单晶硅的制备

1电极； 11光学系统； 2硅熔体； 3等径生长； 12石英坩埚； 13石墨托； 4观察孔； 14石墨加热 5放肩； 器； 6缩颈； 15保温罩熔 7图像传感器； 体的流动 8卷轴旋转系统； 9提拉绳； 10至真空泵；
直拉法－几个基本问题 • 最大生长速度 • 熔体中的对流 • 生长界面形状（固液界面） • 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。
直拉法技术改进
磁控直拉技术
半导体晶体生长方法之一，简称MCZ法，是在 直拉法(CZ法)单晶生长的基础上对坩埚内的熔体施加 -强磁场，使熔体的热对流受到抑制。因而除磁体外， 主体设备如单晶炉等并无大的差别。其基本原理为， 在熔体施加磁场后，则运动的导电熔体体元受到洛伦 兹力f的作用。
加上磁场后，改变了整个熔体的流动状态及杂 质的输运条件并使单晶可以在温度波动范围小、生 长界面处于非常平稳的状态下生长。如对硅单晶而 言，改善了CZ方法中由于熔体热对流存在引起的氧 含量增加、电阻率均匀性差、微缺陷密度高以及来 自坩埚杂质污染使单晶纯度降低等缺点。
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（Czochralski 无定形硅，然后用直拉法 直拉法 法）或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单 或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单 晶硅。单晶硅主要用于制作半导体元件。 晶硅。单晶硅主要用于制作半导体元件。
直拉法单晶硅 通过电阻加热，将装在石英坩埚中的多 通过电阻加热， 晶硅熔化，并保持略高于硅熔点的温度， 晶硅熔化，并保持略高于硅熔点的温度，将 籽晶浸入熔体， 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。 晶并同时旋转引出晶体。
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
最大生长速度
纵向温度梯度、 晶体生长最大速度与晶体中的纵向温度梯度 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。 晶体的热导率、晶体密度等有关。提高晶体中的温 等有关 度梯度，可以提高晶体生长速度；但温度梯度太大， 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， 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。 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。 错密度，晶体实际生长速度往往低于最大生长速度。
悬浮区熔法
悬浮区熔法——主要用于提纯和生长硅单晶
在悬浮区熔法中， 在悬浮区熔法中，使圆柱形硅棒固定于垂直 方向，用高频感应线圈在氩气气氛中加热， 方向，用高频感应线圈在氩气气氛中加热，使棒 的底部和在其下部靠近的同轴固定的单晶籽晶间 形成熔滴，这两个棒朝相反方向旋转。然后将在 形成熔滴，这两个棒朝相反方向旋转。 多晶棒与籽晶间只靠表面张力形成的熔区沿棒长 逐步向上移动，将其转换成单晶。不使用坩埚， 逐步向上移动，将其转换成单晶。不使用坩埚， 单晶生长过程不会被坩埚材料污染， 单晶生长过程不会被坩埚材料污染，由于杂质分 凝和蒸发效应，可以生长出高电阻率硅单晶。 凝和蒸发效应，可以生长出高电阻率硅单晶。
液体覆盖直拉技术
对直拉法的一个重大改进， 对直拉法的一个重大改进，用此法可以制备多 种含有挥发性组元的化合物半导体单晶。 种含有挥发性组元的化合物半导体单晶。 主要原理：用一种惰性液体（覆盖剂）覆盖被拉 主要原理：用一种惰性液体（覆盖剂） 制材料的熔体，在晶体生长室内充入惰性气体， 制材料的熔体，在晶体生长室内充入惰性气体，使 其压力大于熔体的分解压力， 其压力大于熔体的分解压力，以抑制熔体中挥发性 组元的蒸发损失， 组元的蒸发损失，这样就可按通常的直拉技术进行 单晶生长。 单晶生长。
其主要用途是用作半导体材料和利用太 阳能光伏发电、供热等。 阳能光伏发电、供热等。由于太阳能具有清 洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来， 环保、方便等诸多优势，近三十年来， 太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、 太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、 市场开拓方面都获得了长足发展， 市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界 快速、稳定发展的新兴产业之一。 快速、稳定发展的新兴产业之一。
结束
Bye~~
(1)熔料 熔料。将坩埚内多晶料全部熔化； 熔料 (2)引晶 引晶。将籽晶放下经烘烤后，使之接触 引晶 熔体，籽晶向上提拉，控制温度使熔体在 籽晶上结晶； (3)缩颈 缩颈。目的在于减少或消除位错，获得 缩颈 无位错单晶。
(5)等径 等径。单晶保持圆柱形生长。 等径 (6)收尾 收尾。将单晶直径逐渐缩小，最后 收尾 呈锥形，以避免位错反延伸。 (4)放肩 放肩。使单晶长大到所需要的直径 放肩 尺寸。
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， 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 致熔体中心区与外围区发生相对运动， 在固液界面下方形成一个相对稳定的区域， 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。 利于晶体稳定生长。
磁控直拉技术主要用于制造电荷耦合 （CCD）器件和一些功率器件的硅单晶。也 可用于GaAs、GaSb等化合物半导体单晶的生 长。
连续生长技术 为了提高生产率，节约石英坩埚（ 为了提高生产率，节约石英坩埚（在 晶体生产成本中占相当比例），发展了连 晶体生产成本中占相当比例），发展了连 ）， 续直拉生长技术，主要是重新装料和 续直拉生长技术，主要是重新装料和连续 重新装料 加料两种技术 加料两种技术 。
近年来，各种晶体材料， 近年来，各种晶体材料，特别是以单晶硅为代 表的高科技附加值材料及其相关高技术产业的发展， 表的高科技附加值材料及其相关高技术产业的发展， 成为当代信息技术产业的支柱，并使信息产业成为 成为当代信息技术产业的支柱， 全球经济发展中增长最快的先导产业。 全球经济发展中增长最快的先导产业。单晶硅作为 一种极具潜能，亟待开发利用的高科技资源， 一种极具潜能，亟待开发利用的高科技资源，正引 起越来越多的关注和重视。 起越来越多的关注和重视。
单晶
的制备
பைடு நூலகம்
名 称： 单晶硅 英文名： 英文名： Monocrystalline silicon 分子式： 分子式： Si
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， 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， 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。 粒平行结合起来便结晶成单晶硅。 单晶硅 单晶硅具有准金属的物理性质， 单晶硅具有准金属的物理性质，有 较弱的导电性，其电导率随温度的升 较弱的导电性，其电导率随温度的升 高而增加，有显著的半导电性。 高而增加，有显著的半导电性。 半导电性
单晶硅的主要用途
单晶硅是一种比较活泼的非金属元素， 单晶硅是一种比较活泼的非金属元素， 是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发 是晶体材料的重要组成部分， 展的前沿。它是制造半导体硅器件的原料， 展的前沿。它是制造半导体硅器件的原料， 用于制大功率整流器、大功率晶体管、 用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极 管、开关器件等 。
重新装料直拉生长技术： 重新装料直拉生长技术：可节约大量时 间（生长完毕后的降温、开炉、装炉等）， 生长完毕后的降温、开炉、装炉等）， 一个坩埚可用多次。 一个坩埚可用多次。
连续加料直拉生长技术： 连续加料直拉生长技术：除了具有重新 装料的优点外， 装料的优点外，还可保持整个生长过程中 熔体的体积恒定， 熔体的体积恒定，提高基本稳定的生长条 件，因而可得到电阻率纵向分布均匀的单 晶。 连续加料直拉生长技术有两种加料法： 连续加料直拉生长技术有两种加料法： 连续固体送料和连续液体送料法。 连续固体送料和连续液体送料法。