晶體硅單晶工藝學

1、直拉硅單晶工藝學 前 言 緒論 硅單晶是一種半導體材料。直拉單晶硅工藝學是研究用直拉方法獲得硅單晶 的一門科學，它研究的主要內容：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。 直拉單晶硅工藝學象其他科學一樣，隨著社會的需要和生產的發(fā)展逐漸發(fā)展 起來。十九世紀，人們發(fā)現某些礦物，如硫化鋅、氧化銅具有單向導電性能，并 用它做成整流器件，顯示出獨特的優(yōu)點，使半導體材料得到初步應用。后來，人 們經過深入研究，制造出多種半導體材料。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體材料奠定了理 論

2、基礎，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)生產的舞臺，它工藝簡單，生產效率高， 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，電學性能較 低，原料來源少，應用和生產都受到一定限制。六十年代，人們發(fā)展了半導體材 料硅單晶，它一登上半導體材料舞臺，就顯示了獨特優(yōu)點：硬度大，電學熱穩(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，產量成倍增加，

3、1964 年所有資本主義國家生產的單晶硅為 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的。 單晶硅的生長方法也不斷發(fā)展，在直拉法的基礎上，1925 年又發(fā)明了坩堝 移動法。1952 年和 1953 年又相繼發(fā)明了水平區(qū)熔和懸浮區(qū)熔法，緊接著基座相 繼問世?？傊?，硅單晶生長技術以全新姿態(tài)登上半導體材料生產的歷史舞臺。 隨著單晶硅生長技術的發(fā)展，單晶硅生長設備也相應發(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，十幾厘米，現在直拉單晶爐裝多晶硅達 40

4、 公斤，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 軸由硬構件發(fā)展成軟構件，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 4×4 毫米或 4×6 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，經過幾十道工序，很多次 熱處

5、理。元件的高密度，復雜的制備工藝，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，完美的晶體結構，良好的電學性能。因此，硅單晶生長技術 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 不斷地向前發(fā)展。 目前世界已跨入電子時代感。可以這樣說，四十年代是電子管時代，五十年 代是晶體管時代，六十年代是集成電路時代，七十年代是大規(guī)模集成電路時代， 八十年代是超大規(guī)模集成電路時代。大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路已成功的應用于 國民經濟各部門，日益顯示出它無比的優(yōu)越性。人造衛(wèi)星的上天，火箭的飛行， 潛艇的遠航，雷

6、達的運轉，自動化生產線的運行，哪一樣都離不開大規(guī)模和超大 規(guī)模集成電路。至于計算機，我們可以這樣說，它的核心部分是由大規(guī)模和超大 規(guī)模集成電路組合起來的。現代生產工藝、科研、軍事、宇宙航行、家庭生活等 幾乎沒有一樣不和大規(guī)模集成電路有關。因此，掌握大規(guī)模集成電路基礎材料直 拉單晶硅的生產技術和工藝理論是非常重要的。通過本課程學習，要求掌握：一、 直拉單晶硅生長的基本理論；二、直拉單晶爐結構和直拉單晶硅生產的基本流程； 三、在生產中控制直拉單晶硅的幾個基本參數一些基本方法；四、本課程是工藝 理論，必須經常和生產實踐相結合，為直接生產單晶硅打下基礎。§ 1 晶體與非晶體 自然界的物質，可

7、分為晶體與非晶體兩大類。如硅、鍺、銅、鉛等是晶體， 玻璃、塑料、松香等則是非晶體。從宏觀性質看，晶體與非晶體主要有三個方面 的區(qū)別。 1、晶體有規(guī)則的外型。 人類最早認識的晶體是一些天然礦物，如巖鹽、水晶、明礬等，這些晶體都 有規(guī)則的外形，如巖鹽是立方體，不過晶體的外形常常受生長條件限制，外型各 有差異例如，在含尿素溶液中生長的食鹽為八面體，在含硼酸的溶液中生長的食 鹽則為立方體兼八面體，如圖： 人工生長的晶體，生長條件不同，晶體外型在生長后還能顯露出來。用直拉 法沿<111>方向生長的硅、鍺單晶，有三條對稱的棱線，沿<100>方向生長的硅、 鍺單晶，則有四條對稱分布的

8、棱線。 非晶體則沒有規(guī)則的外形，如玻璃、松香、塑料等外表沒有一定規(guī)則。 2、晶體具有一定的熔點： 將晶體和非晶體逐漸加熱，每隔一定時間測量一下它們的溫度，一直到它們 全部熔化或成為熔體，作出溫度和時間關系的曲線熔化曲線。 從熔化曲線中我們可以看到：晶體熔化時有一溫度平臺 bc，熔化時溫度保 持不變，此溫度就是晶體的熔點。在熔點溫度，一部分晶體熔化成液體，一部分 仍保持固體狀態(tài)，隨著時間增加直到全部熔化成液體。 非晶體沒有溫度平臺，隨著時間的推移溫度不斷升高，bc 段很難說是固態(tài) 還是液態(tài)，而是一種軟化狀態(tài)，不具有流動性，溫度繼續(xù)高就成為液體。 晶體具有確定的熔點，非晶體沒有確定的熔點，這是晶體

9、和非晶體之間最明 顯的區(qū)別。熔點是晶體從固態(tài)轉變到液態(tài)（熔化）的溫度，也是從液態(tài)轉變到固 態(tài)（凝固）的溫度。 3、晶體各向異性 晶體的物理性質和化學性質隨著晶面方向不同而不同，稱為晶體各向異性。 我們做一個實驗，在薄的云母片和玻璃片上分別涂上石臘，分別用一個加熱的金 屬針尖壓在云母片和玻璃片上，就會發(fā)現，觸點周圍的石臘逐漸熔化；玻璃片上 的形狀是圓形，云母片上卻是橢圓形的。 1111這說明玻璃的導熱性與方向無關，云母片的導熱性與方向有關。 晶體在不同的方向上力學性質，電學性質和光學性質是不同的，抗腐蝕、抗 氧化的性質隨著晶體方向不同也不同。非晶體則不然，它們在各個方向上性質相 同。晶體所以具有

10、非晶體不同的性質，主要是晶體內部質（原子或分子）按一定 規(guī)律周期性的排列構成空間點陣，不同的排列規(guī)律，呈現不同的外形，不同的晶 面，它們各晶面的性質也不相同。 2 晶體空間點陣和晶胞晶體和非晶體不同，有很多獨特的性質，在大量感性認識的基礎上，經過深 入研究，確定晶體是由原子、分子或離子等在空間按一定規(guī)律排列組成的。這些 粒子在空間排列具有周期性，對稱性。相同粒子在空間不同排列，晶體具有不同 外形，不同的性質。不同粒子相同的排列，晶體性質也不相同。為了研究晶體中 原子、分子或離子的排列，晶體性質也不相同。為了研究晶體中原子、分子或離 子的排列，把這些微粒的重心作為一個幾何點，叫做結點（或格點），

11、微粒的分 布規(guī)律用格點表示。晶體中有無限多在空間按一定規(guī)律分布的格點，稱為空間點 陣。 空間點陣中，通過兩個格點作一條直線，這一直線上一定含有無數格點，這 樣的直線叫晶列，晶體外表的晶棱就是晶列?；ハ嗥叫械木Я薪芯Я凶澹粋€晶 列族里包含晶體全部格點。 通過不在同一晶列的三個格點作一平面，這平面上必包含無數格點，這樣的 平面叫網面，也叫晶面。晶體外表所見的晶面（解理面）就是網面。 在空間點陣中，不同的三個晶列族分空間為無數格子，稱為網格，又叫晶格。 組成空間點陣最基本的單元叫晶胞。晶胞反映整個晶體的性質。很多晶胞在 空間重復排列起來就得整個晶體。不同的晶體，晶胞型式不同。 硅晶體是金剛石結構，

12、晶胞是正方體，八個頂點和六個面的中心都是格點， 每條空間對角線上距頂點四分之一對角線長的地方各有一個格點，晶格常數為 a， 單位晶胞占有的原子數為： 入研究，確定晶體是由原子、分子或離子等在空間按一定規(guī)律排列組成的。這些 粒子在空間排列具有周期性，對稱性。相同粒子在空間不同排列，晶體具有不同 外形，不同的性質。不同粒子相同的排列，晶體性質也不相同。為了研究晶體中 原子、分子或離子的排列，晶體性質也不相同。為了研究晶體中原子、分子或離 子的排列，把這些微粒的重心作為一個幾何點，叫做結點（或格點），微粒的分 布規(guī)律用格點表示。晶體中有無限多在空間按一定規(guī)律分布的格點，稱為空間點 陣。 空間點陣中，

13、通過兩個格點作一條直線，這一直線上一定含有無數格點，這 樣的直線叫晶列，晶體外表的晶棱就是晶列?；ハ嗥叫械木Я薪芯Я凶澹粋€晶 列族里包含晶體全部格點。 通過不在同一晶列的三個格點作一平面，這平面上必包含無數格點，這樣的 平面叫網面，也叫晶面。晶體外表所見的晶面（解理面）就是網面。 在空間點陣中，不同的三個晶列族分空間為無數格子，稱為網格，又叫晶格。 組成空間點陣最基本的單元叫晶胞。晶胞反映整個晶體的性質。很多晶胞在 空間重復排列起來就得整個晶體。不同的晶體，晶胞型式不同。 硅晶體是金剛石結構，晶胞是正方體，八個頂點和六個面的中心都是格點， 每條空間對角線上距頂點四分之一對角線長的地方各有一個

14、格點，晶格常數為 a， 單位晶胞占有的原子數為： 8× + 6 × + 4 = 8 金剛石結構微密度差，所以，雜質在硅中擴 散和硅原子自身擴散比較容易，熔硅凝固時 體積增大。 晶體各晶列族各晶面族格點密度不同， 因此晶體表現出各向異性。 § 3 晶面和晶向 晶體生長中，常用到晶面和晶向。為了討論方便，我們采用密勒（Miller） 指數符號。在密勒指數中，選取 X、Y、Z 平行于晶胞的三條棱，標出一個晶面， 必須指出它在 X、Y、Z 三條軸上的截距，然后取截距的例數并乘以最小公倍數， 截距倒數便有 h/n、k/n、l/n 的形式，把整數 hkl 括入圓括號，這樣就得到晶面指 數（hkl）， 為了說明此方法我們以圖 2-1 為例。 標出立方晶系中的一些晶面（a）表示 X、