CZ硅晶生长理论

一. CZ法晶体生长设计




CZ生长炉的组成元件可以分成4部分：

（1） 炉体：包括石英锅，石墨三瓣锅，加热器，绝热元件，
炉壁。


（2） 晶棒及坩锅拉升上抬旋转机械：包括籽晶卡头，钢吊
绳，拉升上抬旋转元件。


（3） 气体压力控制：包括气体流量控制，真空系统，压力
控制阀。


（4） 控制系统：包括侦测感应器，电脑控制。




但是按照我们通熟的讲法可以认为是：

（1） 炉体：包括控制晶体升降旋转的电机（限位，用于控
制晶体升降的极限位置），副炉室（钢吊绳，重锤），
隔离板，主炉室（倒流桶，大盖板，上保温罩，主保
温罩，加热器，三瓣锅，托盘，托杆，六角外螺纹石
墨螺丝，内螺纹石墨螺丝，石英罩，电极，底盘），
传动机械（底盘下面的）。


（2） 电柜（加热，真空，球阀，温控仪，计算机，计算机
风扇，真空计开关，触摸屏，液压传动开关以及各种
电器电子元件）。


（3） 电控机（楼下的）







单晶硅的密度

固态密度 2.33克/cm3
液态密度 2.5克/cm3






凝固结晶的驱动力



在溶液长晶过程里，随着溶液温度的下降，将产生由
液态转换成固态的相变化。为什么温度下降，会导致相变化
的产生？这个问题一般我们可以用热力学的观点来解释。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由
自由能（G）来决定。

G = H－T×S

G：自由能

H：焓

T：绝对温度

S：乱度

一个平衡系统将具有最低自由能,假如一个系统的自由
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

在平衡的融化温度Tm时，液固二相的自由能是相等的，
即△G=0，

所以我们可以认为△G=△S△T

其中△T=Tm－T，即所谓的过冷度，由于在凝固时，△
S是个负值的常数，所以△T可被视为凝固结晶的唯一驱动
力。




液固界面

晶体生长时的液固界面的形状，和晶轴方向及温度梯
度有关。下图为三种可能出现的液固界面的形状，即凸形，
平面形，凹形。只有当液固界面的形状为平面形时，才能较
易维持良好的晶棒品质。但在实际的长晶里，由于热环境在
不断的变化，很难能维持长时间的平面状的界面。在定性上，
液固界面的形状可由考虑热平衡的关系来了解，当热散失程
度大于热来源时，液固界面的形状会变成凸状，当热散失程
度小于热来源时（过多的热源进入液固界面会提升等温线的
位置），液固界面的形状会变成凹状。




当液固界面的形状不是平面状时，在

凝固过程中会使
晶棒内产生热应力。当热应力等于弹性应力时，这些热应力
会在晶棒的冷却过程中消失掉。但是液固界面的形状太凸或
太凹时，热应力可能会大于弹性应力，这时晶棒内便会产生
差排，失去结晶的完美性。

光环区

光环区是指液面随着毛细作用，靠表面张力而吸附在晶
棒下方的区域。在光环区有一个与材料特性有关的角度，这
个角度是指晶棒表面与在光环区三相点正切线间的夹角。当
这个角不等于0时，这暗示着一个物体的固态表面不被其本
身的液态完全融化。

在长晶的过程中光环区的高度与晶棒的直径有关，当晶
棒的直径越大则光环区的高度越小。但是光环区的高度则不
受晶棒转速的影响。如果我们增加溶液的温度，便会使得液
固界面的位置往上移，也就是光环区的高度会增加，那么晶


棒的直径就会缩小，若温度增加的太大，光环区的高度增加
到让表面张力支撑不了，这时光环区便会突然垮掉，而使晶
棒与液面分离。



组成过冷现象

当晶体生长的液固界面的形状，能随着时间维持某种
一定程度时，具体而言就是凸出状或凹陷状不会随着时间增
加大小。在这种情况下，我们称之为稳定的界面。

在CZ硅晶生长里，由于我们必须加入掺杂物，如：硼，
磷，砷，锑等，再加上存在于溶液内的不纯物，如：氧，碳
等，使得液固界面前端的扩散边界会积累着高浓度的杂质，
因此，在这边界内的凝固温度将低于溶液的凝固温度，（因
为凝固温度会随着杂质浓度的增大而下降，这也是为什么在
拉多晶时容易出现结晶的原因）。


如果溶液的实际温度小于凝固温度，液固界面的形状
将会出现不稳定现象，而形成细胞状的结构，这种由杂质浓
度梯度引起的过冷现象称之为组成过冷。

在一个极度过冷的晶体生长里，会很容易导致多晶的
生长。

长晶系统的热平衡

我们在典型的CZ长晶法里，加热器的作用在于提供系
统热量Qh，以使硅溶液维持在高于熔化点的温度。如果我们
在液面上侵入一晶体，在晶体与溶液达到热平衡时，液面会
靠着表面张力的支撑吸附在晶体的下方。若此时我们将晶体
往上提升，这些被吸附着的液体也会跟着晶体往上运动，而
形成过冷状态。这些过冷的液体会凝固结晶，且随着晶体的
运动方向长成单晶棒。在这个凝固结晶的过程中，所释放出
的潜热QL则是一种间接的热量来源，这潜热将随着热传导
而沿着晶棒传输。同时，晶棒表面也会随着热辐射与热对流
将热量散失到外围Qc，另外溶液表面也会将热量Qm散失掉。
于是，在一个稳定的条

件下，进入系统的热能将等于输出系
统的热能。

Qh+QL=Qc+Qm

值得特别注意的是在长晶过程中有许多物理化学变化
存在于一个叫液固界面的面上。这个液固界面上的物理化学
变化与晶棒的品质有着密不可分的联系。下面是在液固界面


上的热平衡方程式和在液固界面附近的温度梯度及输送现
象。



LVd + AK1(dT1∕dx) = AKs(dTs∕dx)

L:潜热

V:凝固速度（晶体生长速度）

d:硅的密度

A:固液界面的截面积

K1:液体热传导系数

Ks:固体热传导系数



dT1∕dx, dTs∕dx:临近界面的液态及固态之间的温
度梯度



热的传输与温度分布

热的传输主要靠三种模式：辐射，对流，传导。因为
晶体生长是在高温下进行的，所以这三种模式都存在于系统
中。在CZ法里，溶液是随着由石墨加热器的辐射热而被加
热的，而溶液内部的热传输则是主要靠着对流，晶棒内部的
热传输是主要靠传导。另外，从液面及晶棒表面散失到外围
的热则是借着辐射作用（因为CZ法是真空操作，所以对流
作用不大）。

长晶系统内的温度分布将会影响晶棒品质，例如：晶
棒的冷却过程将会影响：

1：晶棒的密度及分子的分布

2；氧的析出物的生成

3：叠差的生成

晶棒中的这些缺陷的存在将会影响晶片在IC产品上的
应用良率。而且，溶液内部的温度分布也会影响到长晶的过
程，如：固液界面的形状及氧浓度分布。






溶液的流动现象

在CZ系统里的液体流动现象，主要是由5种基本形态
所组成。其中包括：


（1）由温度梯度造成的自然对流

（2）由溶液表面的温度差造成的表面张力对流

（3）由晶棒拉速引起的强迫对流

（4）由晶棒旋转引起的强迫对流

（5）由石英锅旋转引起的强迫对流



在这5种对流形态相互作用下，液体流动现象在CZ系
统里变得相当复杂。而液体流动现象不仅会影响液固界面的
形状，还会影响到溶液及晶棒内的掺杂物的密度分布。

1：自然对流：在一般的CZ系统里，热源是由石墨三
瓣锅侧面的加热器所提供，这造成溶液的外侧温度比中心轴


高，溶液的底端比液面的温度高。在物理学上物体的密度是
随着温度的增加而减小，所以在底部和侧面的溶液分子会借
着溶液的浮力往液面流动，而液面和中心轴的溶液分子会往
下流动，这种循环的对流方式，我们称之为“自然对流”。

随着自然对流的驱动力的增加，溶液内的对流形态便
会出现不稳定性，而导致出现温度及溶液流动速度随时间变
动的现象。有很多因素会导致不稳定性的出现，一般包括：

（1） 石英

锅及石墨三瓣锅的几何形状即大小


（2） 溶液的热力学性质


（3） 溶液随着温度变化的性质


（4） 其它形态的对流方式，例如：强迫对流




在大尺寸CZ长晶法里，热对流程度变得非常大，这是
因为自然对流的值正比于尺寸d的3次方，再加上温度梯度
△T在大尺寸的石英锅里也比较大的原因，当这些不稳定的
能量达到某一个点时，便会突破平衡，造成溶液乱流的发生，
而使溶液内部的温度变化的程度更为剧烈，有甚者，更会造
成晶棒生长的不稳定，而影响晶棒的质量。

2：强迫对流：在CZ法里，溶液温度的不对称性可以
靠着晶轴旋转来改善。如果晶轴没有旋转，长出的晶棒的形
状便不会是圆形的。晶轴的旋转会使紧临液固界面下的溶液
往上流动，再借着离心力的作用往外侧流动，而造成一个强
迫对流区。通过实验发现，在大尺寸的石英锅里，晶轴的旋


转在液固界面受到自然对流的作用上，变得比较小。所以当
溶液较深时，强迫对流只局限在液固界面下方的一小区域，
其它区域的溶液则仍主要受自然对流的影响。当溶液变得很
浅时，自然对流的程度变得不显著，于是整个流动形态主要
是为强迫对流。

石英锅的旋转的作用是为了使石英锅外侧的溶液往中
心流动。石英锅的旋转不仅可以改善溶液内的热对称性，另
外也促使溶液内的自然对流形成螺旋状的流动路径，而增加
径向的温度梯度

另外，由于硅溶液的导电系数与介电率随温度变化的
特性，电场的存在也会影响到溶液的流动，所以当使用三相
的电源时，溶液流动现象受电场的影响也会变得较明显。这
种三相电流将使溶液受到旋转的力量，因而抑制热对流。所
以如为了改善晶棒的掺杂物分布的均匀性，可以使用三相电
源的加热方式。




晶棒生长速度


通过各种理论数据表明，最大的长晶速度只有与晶棒的
尺寸有关，随着晶棒尺寸的增大，最大的长晶速度变得越低。
反之，如果增加拉速，晶棒的直径会变小。不过在实际的CZ
长晶里，最大的长晶速度只有理论值的80℅。事实上我们必
须了解到，晶体的拉速并非等于实际的晶棒生长速度，因为
晶棒的瞬时生长速度会随着溶液的温度变动而改变。所以，
实际的生长速度应为考虑到液面下降的效应后的瞬时生长
速度的平均值。

晶棒每单位时间的生长数量：

Gc =3.14vrrds = (p + h)3.14rrds

溶液每单位时间的凝固数量：

GL = 3.14hRRdL

因为Gc必须等于GL所以：

h = p(rrds∕RRdL － rrds)

v = p + h = p(rrdL∕RRdL － rrds)

v:实际的晶棒生长速度

p:晶体拉速

h:液面下降

速度

r:晶棒半径

ds:固体密度

R:石英锅半径


dL:液体密度

在CZ长晶法里只有当Gc等于GL时晶棒的生长才能处
于一个良好的状态。在长晶过程中出现晶体直径忽大忽小的
原因就在于Gc和GL的相互关系。当Gc和GL相等时晶体生
长时的直径会处于一个稳定的状态，而当Gc＞GL时长晶时的
直径会变小，那是因为溶液的凝固速度跟不上晶棒的生长速
度，此时的晶棒只能减小直径来维持长晶的平衡（拉速需降
低）。而当Gc＜GL时长晶时的直径会变大，那是因为溶液的
凝固速度比晶棒的生长速度大，此时的晶棒只能增大直径来
维持长晶的平衡（拉速需增大）。

不过在实际的生产过程中，一般都会将石英锅上抬来弥
补液面的下降量，以使液面保持在不变的位置。在这种情况
下，实际的长晶速度就等于拉速。但是在微观上，由于温度
的瞬时变动及石英锅上升速度的准确性等因素，实际的长晶
速度不会刚好等于拉速。

在CZ长晶法里，拉速可以说是最重要的过程参数，因
为晶棒内的缺陷：密度及分子分布与拉速有着相当大的关
系。在拉速增加时，晶棒容易形成孔隙型的点缺陷，拉速减
小则容易形成插入型点缺陷。这些点缺陷在晶棒的冷却过程
中会聚集形成所谓的差排环，从而影响晶片在IC产品上的
应用良率。




石英锅的重要性

石英坩埚可说是最重要的晶体生长中的元件之一，它不
仅能影响长晶的良率，也会影响硅片的品质。

现代的石英坩埚则存在二种结构，外侧是一层具有高气
泡密度的区域，称为气泡复合层，内侧则是一层3~5mm的
透明层，称之为气泡空乏层。气泡复合层的目的是在与均匀
的辐射有加热器所提供的辐射热源。气泡空乏层的目的在于
籍着降低与溶液接触区域的气泡密度，而改善单晶生长的成
功率及晶棒品质。
石英坩埚本身是非晶质的介态能，在适当的条件下他会
发生相变化而形成稳定的白矽石结晶态，白矽石结晶态的形


成包括成核与成长二个阶段，成核通常发生在石英坩埚壁上
的结构缺陷或杂质（特别是一些碱性金属或重金属）。初期
的白矽石结晶为球状，进一步的成长则是沿着坩埚壁成树枝
状往侧向发展，这是因为石英坩埚与溶液的反应时的垂直方
向的成长受到抑制之故。在白矽石结晶与非晶质石英坩埚壁
之间通常夹杂着一层矽溶液，而在白矽石结晶的边缘，通常
覆盖着棕色的sio（一氧化硅）气泡。这层渗透入石英坩埚
壁的溶液，随着时间的增加，可能使得白矽石结晶整个剥落。
这些剥落的白矽石颗粒，随着流动而飘动在溶液中。大部分
的颗粒，在一定时

间之后即可完全溶解于溶液内。然而仍有
些机率，部分较大的颗粒在未完全溶解之前，即撞倒晶棒的
表面，而导致位错的产生。在一个非常凹状的生长界面的边
缘区域，对于这种有颗粒引起的位错现象，显得特别敏感。
微小的颗粒如果碰到生长界面的中心区域，仍有可能不会产
生位错。
生长中的晶棒受到白矽石颗粒碰撞，而产生位错的机率
随着每单位时间由石英坩埚壁所释出的颗粒数目及大小之
增加而增加。也就是说，产生位错的机率随着石英坩埚的使
用时间及温度增加而增加。因此石英坩埚的使用总是有着时
间的限制，超过一定的时间，过多的白矽石颗粒将从石英坩
埚壁释放出来，使得零位错的生长而终止。

导流桶及大盖板


在直拉单晶生长过程中，炉体内的气体气流由上至下贯
穿单晶生长的区域，及时地带走由于高温而产生出来的硅氧
化物和杂质挥发物。因此，维持单晶炉体内真空值的稳定性，
不受外界因素的影响，同时使保护气体有合理的气流走向，
迅速带走杂质，已经成为目前半导体材料制造行业领域改进
设备，提高成晶率的重要课题。
合理的气流流向是一个重要的因素。当氩气穿过单晶生
长的区域时，由于硅熔液面低于石英坩锅口上沿，熔液表面
凹入坩锅内部，大部分气流会直接从坩锅壁外侧流向炉体下
部，只有少量的气流进入石英坩埚内部，带走气尘杂质的效
率自然降低了。这种情况在坩锅内熔液越浅时，问题越严重。
（这也就是为什么随着单晶生长长度的增加，温效输出也需
增大的原因）。为了避免这种情况的发生，在直拉单晶生长
拉制中，使用了导气罩技术（导流桶），使气体在炉体内有
合理的流向，能更有效带走杂质气尘。
使用导流桶对于单晶的生长是十分重要的。导流桶可以
为气流导向，不同的作用有不同的形状设计。首先，氩气向
下进入单晶生长的区域，由一个圆筒形导流桶直接把气流引
导至坩锅内，导流桶下口沿深入坩埚内，直接作用于单晶生
长面附近的气尘杂质。然后由于坩锅内壁的导向作用，气体
在熔液面上铺开后，又随坩锅内壁上升，最后从坩锅外侧流
向炉体下部。