CZ法的基本原理

CZ法的根本原理CZ法的根本原理，多晶體硅料經(jīng)加熱熔化，待溫度適宜后，經(jīng)過將籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑、收尾等步驟，完成一根單晶錠的拉制。爐內(nèi)的傳熱、傳質(zhì)、流體力學(xué)、化學(xué)反響等過程都直接影響到單晶的生長與生長成的單晶的質(zhì)量，拉晶過程中可直接掌握的參數(shù)有溫度場、籽晶的晶向、坩堝和生長成的單晶的旋轉(zhuǎn)與升降速率，爐內(nèi)保護(hù)氣體的種類、流向、流速、壓力等。CZ法生長的具體工藝過程包括裝料與熔料、熔接、細(xì)頸、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑生長和收尾這樣幾個階段。裝料、熔料裝料、熔料階段是CZ生長過程的第一個階段，這一階段看起來似乎很簡潔，但是這一階段操作正確與否往往關(guān)系到生長過程的成敗。大多數(shù)造成重大損失的事故(如坩堝裂開)都發(fā)生在或起源于這一•階段。籽晶與熔硅的熔接當(dāng)硅料全部熔化后，調(diào)整加熱功率以掌握熔體的溫度。一般狀況下，有兩個傳感器分別監(jiān)測熔體外表和加熱器保溫罩石墨圓筒的溫度，在熱場和拉晶工藝轉(zhuǎn)變不大的狀況下，上一爐的溫度讀數(shù)可作為參考來設(shè)定引晶溫度。按工藝要求調(diào)整氣體的流量、壓力、坩堝位置、晶轉(zhuǎn)、堝轉(zhuǎn)。硅料全部熔化后熔體必需有肯定的穩(wěn)定時間到達(dá)熔體溫度和熔體的流淌的穩(wěn)定。裝料量越大，則所需時間越長。待熔體穩(wěn)定后，降下籽晶至離液面3～5mm距離，使粒晶預(yù)熱，以削減籽經(jīng)與熔硅的溫度差，從而削減籽晶與熔硅接觸時在籽晶中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。預(yù)熱后，下降籽晶至熔體的外表，讓它們充分接觸，這一過程稱為熔接。在熔接過程中要留意觀看所發(fā)生的現(xiàn)象來推斷熔硅外表的溫度是否適宜，在適宜的溫度下，熔接后在界面處會漸漸產(chǎn)生由固液氣三相交接處的彎月面所導(dǎo)致的光環(huán)(通常稱為“光圈”)，并逐漸至長出多晶。嫻熟的操作人員，能依據(jù)彎月面光環(huán)的寬度及光明程度來推斷熔體的溫度是否適宜。3．引細(xì)頸雖然籽晶都是承受無位錯硅單晶制備的[16～19]，但是當(dāng)籽晶插入熔體時，由于受到籽晶與熔硅的溫度差所造成的熱應(yīng)力和外表張力的作用會產(chǎn)生位錯。因此，在熔接之后應(yīng)用引細(xì)頸工藝，即Dash技術(shù)，可以使位錯消逝，建立起無位錯生長狀態(tài)。Dash的無位錯生長技術(shù)的原理見72{111}[l00][lll]和[ll0]36．16°、l9．28°和0°。位錯沿滑移面延長和產(chǎn)生滑移，因此位錯要延長、滑移至晶體外表而消逝，以[100]晶向生長最簡潔，以[111]晶向生長次之，以[ll0]晶向生長情形假設(shè)只存在延長效應(yīng)則位錯會貫穿整根晶體。細(xì)頸工藝通常承受高拉速將晶體直徑縮小到大約3mm。在這種條件下，冷卻過程中熱應(yīng)力很小，不會產(chǎn)生的位錯。因此，細(xì)頸的LD的關(guān)系可由下式表示：式中，θ為滑移面與生長軸的最小夾角。高拉速可形成過飽和點(diǎn)缺陷。在這種條件下，即使[ll0]晶向生長位錯也通過攀移傳播到晶體外表。實(shí)踐覺察，重?fù)戒R晶體細(xì)頸粗而短就可以消退位錯，可能是通過攀移機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。在籽晶能承受晶錠重量的前提下，細(xì)頸應(yīng)盡可能瘦長，一般直徑之比應(yīng)到達(dá)110。放肩引細(xì)頸階段完成后必需將直徑放大到目標(biāo)直徑，當(dāng)細(xì)頸生長至足夠長度，并且到達(dá)肯定的提拉速率，即可降低拉速進(jìn)展放肩。目前的拉晶工藝幾乎都承受平放肩工藝，即肩部夾角接近180°，這種方法降低了晶錠頭部的原料損失。轉(zhuǎn)肩晶體生長從直徑放大階段轉(zhuǎn)到等徑生長階段時，需要進(jìn)展轉(zhuǎn)肩，當(dāng)放肩直徑接近預(yù)定目標(biāo)時，提高拉速，晶體漸漸進(jìn)入等徑生長。為保持液面位置不變，轉(zhuǎn)肩時或轉(zhuǎn)肩后應(yīng)開頭啟動堝升，一般以適當(dāng)?shù)膱迳⑹怪S晶升變化。放肩時，直徑增大很快，幾乎不消滅彎月面光環(huán)，轉(zhuǎn)肩過程中，彎月面光環(huán)漸漸消滅，寬度增大，亮度變大，拉晶操作人員應(yīng)能依據(jù)彎月面光環(huán)的寬度和亮度，準(zhǔn)確地推斷直徑的變化，并準(zhǔn)時調(diào)整拉速，保證轉(zhuǎn)肩平滑，晶體直徑均勻并到達(dá)目標(biāo)值。從原理上說也可以承受上升熔體的溫度來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)肩，但升溫會增加熔體中的熱對流，降低熔體的穩(wěn)定性，簡潔消滅位錯(斷苞)，所以，目前的工藝都實(shí)行提高拉速的快轉(zhuǎn)肩工藝。等徑生長當(dāng)晶體根本實(shí)現(xiàn)等徑生長并到達(dá)目標(biāo)直徑時，就可實(shí)行直徑的自動掌握。在等徑生長階段，不僅要掌握好晶體的直徑，更為重要的是保持晶體的無位錯生長。晶體內(nèi)總是存在著熱應(yīng)力，實(shí)踐說明，晶體在生長過程中等溫面不行能保持確定的平面，而只要等溫面不是平面就存在著徑向溫度梯度，形成熱應(yīng)力，晶體中軸向溫度分布往往具有指數(shù)函數(shù)的形式，因而也必定會產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)這些熱應(yīng)力超過了硅的臨界應(yīng)力時晶體中將產(chǎn)生位錯。由軸向溫度梯度引起的位錯密度ND可以用下式表示[41]：式中，β是硅的熱脹系數(shù)(在500～850℃溫度范圍內(nèi)約為)，b是柏格斯矢量確實(shí)定值，G是切變模量，σC是硅的臨界應(yīng)力，r是晶體半徑。從式(4．28)可知，軸向溫度梯度不引起位錯的條件是徑向溫度梯度引起的位錯密度由下式表示式中l(wèi)是晶體長度。從式(4．30)可知，徑向溫度梯度不引起位錯的條件是因此，必需掌握徑向溫度梯度和軸向溫度梯度不能過大，使熱應(yīng)力不超過硅的臨界應(yīng)力，滿足這樣的條件才能保持無位錯生長。另一方面，多晶中夾雜的難熔固體顆粒、爐塵(坩堝中的熔體中的SiO揮發(fā)后，在爐膛氣氛中冷卻，混結(jié)成的顆粒)、坩堝起皮后的脫落物等，當(dāng)它們運(yùn)動至生長界面處都會引起位錯的產(chǎn)生(常常稱為斷苞)，其緣由一是作為非均勻成核的結(jié)晶核，一是成為位錯源。調(diào)整熱場的構(gòu)造和坩堝在熱場中的初始位置，可以轉(zhuǎn)變晶體中的溫度梯度。調(diào)整保護(hù)氣體的流量、壓力，調(diào)整氣體的流向，可以帶走揮發(fā)SiOCO氣體，防止?fàn)t塵掉落，有利于無位錯單晶的生長，同時也有轉(zhuǎn)變晶體中的溫度梯度的作用。無位錯狀態(tài)的推斷因晶體的晶向而異，一般可通過晶錠外側(cè)面上的生長條紋(通常稱為苞絲)、小平面(通常稱為扁棱和棱線)來推斷。<111>生長時，在放肩階段有六條棱線消滅，三條主棱線、三條副棱線、等晶階段晶錠上有苞絲和三個扁棱，因生長界面上小平面的消滅而使彎月面光環(huán)上有明顯的直線段局部。生長晶向?qū)?zhǔn)時，三個小平面應(yīng)大小相等，相互間成l20°夾角。但實(shí)際生長時往往由于生長方向的偏離，造成小平面有大有小，有的甚至消逝。<100>方向生長時，有四條棱線，沒有苞絲。無(斷苞)。消滅位錯后的處理視狀況不同處理方法也不同，當(dāng)晶錠長度不長時，應(yīng)進(jìn)展回熔，然后重拉晶；當(dāng)晶錠超過肯定的長度，而坩堝中還有不少熔料時，可將晶錠提起，冷卻后取出，然后再拉出下一根晶錠；當(dāng)坩堝中的熔體所剩不多時，或者將晶體提起，或者連續(xù)拉下去，斷苞局部作為回爐料。拉晶人員應(yīng)調(diào)整拉晶工藝參數(shù)，盡可能避開消滅位錯。這里所提到的“苞絲”實(shí)質(zhì)上是旋轉(zhuǎn)性外表條紋。在4．2．5節(jié)中我們已經(jīng)爭論了在晶體轉(zhuǎn)軸與溫度場對稱軸不全都的條件下，晶體旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的軸向(沿提拉方向)的生長速率起伏以及由此而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)性雜質(zhì)條紋?，F(xiàn)在我們再來爭論在同樣的條件下，晶體的徑向(垂直于提拉方向)生長速率起伏所產(chǎn)生的結(jié)果。一點(diǎn)的溫度都等于硅的凝固點(diǎn)溫度的前提(也就是說認(rèn)為界面的過冷度等于零，即不考慮生長動力學(xué)效應(yīng)的影響)下，由圖4．12可以看出，晶體旋轉(zhuǎn)時晶體柱面與熔體液面的交點(diǎn)(即固液界面邊緣上的一點(diǎn))AO’O’2d，故晶體的半徑隨時間的變化可表示為晶體旋轉(zhuǎn)時引起了生長速率的起伏，因而在晶體內(nèi)引起了溶質(zhì)濃度的起伏，這就是旋轉(zhuǎn)性雜質(zhì)條紋；同樣緣由引起的生長速率起伏，在晶體外表所引起的直徑變化是旋轉(zhuǎn)性外表條紋。故旋轉(zhuǎn)性雜質(zhì)條紋和旋轉(zhuǎn)性外表條紋都是同一緣由引起的。除了上述的旋轉(zhuǎn)性生長條紋以外，由于固液界面溫度的隨機(jī)性的起伏，引起生長速率的起伏，也會產(chǎn)生外表條紋。實(shí)際硅單晶無位錯生長時所觀看到的“苞絲”包括了這兩種外表條紋。到生長動力學(xué)效應(yīng)界面溫度有肯定的過冷度，且與生長機(jī)制有關(guān)，因此<111>晶向生長的無位錯硅單晶的生長過程中單晶外表可以看到明顯的外表條紋(常被稱為“苞絲”)，而一旦消滅位錯后就會消逝，在<111>以外的晶向生長的無位錯硅單晶生長時也看不到這樣的現(xiàn)象。收尾收尾的作用是防止位錯反延。在拉晶過程中，當(dāng)無位錯生長狀態(tài)中斷或拉晶完成而使晶體突然脫離液面時，已經(jīng)生長的無位錯晶體受到熱沖擊，其熱應(yīng)力往往超過硅的臨界應(yīng)力。這時會產(chǎn)生位錯，并將反延至其溫度尚處于范性形變最低溫度的晶體中去在近似地認(rèn)為固液界面上任意一點(diǎn)包括固液界面邊緣上任意一點(diǎn)的溫度都等于硅的凝固點(diǎn)溫度的前提(也就是說認(rèn)為界面的過冷度等于零，即不考慮生長動力學(xué)效應(yīng)的影響)下，由圖4．12可以看出，晶體旋轉(zhuǎn)時晶體柱面與熔體液面的交點(diǎn)(即固液界面邊緣上的一點(diǎn))AO’O’的距離是變化著的2d，故晶體的半徑隨時間的變化可表示為于是徑向生長速率起伏為假設(shè)徑向溫度梯度為G、晶體旋轉(zhuǎn)一周的溫度變化為△T，則代入(4．10)式，于是有在晶體生長的等徑階段，徑向生長速率的平均值為零。由于晶體轉(zhuǎn)軸與溫度場對稱軸不全都，因而產(chǎn)生了徑向生長速率的起伏。徑向生長速率的起伏導(dǎo)致在該條件下生長的晶體的外表消滅了細(xì)牙螺紋。螺紋的螺距為每旋轉(zhuǎn)一周固液界面邊緣在液面方向的位移，如式(4．8)所示。螺紋的深度為2d，即OOO’O’4—10晶體轉(zhuǎn)軸與溫度場對稱軸不全都，晶體旋轉(zhuǎn)時引起了生長速率的起伏，因而在晶體內(nèi)引起了溶質(zhì)濃度的起伏，這就是旋轉(zhuǎn)性雜質(zhì)條紋；同樣緣由引起的生長速率起伏，在晶體外表所引起的直徑變化是旋轉(zhuǎn)性外表條紋。故旋轉(zhuǎn)性雜質(zhì)條紋和旋轉(zhuǎn)性外表條紋都是同一緣由引起的。除了上述的旋轉(zhuǎn)性生長條紋以外，由于固液界面溫度的隨機(jī)性的起伏，引起生長速率的起伏，也會產(chǎn)生外表條紋。實(shí)際硅單晶無位錯生長時所觀看到的“苞絲”包括了這兩種外表條紋。到生長動力學(xué)效應(yīng)界面溫度有肯定的過冷度，且與生長機(jī)制有關(guān)，因此<111>晶向生長的無位錯硅單晶的生長過程中單晶外表可以看到明顯的外表條紋(常被稱為“苞絲”)，而一旦消滅位錯后就會消逝，在<111>以外的晶向生長的無位錯硅單晶生長時也看不到這樣的現(xiàn)象。7．收尾收尾的作用是防止位錯反延。在拉晶過程中，