熔體生長法直拉法1

1、第3章 熔體生長法-直拉法-1熔體法生長的特點溫場的分布，熱量，質量的傳輸，分凝等對晶體生長起著支配作用 1,熔體生長的過程是通過固液界面的移動來完成的，是受控條件下的定向凝固過程 2,晶體生長存在二種類型：同成分生長，單元系，Tm不變，生長速率較高，可生長高質量晶體(Si，Ge等)非同成分生長，二元或多元系，Tm隨成分變化；大多數形成有限固溶體，有沉淀物，共晶或胞晶等，生長質量較難控制 (GaAs單晶，Pb-Sn合金等) 3,存在固-液，固-氣，液-氣平衡問題有較高蒸汽壓或解理壓的材料，存在揮發(fā)，偏離成分的問題，會增加生長技術上的困難（如CuInS2，CdZnTe 的生長） 4,生長結束后，

2、降溫中可能存在相變 ，如脫溶沉淀(Pb-Sn合金) ，共析反應(Fe-C相圖中+Fe3C)，多型體相變 (CuInS2相變)等結論： 沒有破壞性相變，有較低的蒸汽壓或離解壓的同成分熔化的化合物或純元素，是熔體生長的理想材料，可獲得高質量的單晶體熔體生長方法分類 正常凝固法特點：開始生長時，除籽晶外全為熔體，生長時不再向熔體添加材料，以晶體的長大和熔體的減少而告終方法：晶體提拉法坩堝移動法晶體泡生法弧熔法逐區(qū)熔化法特點：體系由晶體，熔體和多晶原料三部分組成體系中存在二個固-液界面，一個界面上發(fā)生結晶過程，另一個界面上發(fā)生多晶原料的熔化過程，熔區(qū)向多晶原料移動熔區(qū)體積不變，不斷向熔區(qū)中添加材料生長

3、以晶體的長大和多晶原料的耗盡而結束方法：水平區(qū)熔法，懸浮區(qū)熔法，基座法和焰熔法熔體生長法正常凝固法奇克勞斯基法硅單晶生長為例(奇克勞斯基法，即提拉法)直直拉拉法法制制備備的的晶晶體體材材料料主要內容硅的基本情況硅的基本情況高純硅的制備高純硅的制備直拉法生產硅單晶直拉法生產硅單晶晶錠的處理晶錠的處理The Si Crystal“diamond” structureSi lattice constant = 5.4315 x 1022 atoms/cm3第四族元素，具有銀白色金屬光澤，其晶體硬而脆熔體密度比固體大，熔化后體積收縮10%，具有明顯熱膨脹及熱傳導硅在地殼中含量25.8% ，僅次于氧室溫

4、下化學性質穩(wěn)定，不和空氣，水和酸反應，可與強堿，酸作用高溫下與氧，鹵素，碳等反應自然界來源:氧化硅氧化硅和硅酸鹽；無單質硅的基本情況：硅的基本情況：氧化硅：氧化硅：一種堅硬，脆性，難熔的無色固體；一種堅硬，脆性，難熔的無色固體；1600下熔化成粘稠液體，冷卻后呈玻璃態(tài)；下熔化成粘稠液體，冷卻后呈玻璃態(tài)；膨脹系數小，抗酸，可用它做各種器皿膨脹系數小，抗酸，可用它做各種器皿95%-99%的硅稱為粗硅或工業(yè)硅 是用較純凈石英砂與木炭或石油焦在碳電極的電弧爐中還原制得的，主要雜質為鐵，鋁，碳，硼，銅等 1600 1800232oCSiOCSiCCO 2232SiCSiOSiCO 主要反應式用石油焦和木

5、炭作為碳還原劑是為了增加反應物的多孔性，以利于CO和SiO氣體的逸出；經還原生成的硅熔體從電弧爐的下部流出，很快凝固成塊體制得的冶金級硅，制得的冶金級硅，經氯或氧精制后，可得到經氯或氧精制后，可得到9899%的的精制冶金硅精制冶金硅(MG-Si)制備粗硅或工業(yè)硅制備三氯氫硅工業(yè)上常用方法：干燥氯化氫氣體和硅粉(粗硅或工業(yè)硅)反應，制得三氯氫硅 工業(yè)硅酸洗酸洗粉碎選符合粒度要求硅粉(80-120目)送入干燥爐熱氮氣流干燥送入沸騰爐 爐底通入適量的干燥HCl(直接合成)，進行三氯氫硅合成酸洗酸洗：依次用鹽酸，王水(濃鹽酸：濃硝酸=3：1)，混合酸(HF+H2SO4)處理，最后用蒸餾水洗至中性，烘干

6、后得到含量為99.9%的工業(yè)粗硅高純硅的制備：高純硅的制備：三氯氫硅三氯氫硅+精餾精餾+還原還原280 300323309.2/oCSiHClSiHClHkJ mol 主要反應副反應34234423423422222424322732SiHClHClSiClHSiHClSiSiClHClSiHClSiClHSiHClSiSiClHSiHClSiHClSiClHSiHClSiH Cl 主要副產主要副產物：物：SiCl4為了減少副產品，要采取以下措施為了減少副產品，要采取以下措施 這是放熱反應，考慮以適當的冷媒，將反應產生的熱量帶走，反應溫度在280-300(溫度控制問題) 反應爐中，適量氫氣稀釋

7、氯化氫氣體，提高三氯氫硅的產率，氫氣：氯化氫氣體=1：35 硅粉與氯化氫，在反應前，充分干燥(水分問題)；硅粉粒度在75177um；嚴格控制硅粉料層厚度及氯化氫流量，這是反應穩(wěn)定進行的關鍵之一，也是產品質量穩(wěn)定的關鍵 合成時，加入少量銅，銀，鎂合金作催化劑，降低合成溫度，提高三氯氫硅產率雜質：雜質：10%左右的SiCl4以及少許SiH2Cl2 ,SiH3Cl以及其他少許Al, Fe, C ,P, Ca, Ag, Mg, Zn, Ti, Ni, Cr, Cu, As, Sb等氯化物氯化氫緩沖罐硅粉干燥器螺旋加料器合成爐旋風過濾除塵器列管冷凝器計量器粗三氯氫硅儲槽廢氣淋洗塔液封器三氯氫硅合成設備示

8、意圖 粗三氯氫硅含有雜質，如硼，磷，鐵，銅等的氯化物，提純除去這些雜質 精鎦過程：在塔內被蒸液體的蒸汽自下向上流動升入塔頂被冷凝成液體自上而下流動連續(xù)的氣液二相接觸產生傳熱和傳質現象 精餾有效提純手段，一次全過程，純度從98 9個9或10個9，而且可連續(xù)大量生產精餾精餾粗制粗制SiHCl3中各種可能雜質的沸點中各種可能雜質的沸點殘液槽蒸發(fā)器精餾塔低沸點槽精餾塔連連續(xù)續(xù)精精餾餾系系統(tǒng)統(tǒng)圖圖精精餾餾塔塔包包括：括：塔塔頭，頭，塔塔柱，柱，塔塔板，板，塔塔釜釜上方液體，易揮發(fā)組分汽化液相轉入氣相；下方蒸汽放出潛熱冷凝為液體充分多的塔板氣體沿塔上升不易揮發(fā)組分從氣相向液相轉移最上一塊板出來的蒸汽是易揮

9、發(fā)組分冷凝后得純度較高的鎦出液液相從塔頂到塔底易揮發(fā)組分的濃度下降，難揮發(fā)組分濃度增大最后全是難揮發(fā)組分液體從而達到分離提純混合液體的目的1100323OCSiHClHSiHCl主要反應方程式副反應3424243224SiHClSiSiClHSiClHSiHCl精餾的三氯氫硅+高純氫氣=1:(1020)送還原爐1100左右，還原反應，制得高純多晶硅伴有三氯氫硅熱分解和四氯化硅還原三氯氫硅氫還原三氯氫硅氫還原揮發(fā)器噴頭爐體載體熱交換器(預冷器)尾氣回收器氣液分離器氫還原工藝系統(tǒng)氫還原工藝系統(tǒng)精鎦后SiHCl3送入揮發(fā)器氫氣分二路，一路進還原爐；另一路通入SiHCl3液體中，使SiHCl3揮發(fā)，與

10、直接進入的氫氣匯合經噴頭進入還原爐氫與SiHCl3的混合氣體連續(xù)的進入還原爐還原反應，在載體上沉積出多晶硅尾氣中的SiHCl3需回收尾氣從還原爐底部排出 經熱交換器預冷進入尾氣回收器冷凝回收再經氣液分離器液化的SiHCl3與氫氣分離回收的SiHCl3 返回揮發(fā)器或精鎦再處理未冷凝的氫氣經過熱交換器送去凈化處理凈化后作還原劑l 升高還原溫度還原反應有利；升高溫度生成粗大，光亮硅粒；溫度低，結晶粒度小，呈暗灰色。l 溫度不可過高不利于硅向載體沉積；使三氯化硼和三氯化磷還原增大硼，磷污染；硅活性大受材質污染增大l 要控制氫量，氫量太大浪費，降低產率；氫量太小三氯氫硅還原不充分(氫：三氯氫硅=10：1

11、)；不利于P,B揮發(fā)析出l 高純多晶硅純度用其殘留硼，磷含量表示稱為基硼量，基磷量l 我國高純硅：基硼量510-11，基磷量10-10硅烷的制備l在液氨中，硅化鎂和氯化氨反應，生成硅皖l液氨既是溶劑也是催化劑 (日本小松電子株式會社日本小松電子株式會社Komatsu使用此法，原料消耗量大，成本高，危險性大使用此法，原料消耗量大，成本高，危險性大)1，Mg2Si:NH4Cl=1:32，Mg2Si:液氨1：10，加進液氨高純硅的制備：高純硅的制備：硅烷法硅烷法+固體吸附法固體吸附法+分解分解 硅烷生產過程：生成的硅皖液氨回流柱進入純化系統(tǒng)硅皖帶走的氨氣在回流器中液化返回到發(fā)生器中硅皖中的雜質乙硼烷

12、與氨絡合生成固態(tài)絡合物B2H62HN3，在排渣時排除，生成的硅烷不含硼雜質，這是硅烷法的優(yōu)點之一反應方程式3024432442192.5/OCMg SiNH ClSiHNHMgClkJ mol 液氨Mg2Si和NH4Cl混和料儲槽螺旋下料器氨回流冷凝氣液氨回流柱硅烷發(fā)生器液氨加入管75oC冷卻劑出入口排渣閥保溫層反應產物出口-30oC冷卻劑出入口硅硅烷烷氣氣發(fā)發(fā)生生系系統(tǒng)統(tǒng)固體吸附法固體吸附法 可用低溫精餾和吸附法提純，硅烷沸點太低，不同低溫精餾，多用分步吸附法提純0.4nm分子篩除去氨氣，水，一部分的磷烷，砷烷，乙炔，硫化氫0.5nm分子篩除去余下的氨氣，水，磷烷，砷烷，乙炔，硫化氫，吸附B

13、2H6，Si2H613X分子篩除烷烴，醇等有機大分子用常溫和低溫二級活性炭除B2H6，砷烷，磷烷硅烷熱分解硅烷熱分解吸附后的硅烷經熱分解提純(380)4222222449.8/SiHSiHHkJ molSiHSiHSiHHSiH將硅烷氣體導入硅烷分解爐，在一個大氣壓，800-900的發(fā)熱硅芯上，硅烷分解并沉積出高純多晶硅，分解率達99.6，主要反應注意：熱分解溫度不能太低1. 熱分解產物氫必須隨時排除保證氫含量小特點特點1,技術成熟,生產規(guī)模大2,生產出直徑450毫米硅單晶3,產品質量穩(wěn)定,并實現自動化4,已廣泛應用（70-80%的單晶硅，由此法生長）直拉法優(yōu)點：直拉法優(yōu)點： 直接觀察晶體的生

14、長，為控制晶體外形提供了有利條件 在熔體的自由表面生長，不與坩堝接觸，顯著減小應力，防止坩堝壁的寄生成核 方便使用定向籽晶和縮頸工藝，得到不同取向的單晶體，降低位錯密度，減小鑲嵌結構，提高完整性最大優(yōu)點最大優(yōu)點：能以較快的速率生長高質量的晶體直拉法缺點：直拉法缺點： 用坩堝作容器，導致熔體有氧污染 當熔體中含有易揮發(fā)物時，存在控制組分的困難 使用范圍有限制 石墨加熱器引入碳污染，還有金屬雜質 無法制備高電阻硅單晶 液流作用，機械震動和溫度波動會有影響設計合理的生長系統(tǒng)合理的生長系統(tǒng)，精確而穩(wěn)定的溫度控制精確而穩(wěn)定的溫度控制，熟練的操作熟練的操作技術技術，是獲得高質量晶體的重要前提條件氬氣入口籽

15、晶索光學系統(tǒng)籽晶卡盤籽晶硅晶體硅熔體加熱器排氣口觀察窗石英坩鍋隔熱罩石墨基座坩鍋軸線性轉動系統(tǒng)單單晶晶爐爐的的內內部部構構造造籽晶硅晶體石英坩鍋水冷卻槽隔熱罩碳加熱器石墨基座坩鍋架電極溢出盤硅單晶生長的裝置模擬圖硅單晶生長的裝置模擬圖坩鍋材料的要求坩鍋材料的要求l在熔體中，不熔解或微熔l不含有引入到熔體中的有害雜質l便于清潔處理，表面雜質能除去l正常使用時，有高強度和高物理穩(wěn)定性l氣孔率低，有利于排氣l容易機械加工或成形坩鍋的直徑:高度=0.51.5之間坩鍋的直徑:晶體的直徑=5:4直拉法生長晶體的熱力學直拉法生長晶體的熱力學QH:加熱器傳給坩鍋的熱QRC:坩鍋向外輻射的熱QL:融體向固融體向

16、固-液界面?zhèn)鲗У臒嵋航缑鎮(zhèn)鲗У臒酫RL:融體向外散熱QF: 相轉變時放出的相變潛熱相轉變時放出的相變潛熱QRS:晶體表面散熱QC:從固從固-液界面?zhèn)髯叩臒嵋航缑鎮(zhèn)髯叩臒嶂崩瓎尉t中生長晶體的熱傳遞示意圖重要的熱傳遞是固是固-液界面的幾種液界面的幾種FLLLCSSQfA d Hd TQA Kd Zd TQA Kd Z晶體穩(wěn)定生長的必要條件是固液界面保持熱平衡固液界面保持熱平衡QL+QF =QC 界面熱流連續(xù)方程界面熱流連續(xù)方程QF：相變潛熱QL：融體向固-液界面?zhèn)鲗幔垠w和晶體在固液界面有溫度梯度Qc：固-液界面?zhèn)髯叩臒峋w截面積A，生長速度f，相變潛熱晶體密度d，KL和Ks為熔體和晶體熱傳導

17、系數生長速率的估計生長速率的估計：sLSLdTdTKKdZdZfd HKS，KL,，d，均為定值生長體系固定后，溫度梯度也可確定這樣，可得估算得到生長速率生長速率f f的值的值 越小越好；過大，殘留熱應力較大，不利于降溫中的晶格整理，減少位錯攀移，影響晶體完整性 越大越好，生長速度大；不能太小，會使固液界面不平坦，缺陷密度增大，造成枝蔓狀生長，或變?yōu)槎嗑dTdZLdTdZ生長速率與晶體半徑的關系：412cRSQQrTBr 221LLdTfHd rKrBrdZ123LLdTKBBdZfBrd H rd H根據界面熱流連續(xù)方程：QL+QF =QC以及 ： QRS:晶體表面散熱; QC:從固-液界

18、面?zhèn)髯叩臒幔狠椛渎剩?-1之間；：斯蒂芬波爾茲曼常數，約為 5.6710-8W/m2K4；T：絕對溫度1fr實際生產中實際生產中, 用改變拉晶速度與加熱功率控制晶體半徑用改變拉晶速度與加熱功率控制晶體半徑當結晶加快時，晶體直徑會變粗，提高升速使直徑變細，增加溫度能抑制結晶速度若結晶變慢，直徑變細，則通過降低拉速和降溫去控制硅的熔點約為1450，拉晶時保持高溫負壓環(huán)境如果：潛熱B2比熔體的熱傳導B3大的多拆爐清潔熱場安裝熱場裝料抽真空（檢漏，爐壓控制）化料穩(wěn)定引細晶放肩轉肩等徑生長收尾冷卻拉晶的工藝過程：拉晶的工藝過程： 清潔處理目的：多晶材料，摻雜用的中間合金，石英坩鍋，籽晶等，都需要除去表面

19、附著物和氧化物，得到清潔而光亮的表面基本步驟是腐蝕，清洗和干燥 熔化：多晶硅在真空或氬氣中進行，真空熔化常出現的問題是搭橋和硅跳 搭橋坩鍋上部的硅塊和下部的熔硅脫離，應立即降溫，使其凝固后，重新熔化 硅跳多晶硅有氧化夾層或嚴重不純，熔化后溫度過高，搭橋等，使硅在坩鍋內跳動或濺出坩鍋外，造成全套石墨器具損壞 潤晶：熔體溫度稍高于熔點，籽晶烘烤幾分鐘籽晶與熔體熔接 縮頸：為了消除高溫熔液對籽晶的強烈熱沖擊而產生的原子排列的位錯，將籽晶拉細一段（l:100mm;d:3-5mm） 放肩：把晶體放粗到要求的直徑(如：400mm) 轉肩：提高拉速進行轉肩操作，使肩部近似直角(1800) 等徑生長階段：通過

20、控制熱場溫度和晶體提升速度，生長出一定直徑的單晶柱體（自動進行之前的過程人工操作） 拉光：待大部分硅熔液完成結晶，將晶體逐漸縮小而形成一個尾形錐體早期：早期：通過觀察孔觀察晶體直徑及其它情況憑經驗判斷生長速度調整功率及其他參數控制生長；技術人員水平的高低及熟練程度放肩及整個晶體的生長質量有影響拉晶工藝過程：拉晶工藝過程：晶體直徑控制晶體直徑控制 晶體成像法：望遠鏡在觀察孔中目測觀察 稱重法：晶體或熔體的重量變化信號取出，與設定拉晶速度比較，取其偏差信號作為控制信號，控制晶體生長 彎月面法： 固液交界面處的彎月形界面對坩堝壁亮光的反射，在熔體硅與硅晶體的交界面處形成一個明亮的光環(huán)，亮度很高 當晶

21、體變粗時，光圈直徑變大，反之則變小 通過檢測彎月面的尺寸，確定硅晶體的尺寸，控制晶體生長速度 并基于這個原理發(fā)展出晶體直徑自動控制技術晶體直徑自動控制技術CCD攝像掃描系統(tǒng)攝像掃描系統(tǒng) 目前大直徑直拉單晶硅，直徑檢測的主流技術 用CCD攝像頭拍下光圈的黑白圖像，然后對每一幀圖像進行掃描，根據圖像中黑白灰度像素的分布，先選擇合適的一行像素作為掃描對象。分析掃描線上的黑白灰度像素排列，線上會有兩個白色像素集中區(qū)域，即光圈所在位置 以這二個白色像素集中區(qū)域中心之間的像素數量可以得出光圈的直徑 一秒鐘刷新一次直徑值，對于現在的CPU速度來說易于實現的CCD攝像掃描的改進技術攝像掃描的改進技術 原因：原

22、因：隨著直拉單晶的大直徑化和工藝要求的復雜化，為使拉晶過程更穩(wěn)定，提高對工藝參數的控制精度 二種技術改進：二種技術改進：變焦鏡頭：引晶的質量變焦鏡頭：引晶的質量直接影響后面整根單晶的成功率。在引晶過程中，提高對引晶速度，直徑和溫度的可控制性很必要。在引晶過程中，晶種直徑只有3-5mm，反映到圖像上只有二三十個像素，精度大約為5%，為了提高精度，采用變焦鏡頭放大引晶圖像，提高圖像的分辨率雙雙CCD系統(tǒng)系統(tǒng)原因：原因：電子產品CCD的成本下降，而變焦鏡頭，其價格居高不下因需要一個擰變焦環(huán)動作，由氣動元件完成，增加了機構的復雜性雙雙CCD系統(tǒng)：系統(tǒng)：采用了二個不同焦距的小型攝像頭，長焦距CCD用于引

23、晶階段，得到放大的引晶圖像，提高精度；等晶時，使用普通焦距的CCD，只有圖像信號的切換-整個過程有電子設備完成，無機械運動，結構簡單硅片工藝過程：硅片工藝過程： 拉出的晶棒，外徑不一致，需予以機械加工修邊，直至最后所需直徑，稱為滾圓 定出基準面 ，磨出該平面，大直徑的硅錠，不磨基準面硅片定向，確定一個硅片的晶向硅片定向，確定一個硅片的晶向定向儀：1，光圖定向儀；2，激光定向儀作切面，區(qū)分硅晶圓為作切面，區(qū)分硅晶圓為p型型或或n型型，3，4，但在直，但在直徑較大地硅單晶片上，不做徑較大地硅單晶片上，不做 傳統(tǒng)用內圓切割機，用金剛石，碳化硅和氧化鋁刀片200mm直徑的硅片完成厚度約725m切割的厚

24、度850 m 刀刃厚約400 m 加上籽晶和單晶尾部損失只有50晶錠成為圓片 現在用多線切割機原理：一根高速運動的鋼線帶動附著的切割刃料，對半導體摩擦，達到切割。鋼線通過十幾個導線輪在主線輥上形成一張線網待加工工件通過工作臺的上升下降進給可一次同時切割數百片，得到的硅片的厚度可達180um特點：效率高，產能高，精度高 硅片切割：硅片切割： 研磨 行星式磨片機，硅片在磨盤上公轉，還自轉 氧化鋁+水+丙三醇中，去掉50m硅，平整度約2m 用極細氧化鋁進一步整修，得到均勻的圓片 倒角用金剛石倒角設備在圓片邊緣研磨出圓弧，防止后續(xù)工藝中硅片開裂 化學腐蝕拋光 氫氟酸+硝酸+醋酸，醋酸為了稀釋混合液和控

25、制腐蝕速率 腐蝕20-25m的硅 去掉表面由各種機械操作帶來的污染和損傷層 附加振動可均勻腐蝕 223222SiNaOHH ONa SiOH化學機械拋光化學機械拋光20Pa壓力，二氧化硅的膠體溶液進行拋光化學腐蝕速度取決于pH值，控制在9-11旋轉和壓力產生熱，推動氫氧化鈉的OH-根對硅的氧化反應拋光去掉25 m硅主要反應：主要反應：直拉法的技術改進近年來，提拉法進行了以下幾項重大改進： 晶體直徑的自動控制技術-ADC技術。這種技術不僅使生長過程的控制實現了自動化，而且提高了晶體的質量和成品率 磁場提拉法-MCZ技術。在提拉法中加一磁場，可以使單晶中氧的含量和電阻率分布得到控制和趨于均勻，這項

26、技術已成功用于硅單晶的生長 液相封蓋技術和高壓單晶爐 技術，用這種技術可以生長那些具有較高蒸汽壓或高離解壓的材料（GaAs單晶，InP單晶等） 導模法-E.F.G技術，用這種技術可以按照所需要的形狀和尺寸來生長晶體，晶體的均勻性也得到改善 冷坩堝技術-利用磁力將熔料懸浮于坩堝之上進行提拉生長，熔料不與通水冷卻的坩堝接觸，避免其對熔體的污染，主要用于生長合金單晶 基座技術-差徑提拉法，把大直徑的晶體原料局部熔化，用籽晶從熔化區(qū)引晶生長，不存在坩堝污染，生長溫度不受坩堝熔點的限制，可用高功率弧光燈，激光加熱，是拉晶體纖維的重要手段液相封蓋技術和高壓單晶爐1,籽晶2,稼源爐3,砷泡4,B2O35,砷

27、化稼6,保溫系統(tǒng)主要制備GaAs, InP和GaP密封的惰性液體要求：密封的惰性液體要求： 密度比制備材料小，融化后能浮在上面 透明，便于觀察 不與化合物及石英坩堝反應，且在化合物及其組分中溶解度小 易提純，蒸汽壓低，易去除氧化硼的特點：氧化硼的特點：優(yōu)點：優(yōu)點： 脫水后的氧化硼是無色透明的塊狀 在熔點450時，熔化成透明的粘度大的玻璃態(tài)，沸點為2300，在1238的蒸汽壓約為0.1mmHg,密度為1.8g/cm3 氧化硼不與熔體反應，對坩堝的浸潤性也小，而且容易提純缺點：缺點： 易吸水，使用前要充分脫水，否則會產生氣泡而使拉晶困難 對石英坩堝有輕微的腐蝕，造成一定的硅沾污Donors: P磷

28、磷, As砷砷, Sb銻銻Acceptors: B硼硼, Al鋁鋁, Ga稼稼,In銦銦用第三族和第五族的元素取代硅原子，產生可以用第三族和第五族的元素取代硅原子，產生可以移動的電子和空穴，移動的電子和空穴，雜質用來控制硅單晶體的雜質用來控制硅單晶體的電學性能電學性能硅的摻雜硅的摻雜所有的淺施主和淺受主都被離子化，提供電子或空所有的淺施主和淺受主都被離子化，提供電子或空穴來改變材料的電導率穴來改變材料的電導率典型的摻雜濃度是典型的摻雜濃度是1014cm-3to1020cm-3輕摻雜 (幾十cm以上) ，中等摻雜(零點幾至幾十cm)，重摻雜(零點幾cm以下)硅摻雜方式：硅摻雜方式：半導體工藝中對

29、硅片的摻雜半導體工藝中對硅片的摻雜離子注入擴散摻雜法中子嬗變摻雜原位摻雜原位摻雜原位摻雜雜質雜質數量及分布的主要影響因素原料的雜質種類和含量雜質的分凝效應k=Cs/CL雜質的蒸發(fā)效應加入的雜質量影響原位摻雜雜質的其它因素保護氣的壓力，流量晶體生長參數： 晶體拉速和轉速，坩鍋轉速坩鍋位置坩鍋和系統(tǒng)的雜質沾污常見雜質元素在硅中的分凝系數常見雜質元素在硅中的分凝系數分凝系數與元素在硅中固溶度的關系分凝系數與元素在硅中固溶度的關系分分凝凝系系數數愈愈接接近近1，固固濃濃度度愈愈大大分凝系數與雜質分布的關系K1，雜質含量在尾部高，分凝系數愈小，雜質含量在尾部高，分凝系數愈小于于1，硅錠頭尾雜質濃度差別愈

30、大，硅錠頭尾雜質濃度差別愈大u縱向電阻率的均勻性控制變速拉晶法懸浮坩堝法連續(xù)加料法u徑向電阻率均勻性的控制固液交界面平坦度的影響小平面效應的影響雜雜質質分分布布均均勻勻性性控控制制變速拉晶法 雜質k1，隨拉晶，CL增大，要保持CS不變，因k=Cs/CL，要使K值變小 k值隨拉速和轉速而變；當拉速f很小時，kk0；f增大，k也增大 辦法：初期較大拉速，隨晶體的長大，減小拉速，保持CL與K乘積不變，即CS不變 后果：f太大，晶體易產生缺陷；f太小，生長時間過長懸浮坩鍋法 方法：拉鍺單晶，k1雜質，用懸浮坩鍋法控制單晶縱向電阻率 大石墨坩鍋中放一小石墨坩鍋，小坩鍋下開一個連通孔，雜質放小坩鍋中，大坩鍋放純鍺熔體 當鍺熔化，大小坩鍋的熔體液面同高；借助熔鍺的浮力和重力平衡原理，小坩鍋就浮于熔體中，這時將雜質摻入小坩鍋內，拉晶在小坩鍋中 拉晶時，小坩鍋熔體減少，液面降低，大坩鍋中的純鍺通過連通孔流入，保持內坩鍋中熔體體積不變；雜質不易通過小孔流出，雜質總量可看作不變懸浮坩鍋法拉鍺示意圖懸浮坩鍋法拉鍺示意圖 當晶體長得長時，小坩鍋雜質量變小，晶體電阻率上升 k較小，晶體生長帶走的雜質少，小坩鍋熔體中雜質濃度變化緩慢，晶體縱向電阻率均勻