直拉單晶硅的制備工藝

1、直拉單晶硅的制備工藝內(nèi)容提要： 單晶硅根據(jù)硅生長方向的不同分為區(qū)熔單晶硅， 外延單晶硅和直拉單晶硅。 直拉單晶硅的制備工藝一般包括多晶硅的裝料和熔化，種晶，縮頸，放肩，等徑和收尾。目前，單晶硅的直拉生長法已經(jīng)是單晶硅制備的主要技術(shù)， 也是太陽電池用單晶硅的主要制備方法。關(guān) 鍵 詞： 直拉單晶硅，制備工藝一，直拉單晶硅的相關(guān)知識硅單晶是一種半導(dǎo)體材料。直拉單晶硅工藝學(xué)是研究用直拉方法獲得硅單晶的一門科學(xué)， 它研究的主要內(nèi)容： 硅單晶生長的一般原理，直拉硅單晶生長工藝過程，改善直拉硅單晶性能的工藝方法。直拉單晶硅工藝學(xué)象其他科學(xué)一樣，隨著社會的需要和生產(chǎn)的發(fā)展逐漸發(fā)展起來。十九世紀，人們發(fā)現(xiàn)某些礦

2、物，如硫化鋅、氧化銅具有單向?qū)щ娦阅?，并用它做成整流器件，顯示出獨特的優(yōu)點，使半導(dǎo)體材料得到初步應(yīng)用。后來，人們經(jīng)過深入研究，制造出多種半導(dǎo)體材料。1918年，切克勞斯基(J Czochralski)發(fā)表了用直拉法從熔體中生長單晶的論文， 為用直拉法生長半導(dǎo)體材料奠定了理論基礎(chǔ)，從此， 直拉法飛速發(fā)展， 成為從熔體中獲得單晶一種常用的重要方法。目前一些重要的半導(dǎo)體材料，如硅單晶，鍺單晶，紅寶石等大部分是用直拉法生長的。 直拉鍺單晶首先登上大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的舞臺， 它工藝簡單，生產(chǎn)效率高，成本低，發(fā)展迅速；但是，鍺單晶有不可克服的缺點：熱穩(wěn)定性差，電學(xué)性能較低，原料來源少，應(yīng)用和生產(chǎn)都受到一定限制

3、。六十年代，人們發(fā)展了半導(dǎo)體材料硅單晶，它一登上半導(dǎo)體材料舞臺，就顯示了獨特優(yōu)點：硬度大，電學(xué)熱穩(wěn)定性好，能在較高和較低溫度下穩(wěn)定工作，原料來源豐富。地球上25.8%是硅，是地球上鍺的四萬倍，真是取之不盡，用之不竭。因此，硅單晶制備工藝發(fā)展非常迅速，產(chǎn)量成倍增加， 1964 年所有資本主義國家生產(chǎn)的單為晶硅 50-60 噸， 70 年為 300-350 噸， 76 年就達到 1200 噸。其中 60%以上是用直拉法生產(chǎn)的。隨著單晶硅生長技術(shù)的發(fā)展，單晶硅生長設(shè)備也相應(yīng)發(fā)展起來，以直拉單晶硅為例， 最初的直拉爐只能裝百十克多晶硅， 石英坩堝直徑為40 毫米到60 毫米，拉制單晶長度只有幾厘米，十

4、幾厘米，現(xiàn)在直拉單晶爐裝多晶硅達40 斤，石英坩堝直徑達350 毫米，單晶直徑可達150 毫米，單晶長度近2 米， 單晶爐籽晶軸由硬構(gòu)件發(fā)展成軟構(gòu)件，由手工操作發(fā)展成自動操作，并進一步發(fā)展成計算機操作，單晶爐幾乎每三年更新一次。 大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，給電子工業(yè)帶來一場新的革命， 也給半導(dǎo)體材料單晶硅帶來新的課題。 大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路在部分用直拉單晶硅制造， 制造集成電路的硅片上， 各種電路密度大集成度高， 要求單晶硅有良好的均勻性和高度的完美性。以4k位集成電路為例，在4X4毫米或4X6毫米的硅片上，做四萬多個元件， 還要制出各元件之間的連線，經(jīng)過幾十道工序，很多次熱處理。元

5、件的高密度，復(fù)雜的制備工藝，要保證每個元件性能穩(wěn)定， 除制作集成電路工藝成熟外， 對硅單晶材料質(zhì)量要求很高： 硅單晶要有合適的電阻率和良好的電阻率均勻性， 完美的晶體 結(jié)構(gòu)，良好的電學(xué)性能。因此，硅單晶生長技術(shù)要更成熟、更精細、 更完善， 才能滿足集成電路的要求。 直拉單晶硅工藝理論應(yīng)不斷地向前發(fā)展。二，直拉單晶硅的制備工藝（1） ，工藝概述直拉法生產(chǎn)硅單晶工藝盡管種類繁多， 但大體可分為： 真空工藝、氣氛工藝和減壓拉晶工藝。真空工藝又分低真空工藝和高真空工藝。真空工藝的特點是在單晶爐膛內(nèi)保持真空情況下拉制硅單晶。 低真空工藝單晶爐膛內(nèi)真空度保持10-110-2無，高真空工藝單晶爐膛保持 10

6、-3 乇或更高的真空度。硅單晶拉制過程中單晶爐膛內(nèi)充高純氬氣做保護氣體， 稱為氣氛工藝。 氣氛工藝中又有流動氣氛和不流動氣氛兩種。在拉制硅單晶時一次充入單晶爐膛內(nèi)0.2 0.4kg壓強高純僦氣（表壓） ，稱為不流動氣氛；拉制硅單晶時，連續(xù)不斷地向單晶爐膛內(nèi)充入高純氬，保護爐膛內(nèi)氣體是正壓（表壓） ，同時又使部分氬氣沿管道向外溢出，這種工藝稱為流動氣氛。近幾年又出現(xiàn)了介于真空工藝和氣氛工藝之間減壓拉晶工藝。減壓拉晶是在單晶硅拉制過程中， 連續(xù)向單晶爐膛充入等量的高純氬氣，同時真空泵不斷地從爐膛內(nèi)向外抽氣，保持爐膛內(nèi)穩(wěn)定在10毛20 乇真空內(nèi)，這種工藝既有真空工藝的特點（爐膛內(nèi)保持負壓） ，又有流

7、動氣氛的特點（不斷充氣，不斷排氣） ，減壓工藝在目前直拉單晶硅生產(chǎn)過程中被普遍采用。（2） ，各項工藝步驟的特點1 .多晶硅的裝料和熔化a.粉碎至適當大小裝”用Lb.裝料時，底部不能有過多的空隙，不能碰到塔埸上邊沿c.抽真空，充入保護氣d.加熱溫度高于1412c2 .種晶先將籽晶降至液面數(shù)毫米處暫停片刻，使籽晶溫度盡量接近熔硅 溫度，然后將籽晶浸入熔硅，使頭部熔解，接著籽晶上升，生長單晶 硅3 .縮頸將籽晶快速提升，縮小結(jié)晶直徑4 .放肩放慢生長速度，晶體硅直徑增大5 .等徑穩(wěn)定生長速度，使晶體硅直徑保持不變6 .收尾加快提升速度，同時升高熔硅溫度，使晶體硅直徑不斷縮小，形 成一個圓錐形，最終

8、離開液面三，直拉單晶硅的發(fā)展前景（一），太陽能硅電池目前， 單晶硅的直拉生長法已經(jīng)是單晶硅制備的主要技術(shù)， 也是太陽電池用單晶硅的主要制備方法。綠色能源、 可再生能源是人類尋求的目標。 煤和油發(fā)電受到資源的限制，而且破壞環(huán)境。有人預(yù)言燃煤發(fā)電如不淘汰，則人類和資源將同時在地球消失，核電有核安全、核泄漏和核廢料問題， 西方國家也在逐步淘汰。太陽能以其廣泛存在數(shù)量巨大、自由索取、清潔安全、對生態(tài)無害而成為首選開發(fā)領(lǐng)域。 太陽電池是利用光生伏特效應(yīng)， 把太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件 以半導(dǎo)體硅片為襯底的太陽電池， 目前已廣泛應(yīng)用于航天、 農(nóng)業(yè)、 交通、 通訊、 電視、 廣播和國防等領(lǐng)域，是太陽能

9、開發(fā)的主導(dǎo)技術(shù)。 地球荒漠化面積的 1/4 如果被太陽能硅片覆蓋，其發(fā)電量就相當于全世界發(fā)電量的總和。硅太陽電池科技攻關(guān)，主要圍繞以下兩個方面進行： 1 ）提高太陽光輻照能轉(zhuǎn)化為電能的光電轉(zhuǎn)換效率； 2）大幅度降低單瓦發(fā)電成本。當然，提高光電轉(zhuǎn)換效率本身也是降低成本一個值得注意的事實是襯底硅片的成本，要占到芯片制造成本的50%以上。于是圍繞提高太陽電池襯底的硅片質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本，形成了一整套太陽電池直拉硅單晶的生長技術(shù)與工藝。 它與集成電路級直拉硅單晶生長技術(shù)與工藝，既有共同點，而又有較大的差異。太陽電池級直拉硅的質(zhì)量， 主要以提高少子壽命保證光電轉(zhuǎn)換效率為前提。 因此在拉晶中要盡量降低硅中

10、氧碳含量和重金屬雜質(zhì)含量。氧沉淀及誘生缺陷、 硼氧復(fù)合體等均會引入復(fù)合中心，降低少子壽命。太陽電池級直拉硅單晶同樣要大直徑化目前的直徑正在由 6（135 mmxi35 mm 方片）向 8 （155 mmx 155 mm 方片）轉(zhuǎn)化。大直徑生長，大投料、大熔體體積同樣有抑制強烈熱對流問題。但如果采用磁場拉晶技術(shù)， 則硅片成本勢必會有大幅度提高， 對推廣應(yīng)用單晶硅太陽電池不利。為了減少熱對流，太陽電池級直拉硅生長，僅采用了矮加熱器和雙加熱器技術(shù)， 厚的熱屏蔽技術(shù)和精確的氬氣導(dǎo)流技術(shù)。 但隨著硅單晶直徑得進一步增大， 上述措施與技術(shù)也很難滿足要求， 還應(yīng)當研究在不增加硅片生產(chǎn)成本的前提下， 抑制強烈