单晶硅的制备 (2)PPT讲稿
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”二维表面成核，侧向层状生长“理论模型
单晶和多晶：
单晶：晶体的各个部分的取向一致，空间点阵排列
规律相同，由一个晶核生长而成的晶体，就是单 晶。
单晶可以小到一个晶胞，一个晶核，大到几百公斤， 组成和结构都相同，有规则的外表面和棱线。
多晶：多个晶体（晶粒）组成，具有多种晶向，结
合没有规律，晶体与晶体接触，形成晶界。多个 晶核结晶长大形成的多晶材料。
• 工艺过程
• ①原料准备：多晶硅棒表面滚磨，头部磨锥，腐蚀和清洗，去除
表面污染；籽晶的选择与处理：确定籽晶晶向，［１００]或 [111]，清洗，去污等。
• ②装炉：硅棒安装在射频线圈上部，籽晶安装在射频线圈下部。 • ③气关）炉，门每：次N102吹分扫钟空左气右1，-2抽次真(排空空，气向，炉节内约充A入r气惰体性气，体有（效A排r除,或空
间群不变，但分子由于吸热，热运动加快---到达熔点后，尽管晶体吸热，但 温度保持平台，吸收的热量使晶体结构发生变化，熔化（熔化热），晶体结 构部发熔生化相后变，，熔但体体吸系热温，度分不子变 热。 运克 动拉 加佩 快龙 ，方 熔程 体（ 温度dp升/d高T=）ΔHm/TΔVm)），待全
步冷曲线（结晶）：（同学分析）（降温速率是如何影响固体材料的结构？） （温控？）
③中子嬗变法掺杂Neutron Transmutation Doping (NTD) ：(适宜低浓度掺杂）
这是采用中子辐照的办法来对材料进行掺杂的一种技术，其最大优点就是掺入的 杂质浓度分布非常均匀。
对于半导体硅，通过热中子的辐照，可使部分的Si同位素原子转变为磷（P）原
子。 14Si30+ 中子 → 14Si31+γ射线 →→ 15P31+β射线
从而中于在子间S不隙i中能位出被置现，14了S应i施3在0吸主8收0磷0，℃而但-使8会5S0i是℃成S热为i原处了子理N型偏单。离晶注晶硅意格棒：平，热衡消中位除子置辐能，射被而造1且4成S1i的53P0吸3晶1大收格部，损分但伤处快。
9.2 区熔法制单晶硅
区熔法（Zone melting method),又称为Fz法（Float-Zone method)，早在1953年由Keck和Golay率先采用此法生 长单晶硅。
特点：氧含量低（不使用坩埚，直接在硅棒上区域熔炼）， 低金属污染，纯度高，主要用于生产高反压，大功率的 电子元件，如可控硅，整流器等，可以生长高电阻率的 硅单晶。区熔高阻单晶硅，可以制作晶闸管（1500A、 4000V）和红外探测器。
晶体结晶的过程：
是液相中的原子向固相（晶核，晶种或籽晶）表面扩散， 沉积，堆积方式按固相的空间点阵规律堆积排列，使固相晶体不 断长大（晶体长大）
二维晶核的形成和晶体 的生长
氮原子，很难再光洁的晶面上乘积生长。二 维晶核必须超过临界半径，才能稳定存在； 临界半径与过冷度成反比
二维晶核形成后，就形成台阶，原子沿台阶 铺展，又形成理想平面，晶体又必须依靠二 维晶核继续生长。
• ⑤为改善单晶质量和提高径向电阻率的均匀性，一般是结晶生长
轴与多晶硅棒的中心轴线不同心的“偏心”。
区熔单晶硅的掺杂方法 ①装填法：在多晶硅棒接近
圆锥的部位，钻一小孔， 放入分凝系数小的杂质 （Ga：0.008； In：0.0004)，依靠分凝效 应，是杂质在单晶硅轴向 均匀分布。（分凝系数： 固相与液相中的溶解度的 比值） ②气相掺杂：以Ar气体为载 气和稀释气体，直接将 P吹H入3（硅N熔型融）区或域B2内H6，（达P型到） 掺杂目的。气相掺杂的区 熔单晶硅电阻率比较均匀， 能满足一般功率器件和整 流器的要求，成本比中子 嬗变掺杂单晶硅成本低很 多，是制备N型区熔单晶 硅的一种较好的掺杂方法。 工业上常用。
区熔单晶硅生长系统：
炉体（包括炉膛，上轴，下轴，导轨，机械传动装置和基 座），高频发生器和高频槽路线圈（高频加热线圈）， 系统控制柜，真空系统，气体供给系统和水冷却系统等。
国际上最著名的区熔单晶炉公司：丹麦Haldortopsoe公司。
注意：①籽晶（单晶硅棒）和原料棒，旋转方向相反，能改善熔区热对流状况，是 熔区的温度场均匀；②硅熔体的表面张力为720dyn/cm( ?)( H20： 72mN/m.1atm),硅熔体表面张力较大，可以是熔体保持一定的厚度和直径，但 如果单晶硅棒直径过大，会是籽晶难于承受。③控制旋转速度，是固液界面接触稳 定，一般还要控制单晶硅的结晶轴（旋转中心轴）与原料棒的旋转轴中心，保持一 定的偏心，可以提高单晶硅的质量和径向电阻率的均匀性。
H硅2材和料N2的的氧混含合量气）体，，使H炉2可膛以内出气去压硅略棒高表于面大的气氧压化，层流，动降气低氛单。晶
（否则高温密闭，压力很大，易引起爆炸）
• ④射频线圈接上高频电压加热，使硅棒底部开始熔化，下降硅棒，
与籽晶熔接。熔接后硅棒和射频线圈快速上升，缩颈，消除位错。 晶颈拉完后，慢慢的让单晶的直径增大到目标大小（放肩），转 肩，等径生长，直至生长结束。
低，结晶能自发进行。
（3）晶核的形成 自发结晶：
熔体在一定的过冷度下，自发形成自发形成晶坯，不断长 大成晶核。继续长大成晶体。
晶坯的临界半径：与过冷度直接关。过冷度大，临界半径小，
容易形成晶核；过冷度小，临界半径大，难于产生晶核。
非自发结晶：
从体系外引入晶种，或籽晶，起晶核作用，籽晶（晶种） 不断长大。
（2）结晶的宏观特征和动力
过冷度（△T）：结晶需要晶核，一定的过冷度，才能形成晶核。 在温度等于熔点（Tm）时，溶解与凝固达到平衡，很难结晶。
当温度高于熔点时：液态自由能GL，大于固态自由能GS， （液态
向固态转化时,自由能增大，反应不能进行，不能结晶）
△G= GL- GS＞0，
当温度低于熔点时： △G= Gs- GL＜0，液态向固态转化，自由能降
单晶硅的制备 (2)课件
9.1 单晶硅基础知识
（1）晶体的熔化与凝固 晶体在缓慢加热和冷却过程中，有个温度平台，有固定的结晶（熔化温度），但非晶体没有。
硅的熔点：1416±4℃ 熔化热（结晶潜热）：12.1Kcal/mol (Cp.m=20 kJ mol-1k-1) 升温曲线的物理化学过程变化（熔化）：升温----晶体保持原有结构（对称和空
单晶和多晶：
单晶：晶体的各个部分的取向一致，空间点阵排列
规律相同，由一个晶核生长而成的晶体，就是单 晶。
单晶可以小到一个晶胞，一个晶核，大到几百公斤， 组成和结构都相同，有规则的外表面和棱线。
多晶：多个晶体（晶粒）组成，具有多种晶向，结
合没有规律，晶体与晶体接触，形成晶界。多个 晶核结晶长大形成的多晶材料。
• 工艺过程
• ①原料准备：多晶硅棒表面滚磨，头部磨锥，腐蚀和清洗，去除
表面污染；籽晶的选择与处理：确定籽晶晶向，［１００]或 [111]，清洗，去污等。
• ②装炉：硅棒安装在射频线圈上部，籽晶安装在射频线圈下部。 • ③气关）炉，门每：次N102吹分扫钟空左气右1，-2抽次真(排空空，气向，炉节内约充A入r气惰体性气，体有（效A排r除,或空
间群不变，但分子由于吸热，热运动加快---到达熔点后，尽管晶体吸热，但 温度保持平台，吸收的热量使晶体结构发生变化，熔化（熔化热），晶体结 构部发熔生化相后变，，熔但体体吸系热温，度分不子变 热。 运克 动拉 加佩 快龙 ，方 熔程 体（ 温度dp升/d高T=）ΔHm/TΔVm)），待全
步冷曲线（结晶）：（同学分析）（降温速率是如何影响固体材料的结构？） （温控？）
③中子嬗变法掺杂Neutron Transmutation Doping (NTD) ：(适宜低浓度掺杂）
这是采用中子辐照的办法来对材料进行掺杂的一种技术，其最大优点就是掺入的 杂质浓度分布非常均匀。
对于半导体硅，通过热中子的辐照，可使部分的Si同位素原子转变为磷（P）原
子。 14Si30+ 中子 → 14Si31+γ射线 →→ 15P31+β射线
从而中于在子间S不隙i中能位出被置现，14了S应i施3在0吸主8收0磷0，℃而但-使8会5S0i是℃成S热为i原处了子理N型偏单。离晶注晶硅意格棒：平，热衡消中位除子置辐能，射被而造1且4成S1i的53P0吸3晶1大收格部，损分但伤处快。
9.2 区熔法制单晶硅
区熔法（Zone melting method),又称为Fz法（Float-Zone method)，早在1953年由Keck和Golay率先采用此法生 长单晶硅。
特点：氧含量低（不使用坩埚，直接在硅棒上区域熔炼）， 低金属污染，纯度高，主要用于生产高反压，大功率的 电子元件，如可控硅，整流器等，可以生长高电阻率的 硅单晶。区熔高阻单晶硅，可以制作晶闸管（1500A、 4000V）和红外探测器。
晶体结晶的过程：
是液相中的原子向固相（晶核，晶种或籽晶）表面扩散， 沉积，堆积方式按固相的空间点阵规律堆积排列，使固相晶体不 断长大（晶体长大）
二维晶核的形成和晶体 的生长
氮原子，很难再光洁的晶面上乘积生长。二 维晶核必须超过临界半径，才能稳定存在； 临界半径与过冷度成反比
二维晶核形成后，就形成台阶，原子沿台阶 铺展，又形成理想平面，晶体又必须依靠二 维晶核继续生长。
• ⑤为改善单晶质量和提高径向电阻率的均匀性，一般是结晶生长
轴与多晶硅棒的中心轴线不同心的“偏心”。
区熔单晶硅的掺杂方法 ①装填法：在多晶硅棒接近
圆锥的部位，钻一小孔， 放入分凝系数小的杂质 （Ga：0.008； In：0.0004)，依靠分凝效 应，是杂质在单晶硅轴向 均匀分布。（分凝系数： 固相与液相中的溶解度的 比值） ②气相掺杂：以Ar气体为载 气和稀释气体，直接将 P吹H入3（硅N熔型融）区或域B2内H6，（达P型到） 掺杂目的。气相掺杂的区 熔单晶硅电阻率比较均匀， 能满足一般功率器件和整 流器的要求，成本比中子 嬗变掺杂单晶硅成本低很 多，是制备N型区熔单晶 硅的一种较好的掺杂方法。 工业上常用。
区熔单晶硅生长系统：
炉体（包括炉膛，上轴，下轴，导轨，机械传动装置和基 座），高频发生器和高频槽路线圈（高频加热线圈）， 系统控制柜，真空系统，气体供给系统和水冷却系统等。
国际上最著名的区熔单晶炉公司：丹麦Haldortopsoe公司。
注意：①籽晶（单晶硅棒）和原料棒，旋转方向相反，能改善熔区热对流状况，是 熔区的温度场均匀；②硅熔体的表面张力为720dyn/cm( ?)( H20： 72mN/m.1atm),硅熔体表面张力较大，可以是熔体保持一定的厚度和直径，但 如果单晶硅棒直径过大，会是籽晶难于承受。③控制旋转速度，是固液界面接触稳 定，一般还要控制单晶硅的结晶轴（旋转中心轴）与原料棒的旋转轴中心，保持一 定的偏心，可以提高单晶硅的质量和径向电阻率的均匀性。
H硅2材和料N2的的氧混含合量气）体，，使H炉2可膛以内出气去压硅略棒高表于面大的气氧压化，层流，动降气低氛单。晶
（否则高温密闭，压力很大，易引起爆炸）
• ④射频线圈接上高频电压加热，使硅棒底部开始熔化，下降硅棒，
与籽晶熔接。熔接后硅棒和射频线圈快速上升，缩颈，消除位错。 晶颈拉完后，慢慢的让单晶的直径增大到目标大小（放肩），转 肩，等径生长，直至生长结束。
低，结晶能自发进行。
（3）晶核的形成 自发结晶：
熔体在一定的过冷度下，自发形成自发形成晶坯，不断长 大成晶核。继续长大成晶体。
晶坯的临界半径：与过冷度直接关。过冷度大，临界半径小，
容易形成晶核；过冷度小，临界半径大，难于产生晶核。
非自发结晶：
从体系外引入晶种，或籽晶，起晶核作用，籽晶（晶种） 不断长大。
（2）结晶的宏观特征和动力
过冷度（△T）：结晶需要晶核，一定的过冷度，才能形成晶核。 在温度等于熔点（Tm）时，溶解与凝固达到平衡，很难结晶。
当温度高于熔点时：液态自由能GL，大于固态自由能GS， （液态
向固态转化时,自由能增大，反应不能进行，不能结晶）
△G= GL- GS＞0，
当温度低于熔点时： △G= Gs- GL＜0，液态向固态转化，自由能降
单晶硅的制备 (2)课件
9.1 单晶硅基础知识
（1）晶体的熔化与凝固 晶体在缓慢加热和冷却过程中，有个温度平台，有固定的结晶（熔化温度），但非晶体没有。
硅的熔点：1416±4℃ 熔化热（结晶潜热）：12.1Kcal/mol (Cp.m=20 kJ mol-1k-1) 升温曲线的物理化学过程变化（熔化）：升温----晶体保持原有结构（对称和空