區(qū)熔法制備單晶硅

1、集 成 電 路 制 造 工 藝 -區(qū)熔法制備單晶硅 班 級： 電 藝 3091 學 號： 38# 姓 名： 趙 劍 指導(dǎo)老師： 張 喜 鳳 日 期： 2010.04.25 區(qū)熔法制備單晶硅作者：趙劍（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 電藝309138 西安 戶縣 710300）【 摘要】區(qū)熔法晶體生長是在本文中介紹的技術(shù)歷史上早期發(fā)展起來的幾種工藝之一，仍然在特殊需要中使用。直拉法的一個缺點是坩堝中的氧進入到晶體中，對于有些器件，高水平的氧是不能接受的。對于這些特殊情況，晶體必須用區(qū)熔法技術(shù)來生長以獲得低氧含量晶體?！娟P(guān)鍵詞】區(qū)熔法、直拉法、單晶硅1引言 集成電路通常用硅制造，硅是一種非常普遍且分布廣

2、泛的元素。石英礦就是一整塊二氧化硅。盡管硅化物儲量豐富，但硅本身不會自然生長，一般用大量存在的二氧化硅作原料，經(jīng)過一系列的工藝步驟就可以得到多晶硅，多晶硅經(jīng)過提純就變成了高純度的可以制作集成電路的單晶硅。目前制備單晶硅的常用方法有直拉法和區(qū)熔法。本文主要介紹區(qū)熔法制備單晶硅。2單晶硅的制備區(qū)熔法又分為兩種：水平區(qū)熔法和立式懸浮區(qū)熔法。前者主要用于鍺、GaAs等材料的提純和單晶生長。后者主676要用于硅，這是由于硅熔體的溫度高，化學性能活潑，容易受到異物的玷污，難以找到適合的舟皿，不能采用水平區(qū)熔法。然而硅又具有兩個比鍺、GaAs優(yōu)越的特性：即密度低(2.33gcm3和表面張力大(0.0072N

3、cm)，所以，能用無坩堝懸浮區(qū)熔法。該法是在氣氛或真空的爐室中，利用高頻線圈在單晶籽晶和其上方懸掛的多晶硅棒的接觸處產(chǎn)生熔區(qū)，然后使熔區(qū)向上移動進行單晶生長。由于硅熔體完全依靠其表面張力和高頻電磁力的支托，懸浮于多晶棒與單晶之間，故稱為懸浮區(qū)熔法。2.1區(qū)熔法制備單晶硅 利用多晶錠分區(qū)熔化和結(jié)晶半導(dǎo)體晶體生長的一種方法。區(qū)熔法是利用熱能在半導(dǎo)體棒料的一端產(chǎn)生一熔區(qū)，再熔接單晶籽晶。調(diào)節(jié)溫度使熔區(qū)緩慢地向棒的另一端移動，通過整根棒料，生長成一根單晶，晶向與籽晶的相同。區(qū)熔法又分為兩種：水平區(qū)熔法和立式懸浮區(qū)熔法。前者主要用于鍺、GaAs等材料的提純和單晶生長。后者主676要用于硅，這是由于硅熔體

4、的溫度高，化學性能活潑，容易受到異物的玷污，難以找到適合的舟皿，不能采用水平區(qū)熔法。然而硅又具有兩個比鍺、GaAs優(yōu)越的特性：即密度低(2.33gcm3和表面張力大(0.0072Ncm)，所以，能用無坩堝懸浮區(qū)熔法。該法是在氣氛或真空的爐室中，利用高頻線圈在單晶籽晶和其上方懸掛的多晶硅棒的接觸處產(chǎn)生熔區(qū)，然后使熔區(qū)向上移動進行單晶生長。由于硅熔體完全依靠其表面張力和高頻電磁力的支托，懸浮于多晶棒與單晶之間，故稱為懸浮區(qū)熔法。熔區(qū)懸浮的穩(wěn)定性很重要，穩(wěn)定熔區(qū)的力主要是熔體的表面張力和加熱線圈提供的磁浮力，而造成熔區(qū)不穩(wěn)定的力主要是熔硅的重力和旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。要熔區(qū)穩(wěn)定地懸浮在硅棒上，前兩種力之

5、和必須大于后兩種力之和。采用單匝盤形加熱線圈，熔區(qū)上方的多晶棒和下方的單晶棒的直徑均可大于線圈的內(nèi)徑。區(qū)熔時熔區(qū)不與任何異物接觸，不會受到玷污，還有硅中雜質(zhì)的分凝效應(yīng)和蒸發(fā)效應(yīng)，生長出的單晶純度很高。用中子嬗變摻雜方法，就能獲得電阻率高、均勻性好的硅單晶?？捎糜诟唠妷捍蠊β势骷希缈煽毓?、可關(guān)斷晶閘管等。這些器件被廣泛地用在近代的電力機車、軋鋼機、冶金設(shè)備、自動控制系統(tǒng)以及高壓輸配電系統(tǒng)中。來生長單晶體的方法。將棒狀多晶錠熔化一窄區(qū),其余部分保持固態(tài),然后使這一熔區(qū)沿錠的長度方向移動，使整個晶錠的其余部分依次熔化后又結(jié)晶。區(qū)熔法可用于制備單晶和提純材料,還可得到均勻的雜質(zhì)分布。這種技術(shù)可用于

6、生產(chǎn)純度很高的半導(dǎo)體、金屬、合金、無機和有機化合物晶體（純度可達10-610-9）。在頭部放置一小塊單晶即籽晶，并在籽晶和原料晶錠相連區(qū)域建立熔區(qū)，移動晶錠或加熱器使熔區(qū)朝晶錠長度方向不斷移動。區(qū)域熔化法是按照分凝原理進行材料提純的。雜質(zhì)在熔體和熔體內(nèi)已結(jié)晶的固體中的溶解度是不一樣的。在結(jié)晶溫度下,若一雜質(zhì)在某材料熔體中的濃度為cL,結(jié)晶出來的固體中的濃度為cs，則稱K=cL/cs為該雜質(zhì)在此材料中的分凝系數(shù)。K的大小決定熔體中雜質(zhì)被分凝到固體中去的效果。K1時，則開始結(jié)晶的頭部樣品純度高，雜質(zhì)被集中到尾部;K1時,則開始結(jié)晶的頭部樣品集中了雜質(zhì)而尾部雜質(zhì)量少。，使單晶不斷長大。 為經(jīng)過一次區(qū)

7、熔后不同K值的雜質(zhì)分布。區(qū)熔可多次進行，也可以同時建立幾個熔區(qū)提純材料。通常是在提純的最后一次長成單晶。有時,區(qū)熔法僅用于提純材料,稱區(qū)熔提純。區(qū)熔夷平是使熔區(qū)來回通過材料，從而得到雜質(zhì)均勻分布的晶錠。區(qū)熔法生長晶體有水平區(qū)熔和垂直浮帶壓熔兩種形式。2.1.1 水平區(qū)熔法 將原料放入一長舟之中，舟應(yīng)采用不沾污熔體的材料制成，如石英、氧化鎂、氧化鋁、氧化鈹、石墨等。舟的頭部放籽晶。加熱可以使用電阻爐，也可使用高頻爐。用此法制備單晶時，設(shè)備簡單，與提純過程同時進行又可得到純度很高和雜質(zhì)分布十分均勻的晶體。但因與舟接觸，難免有舟成分的沾污，且不易制得完整性高的大直徑單晶。2.1.2垂直浮帶

8、區(qū)熔法 用此法拉晶時，先從上、下兩軸用夾具精確地垂直固定棒狀多晶錠。用電子轟擊、高頻感應(yīng)或光學聚焦法將一段區(qū)域熔化，使液體靠表面張力支持而不墜落。移動樣品或加熱器使熔區(qū)移動。這種方法不用坩堝，能避免坩堝污染，因而可以制備很純的單晶和熔點極高的材料（如熔點為3400的鎢），也可采用此法進行區(qū)熔。大直徑硅的區(qū)熔是靠內(nèi)徑比硅棒粗的“針眼型”感應(yīng)線圈實現(xiàn)的。為了達到單晶的高度完整性，在接好籽晶后生長一段直徑約為23毫米、長約1020毫米的細頸單晶，以消除位錯。此外,區(qū)熔硅的生長速度超過約56毫米/分時，還可以阻止所謂漩渦缺陷的生成。為確保生長沿所要求的晶向進行，也需要使用籽晶，采用與直拉單晶

9、類似的方法，將一個很細的籽晶快速插入熔融晶柱的頂部，先拉出一個直徑約3mm，長約10-20mm的細頸，然后放慢拉速，降低溫度放肩至較大直徑。頂部安置籽晶技術(shù)的困難在于，晶柱的熔融部分必須承受整體的重量，而直拉法則沒有這個問題，因為此時晶定還沒有形成。這就使得該技術(shù)僅限于生產(chǎn)不超過幾公斤的晶錠用區(qū)熔法單晶生長技術(shù)制備的半導(dǎo)體硅材料，是重要的硅單晶產(chǎn)品。由于硅熔體與坩堝容器起化學作用，而且利用硅表面張力大的特點，故采用懸浮區(qū)熔法，簡稱FZ法或FZ單晶。特點和應(yīng)用  由于不用坩堝，避免了來自坩堝的污染，而且還可以利用懸浮區(qū)熔進行多次提純，所以單晶的純度高。用于制作電力電子器件、光

10、敏二極管、射線探測器、紅外探測器等。Fz單晶的氧含量比直拉硅單晶(見半導(dǎo)體硅材料)的氧含量低23個數(shù)量級，這一方面不會產(chǎn)生由氧形成的施主與沉積物，但其機械強度卻不如直拉單晶硅，在器件制備過程中容易產(chǎn)生翹曲和缺陷。在Fz單晶中摻入氮可提高其強度。工藝特點  大直徑生長，比直拉硅單晶困難得多，要克服的主要問題是熔區(qū)的穩(wěn)定性。這可用“針眼技術(shù)”解決，在FZ法中這是一項重大成就。另一項重大成就是中子嬗變摻雜。它使電力電子器件得到飛躍發(fā)展。Fz技術(shù)無法控制熔體對流和晶熔邊界層厚度，因而電阻率的波動比cZ單晶大。高的電阻率不均勻性限制了大功率整流器和晶閘管的反向擊穿電壓。利用中子嬗變摻

11、雜可獲得摻雜濃度很均勻的區(qū)熔硅(簡稱NTD硅)，從而促進了大功率電力電子器件的發(fā)展與應(yīng)用。區(qū)熔硅的常規(guī)摻雜方法有硅芯摻雜、表面涂敷摻雜、氣相摻雜等，以氣相摻雜最為常用。晶體缺陷  區(qū)熔硅中的晶體缺陷有位錯和漩渦缺陷。中子嬗變晶體還有輻照缺陷，在純氫或氬一氫混合氣氛中區(qū)熔時，常引起氫致缺陷。其中漩渦缺陷有A、B、C和D四種，其特性及易出現(xiàn)的主要條件列于表1。                  

12、60;  漩渦缺陷有害，它使載流子壽命下降，進而導(dǎo)致器件特性劣化。在器件工藝中它可轉(zhuǎn)化為位錯、層錯及形成局部沉淀，從而造成微等離子擊穿或使PN結(jié)反向電流增大。這種缺陷不僅使高壓大功率器件性能惡化，而且使CCD產(chǎn)生暗電流尖峰。在單晶制備過程中減少漩渦缺陷的措施有盡量降低碳含量、提高拉晶速度等。  90年代的水平90年代以來達到的是：區(qū)熔硅單晶的最大直徑為150mm，并已商品化，直徑200mm的產(chǎn)品正在試驗中。晶向一般為<111)和<100>。(1)氣相摻雜區(qū)熔硅單晶。N型摻磷、P型摻硼。無位錯、無漩渦缺陷。碳濃度C。<2×

13、10“atcm3，典型的可<5×1015atcm3。氧濃度<1×1016atcm3。電阻率范圍和偏差列于表2，少子壽命值列于表3。                                     &#

14、160; (2)中子嬗變摻雜(NTD)硅單晶。N型摻雜元素磷，無位錯、無漩渦缺陷。碳濃度C。<2×1016atcm3，典型的可<5×1015atcm3，氧濃度<1×1016atcm3，電阻率范圍和偏差及少子壽命值列于表4。           3 區(qū)熔法制備單晶硅的工業(yè)流程及具體步驟：主要用于提純和生長硅單晶；其基本原理是：依靠熔體的表面張力，使熔區(qū)懸浮于多晶硅棒與下方生長出的單晶之間，通過熔區(qū)向上移動而進行提純和生長單晶。區(qū)熔法制備單晶

15、硅具有如下特點：1.不使用坩堝，單晶生長過程不會被坩堝材料污染2.由于雜質(zhì)分凝和蒸發(fā)效應(yīng)，可以生長出高電阻率硅單晶單晶硅建設(shè)項目具有巨大的市場和廣闊的發(fā)展空間。在地殼中含量達25.8%的硅元素，為單晶硅的生產(chǎn)提供了取之不盡的源泉。 近年來，各種晶體材料，特別是以單晶硅為代表的高科技附加值材料及其相關(guān)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成為當代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支柱，并使信息產(chǎn)業(yè)成為全球經(jīng)濟發(fā)展中增長最快的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。單晶硅作為一種極具潛能，亟待開發(fā)利用的高科技資源，正引起越來越多的關(guān)注和重視。 與此同時，鑒于常規(guī)能源供給的有限性和環(huán)保壓力的增加，世界上許多國家正掀起開發(fā)利用太陽能的熱潮并成為各國制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略斬重

16、要內(nèi)容。 在跨入21世紀門檻后，世界大多數(shù)國家踴躍參與以至在全球范圍掀起了太陽能開發(fā)利用的“綠色能源熱”，一個廣泛的大規(guī)模的利用太陽能的時代正在來臨，太陽能級單晶硅產(chǎn)品也將因此炙手可熱。 此外，包括我國在內(nèi)的各國政府也出臺了一系列“陽光產(chǎn)業(yè)”的優(yōu)惠政策，給予相關(guān)行業(yè)重點扶持，單晶硅產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出美好的發(fā)展前景。 單晶硅性質(zhì)；單晶硅具有金剛石晶格。晶體硬而脆具有金屬光澤。能導(dǎo)電。但導(dǎo)電率不及金屬。局隨溫度升高而增加。具有半導(dǎo)體性質(zhì)。單晶硅石重要的半導(dǎo)體材料，在單晶硅中摻入微量的IIIA族元素。形成p型半導(dǎo)體。摻入微量的第vA族元素。形成N型和P型導(dǎo)體結(jié)合在一起。就可以做成太陽能電池。將輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡?/p>

17、能。在開發(fā)電能方面是一種很有前途的材料。3 單晶硅的發(fā)展前景：單晶硅是電力工業(yè)的糧食?；趨^(qū)熔硅片的電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展被稱為“硅片引起的第二次革命”。 近年來，區(qū)熔硅單晶開始進入綠色能源領(lǐng)域。國際上利用區(qū)熔單晶硅制作太陽能電池技術(shù)逐漸成熟，使用區(qū)熔硅制作太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率達到20%，其綜合性價比超過直拉單晶硅太陽能電池（光電轉(zhuǎn)換效率為12%）和多晶硅太陽能電池（光電轉(zhuǎn)換效率為10%）。這個用途將極大地擴展區(qū)熔硅單晶的市場空間，這是區(qū)熔單晶硅最大的新興市場。最近，區(qū)熔硅單晶更是進入了信息、通訊領(lǐng)域，被用來制造射頻集成電路、微波單片集成電路（MMIC）和光電探測器等高端微電子器件。 磁場直拉硅單晶（MCZ）是指利用磁場拉晶裝置模仿空間微重力環(huán)境制備的單晶硅。MCZ硅普遍用來制作集成電路和分立器件。重要的是，MCZ硅單晶的原料可以使用區(qū)熔單晶的頭尾料以及不合格單晶，這樣就可以充分、有效地利用寶貴的原料資源，同時增加產(chǎn)值和利潤。參 考 文 獻： 【1】 ltalhashovAM tgal JcfGrowth，1981，52：498 【2】 GassoaD BJ Sei Instrum