurements for 6-inch single crystal silicon编号类型晶向电阻率(s )标准1#2#3#P 型P 型P 型P 型（100）（100）（100）（100）0.5～31.71.71.75.03.73.53.2＞5121483.1氧杂质直拉单晶硅中存在杂质。
一方面，直拉单晶硅需要有意掺入电活性杂质，以控制电阻率和导电类型；另一方面，在直拉单晶硅生长和加工过程中会引入其它不需要的杂质，如氧、碳等［10，11］。
对于太阳能用直拉单晶硅而言，一方面，为了降低成本，晶体生长工艺的控制要求相对较低，生长设备相对简单，而且晶体生长速度快，会引起较多的杂质和缺陷；另一方面，由于生长太阳能电池用直拉单晶硅的原材料来源复杂，既有电子级高纯多晶硅的废、次料，又有电子级直拉单晶硅的头尾料、锅底料，甚至有太阳电池用直拉单晶硅的头尾料，导致较多杂质的引入。
目前，在太阳能电池用直拉单晶硅中，主要杂质是氧和碳。
图5直拉单晶硅中间隙氧的原子结构示意图Fig.5The atomic structure schematic diagram of interstitial oxygen in the single crystal silicon by Cz method氧是直拉单晶硅中的主要杂质，它来源于晶体生长过程中石英坩埚的污染，是属于直拉单晶硅中不可避免的轻元素杂质；氧可以与空位结合，形成微缺陷；也可以团聚形成氧团簇，具有电学性能；还可以形成氧沉淀，引入诱生缺陷，这些都可能对单晶硅的性能产生影响。
直拉单晶硅中的氧一般在(5～20)×1017cm高，原料中的碳含量不断降低；而且人们采用了减压氩气保护生长单晶硅，使得炉膛内的碳杂质以CO 气体形式被流动的保护气带出晶体生长炉，从而使直拉单晶硅中的碳浓度大幅降低。
但是，对于太阳能电池直拉单晶硅，其原料来源并不完全是高纯多晶硅，还包括微电子用直拉单晶硅的头尾料等；而且晶体生长的控制也远不如微电子用直拉单晶硅严格，所以其碳浓度相对较高。
在直拉单晶硅生长时，高温石英坩埚与石墨加热器件反应，生成SiO和CO，其中CO气体不易挥发，大多进入硅熔体与熔硅反应，产生单质碳和SiO，而SiO大部分从熔体表面挥发，碳则留在熔硅中，最终进入晶体硅。
碳在硅中的分凝系数很小，一般认为是0.07.在晶体硅生长时，与氧浓度的分布相反，碳浓度在晶体头部很低，而在晶体尾部则很高。