毕业设计（论文）-综述单晶生长方法.doc

目 录 摘摘 要要 1 1 ABSTRACT 2 2 第一章第一章 单晶的生长原理单晶的生长原理 4 4 1 1 单晶的生长原理 4 第二章第二章 直拉法直拉法 5 5 第三章第三章 区熔法区熔法 1111 第四章第四章 水平法水平法 1212 第五章第五章 垂直梯度凝固法垂直梯度凝固法 1313 第六章第六章 热交换法热交换法 1616 第七章第七章 液封法液封法 1717 第八章第八章 蒸汽压控制法蒸汽压控制法 2121 结束语结束语 2222 参考文献参考文献 2323 致致 谢谢 2525 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 1 综述单晶生长方法 摘 要 在 20 世纪 90 年代 硅基微电子学已经达到了成熟规模化生产水平 较低的晶片 价格是器件生产转变的主要驱动力 这种转变伴随增加晶片直径需求和精确剪裁器件 相应的器具 允许既能用于离子注入又能用于外延生长的器件生产技术 单晶晶片的 生产厂家面临通过减少生产成本来降低晶片价格 单晶材料根据晶体生长法有很多 本文主要讲的有直拉法 区熔法 热交换法 水平法 垂直梯度凝固法 液封法 蒸汽压控制法等 本文通过这 7 种方法来让我们 了解单晶的生长 虽然不能很深入但能有个初步的认识 关键词 关键词 单晶生长 方法 微电子 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 2 Review of single crystal growth method Abstract In nineteen ninties Silicon based microelectronics has reached a mature large scale production level The lower chip price is the main driving force of production shift device this shift with increase the diameter of the wafer demand and precise tailoring device corresponding apparatus allow not only can be used for ion implantation and can be used for the epitaxial growth of device manufacturing technology Single crystal wafer manufacturer faces by reducing production costs and reduce chip price Single crystal material based on crystal growth method has many This article mainly tells a Czochralski method Zone melting method Heat exchange method Level method Vertical gradient freeze method Liquid seal method Steam pressure control method and so on Through these 7 methods to let us know about the growth of single crystal although not very thorough but can have a preliminary understanding Key Words Single crystal growth method Microelectronics 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 3 第一章 单晶的生长原理 1 1 单晶的生长原理 在单晶成长过程中 随着熔场温度的下降 将发生液态转变到固态的相变化 对 于发生等温 等压条件下的相变化 不同相之间的相对稳定性可由吉布斯自由能判定 G 可以视为结晶气动力 G H T S 1 1 在平衡的熔化温度 Tm 时 固液两相的自由能是相等的 即 G 0 因此 G H Tm S 0 1 2 所以 S H Tm 1 3 其中 H 即为结晶潜热 将式 3 代入式 1 可得 G H Tm T Tm H T Tm S T 1 4 由式 4 可以看出 由于 S 是一个负值常数 所以 T 即过冷度 可被视为 结晶的唯一驱动力 以典型的 CZ 长晶法为例 加热器的作用在于提供系统热量 以使熔体维持在高于 熔点的温度 如果在液面浸入一晶种 在晶种与熔体达到热平衡时 液面会靠着表面 张力的支撑吸附在晶种下方 若此时将晶种往上提升 这些被吸附在液体会跟着晶种 往上运动 而形成过冷状态 这节过冷的液体由于过冷度产生的驱动力而结晶 并随 着晶种方向长成单晶棒 在凝固结晶过程中 所释放出的潜热是一个间接的热量来源 潜热将借着传导作用而沿着晶棒传输 同时 晶棒表面也会借着热辐射与热对流将热 量散失到外围 另外熔场表面也会将热量散失掉 于是 在一个固定的条件下 进入 系统的热能将等于系统输出的热能 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 4 第二章 直拉法 直拉法的生产过程简单来说就是利用旋转的籽晶从熔硅中提拉制备单晶硅 利用 籽晶坩埚熔体中提拉单晶的技术 由切克劳斯基 J Czochralski 于 1918 年首次用此 法生长金属晶体 故又称切克劳斯基法 简称 CZ 法 美国人蒂尔 G K Teal 和里特 尔 J B Little 于 1950 年用此法拉出锗单晶 蒂尔和布勒直 zh E Buekler 于 1952 年用此法拉出硅单晶 其原理与工艺过程单晶生长的过程如图所示 即建立相应 的温度场 在固一液界面形成一定过冷度 在籽晶上进行结晶 工艺可分以下几个阶 段 1 熔料 将坩埚内多晶料全部熔化 2 引晶 将籽晶放下经烘烤后 使之接触 熔体 籽晶向上提拉 控制温度使熔体在籽晶上结晶 3 缩颈 目的在于减少或消除 位错 获得无位错单晶 4 放肩 使单晶长大到所需要的直径尺寸 5 等径 单晶 保持圆柱形生长 6 收尾 将单晶直径逐渐缩小 最后呈锥形 以避免位错反延伸 1 一电极 2 硅熔体 3 等径生长 4 一观察孔 5 一放肩 6 缩颈 7 图像传感器 8 一卷轴旋转系统 9 提拉绳 10 至真空泵 11 一光学系统 12 一石英坩埚 13 石墨 托 14 一石墨加热器 15 保温罩 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 5 以硅单晶为例 此法产量大 成本低 国内外大多数太阳能单晶硅片厂家多采用 这种技术 目前 直拉法生产工艺的研究热点主要有 先进的热场构造 磁场直拉法 以及对单晶硅中氧浓度的控制等方面 1 先进的热场构造 在现代下游 IC 产业对硅片品质依赖度日益增加的情况下 热场的设计要求越来越 高 好的热场必须能够使炉内的温度分布达到最佳化 因此一些特殊的热场元件正逐 渐呗使用在先进的 CZ 长晶炉内 任丙彦等对 200mm 太阳能直拉单晶的生长速率进行了研究 通过采用热屏 复 合式导流系统及双加热器改造直拉炉的热系统 图 1 进行不同热系统下的拉晶实验 结果发现平均拉速可从 0 6mm min 提高到 0 9mm min 提升了 50 用有限元法对氩气流场和单晶炉热场进行模拟实验 结果表面 改造后的氩气流场被 明显优化 界面附近的晶体纵向温度梯度增加 熔体纵向温度梯度减小 研究发现 直拉炉中增加热屏后平均拉速明显提高的原因主要有两个 一方面热屏阻止加热加热 器的热量想晶体辐射 减弱了固液界面热辐射力度 另一方面 热屏起到了氩气导流 作用 在敞开系统中 氩气流形成漩涡 增加了炉内气氛流动的不稳定性 氩气对晶 体的直接冷却能力弱 不利于生长出无位错单晶 增加热屏后 漩涡消失 氩气流速 增加 对晶体的直接冷却和溶液界面吹拂能力加强 直拉炉加装导流筒后 炉膛被分 成了上下两个空间 氩气流局限在复合式导流系统中 然后仅从内层保温罩 加热器 加热器 石墨坩埚这两个缝隙中通过 流速进一步增加 并在流动过程中不断从炉内带 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 6 走结晶潜热 通过多模拟结果后的处理 得到两种热系统下界面 10cm 附近晶体和熔体 的 8 个温度值 经分析得出 与敞开系统 密闭系统界面附近晶体轴向温度梯度增大 约 10 而熔体中轴向温度梯度降低约 5 在 CZ 长晶过程中 当熔体中的温度梯度 越小而晶体温度梯度越大时 生长速率提高 如图 2 图 3 所示 2 磁场直拉法 MCZ 今年来 随着生产规模的扩大 直拉单晶硅正在向大直径发展 投料量急剧增加 由于大熔体严重的热对流不但影响晶体质量 甚至会破坏单晶硅生长 目前抑制热对 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 7 流最常用的方法是在长晶系统内加装磁场 在磁场下生长单晶 当引入磁感应强度达 到一定值时 一切宏观对流均受到洛伦兹力的作用而被抑制 引入磁场的磁力线分布 有纵向 横向和 Cusp 三种 从抑制硅单晶氧浓度考虑 应以 Cusp 磁场为最佳 宇慧平等研究了不同磁场对大直径单晶生长中的动量与热量传输的影响 并进行 数值分析 通过采用紊流模型对大直径硅单晶在垂直磁场及勾行磁场作用时熔体内动 量及热量进行数值模拟和利用有限体积法离散控制方程 SMPLE 等算法对压力和速度场 进行耦合得出 垂直磁场对动量及热量的分布具有双重效应 垂直磁场强度过大 Ha 1000 2000 不利于晶体生长 对无磁场 垂直磁场及勾行磁场作用下熔体内 的传输特性进行比较后发现 随着勾行磁场强度的增加 熔体内子午面上的流动减弱 并且紊流强度也相应降低 徐岳生等使用钕铁硼永磁体向熔体空间引入磁场 研究了永磁体所产生的磁场对 硅单晶生长的影响 研究发现 采用钕铁硼永磁体向熔硅所在空间中引入 Cusp 磁场后 当坩埚边缘磁场感应强度达到 0 15T 时 熔硅中杂质输运受到扩散控制 熔硅自由表 面观察到明显的表面张力对流 单晶硅的纵向 径向电阻率均匀性得到改善 通过试 验得出了磁感应强度 B 对应等效微重力的量级关系式 硅单晶生长 用硅熔体的有关物性参数代入 Veff表示式 可求得在石英干 锅边缘处所产生的等效微重力接近于一般低轨道卫星的微重力等级 在坩埚边缘处 B 值相同情况下 大直径坩埚对应的等效微重力量级较高 但实现 B 值较困难 研究表 明 增加永磁体的数量可以达到要求 3 氧浓度的控制 在直拉单晶硅生长过程中 由于石英坩埚的溶解 一部分氧通常会进入到单晶硅 中 这些氧主要存在于硅晶格的间隙位置 当间隙氧的浓度超过某一温度下氧在硅中 的溶解度时 间隙氧就会在单晶硅中沉淀下来 形成单晶硅中常见的氧沉淀缺陷 如 果不对硅片中的氧沉淀进行控制 将会对集成电路造成危害 通过一定的工艺 在硅 片体内形成高密度的氧沉淀 而在硅片表面形成一定深度的无缺陷洁净区 该区域将 用于制造器件 这就是 内吸杂 作用 反之如果氧浓度太高 会使晶片在高温制程 中产挠曲 因此适当控制氧析出物的含量对制备性能优良的单晶硅材料有重大意义 符黎明等重点研究了直拉硅中氧沉淀在快速热处理 RPT 和常规炉退火过程中的 高温消融以及再生长行为 研究发现 RPT 是一种快速消融氧沉淀的有效方式 比常规 炉退火消融氧沉淀更加显著 硅片经 RPT 消融处理后 在氧沉淀再生长退火过程中 硅的体微缺陷 BMD 密度显著增加 BMD 的尺寸明显增大 研究还发现 氧沉淀消融 处理后 后续退火的温度越高 氧沉淀的再生长越快 Kissinger 等采用红外激光散射断层谱 IR LST 对 1000 1100 退火后的掺 氮直拉硅中氧沉淀的尺寸分布进行了详细的研究 研究表明 随着退火时间的延长 小尺寸的氧沉淀逐渐减少 而大尺寸的氧沉淀逐渐增多 这说明在退火过程中半径小 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 8 于该温度下临界形核半径的氧沉淀被消融了 而半径大于该温度下临界形核半径的氧 沉淀继续长大 这就是 Oswald 熟化机制 研究还发现 氮浓度越高或退火温度越高 氧沉淀的熟化过程进行的越快 李勇等利用傅立叶红外光谱仪研究了掺氮直拉单晶硅和普通直拉单晶硅的原生氧 沉淀以及模拟太阳电池制备热处理工艺下的氧沉淀行为 结果发现 掺氮直拉单晶硅 的原生氧沉淀浓度比普通直拉单晶硅的略高 这是因为氮在晶体生长过程中可以促进 氧沉淀 如图 4 所示 但是研究发现 在模拟太阳电池制备热处理工艺中掺氮直拉单 晶硅和普通直拉单晶硅一样 仅有非常少量氧沉淀产生 这表明在太阳电池的短时间 热处理工艺中 氮只会对氧沉淀产生微量影响 不会影响磷吸杂的效果 如图 5 所示 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 9 固液交界面是影响单晶质量的关键因素 它对晶体完整性 径向电阻率均匀性影 响很大 由于纵向和径向温度梯度的存在 不同单晶材料在拉晶全过程中界面形状不 同 一般头部是凸形 中间平坦 尾部是凹形 合理控制拉晶速度 晶转速度及埚转 速度等参数可以获得平稳的固液交界面 拉制大直径红外光学锗单晶 控制足够低的 拉晶速度是一个关键困素 CZ 法的拉晶速度一般在 2 10cm h 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 10 第三章 区熔法 区熔法是先利用线圈将原料硅棒局部加热熔化 熔区因受到磁托浮力而出于悬浮 态 然后从熔区下方利用旋转着的籽晶将熔硅拉制成单晶 此法由于生长过程中熔区 始终处于悬浮状态 不与任何物质接触 生长过程中的杂质分凝效应和蒸发效应显著 等原因 因此产品纯度高 各项性能好 但由于其生产成本高 对设备和技术的要求 较为苛刻 所以一般仅用于军工 太空等高要求硅片的生长 闫萍等采用真空区熔工艺 制备出导电类型为 P 型 电阻率 3 5 10 及 1 2 10 两种规格的真空区熔单晶硅 其中电阻率为 3 5 10 的单晶除进行真空区熔提纯外 还需进行微量的掺杂 两根单晶直径 30 50mm 晶向 111 经检测 均无错位及漩涡缺陷 少子寿命达到 1500 微秒以上 闫萍等通过在氩气气氛及真空环境下进行高阻区熔硅单晶生长试验发现 与在氩 气气氛下生长单晶相比 在真空环境下采用较低的晶体生长速率即可生长出无漩涡缺 陷的单晶 但单晶的少子寿命却有明显的下降 在真空中生长无漩涡缺陷单晶的生长 速率 比在氩气气氛下生长同样直径单晶的生长速率低 但漩涡缺陷对单晶少子寿命 的影响并不明显 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 11 第四章 水平法 工艺特点 水平法即区域水平法生长单晶 其原理与区域熔炼相似 但设备上作 了一些改进 即在熔区前安装了一个附加预热器 在熔区后增加了保温后热器 多晶 材料经腐蚀 清洗后放入涂有炭烟的石英舟 舟的头端放有 2 3 Cm 长的籽晶 图 2 1 为水平法晶体生长示意图 图 2 1 水平法晶体生长示意图 主要设备 水平法的主要设备为水平单晶炉 它主要由石英炉管 加热线圈 传 动机构和加热控制系统所组成 一般石英炉管的直径为 60mm 管外缠绕有 14 圈环形 加热圈 采用 0 64mm 的 Pt Rh 10 金属丝 相隔一定的间隙绕成 63mm 的环 将环置于石英炉管外面 且与石英管同轴 此加热元件用氧化铝套管套着 以便于保 温 然后全部封在隔热室内 石英炉管两端设有水冷金属夹套 靠近水套处放有螺旋 状的不锈钢隔热屏蔽 可以在石英炉管内移动 以调节温度梯度 加热元件通过串联 电阻控制 用一个电压变化 l 的稳压器供电 总的输入平均功率 1 kw 用 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 12 Pt Rh 13 热偶封在石英管内 与置于炉底中心的加热圈处于同一间距处测温 热 偶测得的温度在自动记录仪上显示 利用控制电阻控制温度 控温精确度可达到 1 炉子移动速度 1 26cm h 透明石英炉管长 1 53 m 放在炉子的同轴位置上 装多晶材料的石英舟截面为半 圆形 长 50cm 舟壁必须均匀平滑 经腐蚀清洗涂层后 在 1200 的氮 氢气氛保护 下煅烧 使用的籽晶长 lOcm 取向 111 先测量其杂质浓度 原料区熔单晶材料应具 有均匀断面 经严格处理后放入舟内 单晶生长时气体流速 141L h 水平法的优点 水平法可以生长出 2 8cm2的优质单晶 并具有成本低 设备简 单 操作方便 纵向电阻率分布均匀等优点 但由于单晶生长过程始终必须和舟壁接 触 单晶完整性比直拉法差 如果设计的设备有一个合适的热场和保温得当 位错密 度可降至 5 103cm 2以下 第五章 垂直梯度凝固法 尽管 CZ 法工艺成熟 能拉制出大直径单晶 但由于 CZ 系统中高的轴向温度梯度 和径向温度梯度会使单晶产生较大热应力 晶体重力作用会使晶体变形而产生机械应 力 从而导致位错增加 降低单晶光学性能 需在一定温度下经过长时间退火以消除 应力 使光学性能提高 并保持在加工时不易碎裂 布里奇曼法 Bridgman stockbarger 热交换法或梯度凝固法 GF 可获得低的 热场梯度 但是由于凝固的晶体与容器壁的热膨胀系数不同 会产生机械应力 VGF 法是 80 年代初用于生长半导体材料 GaAs 单晶的方法 人们成功地用 VGF 法 生长出 GaAs 单晶 并对其生长工艺进行了深入研究 Azoulay 等用 VGF 法生长出了 大直径掺磷锗单晶 图 2 2 是其 VGF 系统图 石墨坩埚在一个石英钟罩里 热场分布 如图 2 3 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 13 图 2 2 VGF 系统图 图 2 3 VGF 热场分布图 使用石墨坩埚进行单晶生长的特点是 一个光滑柔软的石墨毡村紧贴在坩埚内壁 与之相吻合 以 替代吸收 由于晶体与容器膨胀系数不同而产生的应力 坩埚顶部 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 14 的石墨盖的特殊作用是减少晶体在固化时因密度减小导致体积膨胀而产生的应力 整 个单晶生长过程包括 初始熔化 恒温 3h 然后以 2 h 的速度缓慢冷却直至整个 熔体固化 温度梯度为 熔体中间平均 8 cm 在籽晶与熔体界面一侧 最陡为 15 C cm 整个过程在 9 33 104Pa 的氩气氛中完成 可以生长出直径达 200mm 的单 晶 VGF 单晶位错密度 EPD 在 500 1000cm 2之间 德国的 Hofmann 等详细报道了其 VGF 炉体 MZCW 四炉 的特点及用 VGF 方法生长掺 镓锗单晶的情况 图 2 4 是 VGF 炉体图 该 VGF 炉体包括 26 段加热和冷却段 每段长 约 2cm 22 段能被独立控制加热或冷却 其主要特点是采用 冷壁 技术获得热绝 缘 设计成标准结构 易于安装拆卸和清洗 所谓 冷壁 技术 是用辐射保护物达 到阻止热扩散 每段热体的中心是电阻加热丝 外层有辐射保护物和冷却环 冷却剂 是压缩空气 加热丝 辐射保护物和冷却环支撑在一个陶瓷结构的部件上 每个加 热段有 2 3 个热偶控制 整个 MZCW 系统装在一个不锈钢高压罐内 可承受氩气或空 气达 4 105Pa 这样可以生长中 50 75 mm 的锗单晶体 最大直径可达 200mm 又 可以生长 GaAs 和 InP 等半导体材料 图 2 4 VGF 炉体 MZCW 炉 示意图 VGF 系统的全部工艺过程均由计算机自动控制 表 1 是 VGF 炉的热性能参数 表 1 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 15 日本专利报道了 VGF 法生长成功 80mm 长 180mm 的 GaAs 单晶 同时指出也可 以用此法生长锗单晶 VGF 法生长的锗单晶由于其尺寸足够丈 位错密度小 因而除 用于光学用途外 也是 GaAs 太阳电池的良好衬底 第六章 热交换法 日本东京电子冶金研究所前岛善文等 在直拉硅单晶炉内采用独特的石墨加热系 统 用热交换法生长出 130mm 的锗单晶 这种方法的特别之处在于坩埚的构造要能 使导入气体除去锗的凝固热 图 2 5 是热交换法坩埚的构造图 材料为高纯石墨 埚 底加工的特别薄 生长开始时在此处首先形成晶核 通过埚底与托盘之间流动的气体 把成核生长对产生的凝固热带走 从而保证生长成单晶 热交换气体用氨气和氢气 按 一定流量比 从晶核形成到晶体生长完全结束 冷却速度为 0 03 0 05 min 不 需要籽晶 生长的锗单晶位错密度为 800cm 2 折射指数均匀性 n lO 4 图 2 5 热交换法坩埚构造示意图 几种晶体生长方法 以锗单晶为例 及其晶体性能比较见表 2 表 2 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 16 第七章 液封法 液封法即液封切克劳斯基 LEC 单晶生长方法 液封切克劳斯基无需热壁 它使用 透明 惰性氧化硼层浮于晶体材料熔体表面上起液封作用 主要氧化硼上部的气压大 于熔体挥发性元素的离解气压 防止挥发性组元的离解挥发 以砷化镓晶体为例 为了抑制砷化镓熔体砷元素的挥发 同时为了抑制砷化镓多 晶合成之前的砷的蒸汽压 必须具备耐压炉体 图 2 6 为砷化镓单晶炉体结构剖面图 最外层为不锈钢炉体 此炉体带水套冷却结构 再向内为石墨制作的保温层 然后为 石墨电阻加热器 每个加热器必然连接一对铜电极 电极经炉体通向炉体外 必须是 设计电极与炉体绝缘 密封结构 由于电极工作电流很大 容易自身发热和传热 破 坏电极的绝缘和密封结构 电极设计为空心循环水冷结构 加热器内部为石墨坩埚 坩埚被坩埚杆托起 坩埚杆通向炉体外 坩埚杆既转动 又必须升降 设计与坩埚杆 相配的密封轴套 轴套内设计 O 型密封圈 与坩埚杆密封 轴套外密 封圈与炉壁密封 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 17 图 2 6 单加热器砷化镓单晶炉体结构剖面图 炉体下方制作坩埚杆升降丝杠结构 同时坩埚可以双向转动 晶体生长必需捆绑 籽晶的籽晶杆 籽晶杆处于加热器的正上方 并带籽晶接砷化镓熔体 籽晶杆的温度 较高 必须采用钼制籽晶杆 钼籽晶杆与籽晶杆密封套之间必须隔离 防止籽晶导热 造成密封轴套 0 型密封圈的损坏 籽晶杆密封套与坩埚杆的密封套相类似 或带水冷 的结构不锈钢籽晶杆 但由于砷化镓的热导率较小 砷化镓结晶时 不需要籽晶杆的 导热太强 带水冷的结构不锈钢籽晶杆必须连接较长的钼杆 有利于提高晶体的成晶 率 在炉体外增加籽晶杆升降和转动装置 为了便于观察单晶炉体内氧化硼熔化情况 砷化镓合成情况 判断引晶温度是否 合适 生长晶体形貌规则等情况 炉体上部增加了石英观察窗口 在炉体壁预留抽真 空和充气管道 管道上制作耐高压截止阀 在炉体壁侧面和坩埚底部制作热电偶孔 此孔保证热电偶与炉体绝缘 又能保证炉体的密封 使其耐炉内的高压 在炉体外配备机械真空泵 高纯的氮气或氩气气瓶及管道 冷却循环进水和出水 排 以及连接水管 加热电极通过电缆与变压器相连 外围的电气控制包括 控制变 压器输出电流电压实现对加热器的温度控制 坩埚杆的转动 升降 籽晶杆的转动 升降电机及控制器 以及籽晶杆和坩埚杆手动快速升降装置 籽晶杆 坩埚杆 炉体 升降保护限位开关 机械真空泵和控制开关 炉体内压力显示仪表和压力安全阀 为 了有利于对砷化镓晶体等径生长过程中的直径控制 在籽晶杆头部可以增加晶体生长 重力传感器 及信号电路处理电路 这些控制信号的可以通过 A D 转化 可以实现单 晶炉计算机控制 图 2 7 为 LEC 法砷化镓晶体生长自动控制系统示意图 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 18 图 2 7 LEC 法晶体生长自动控制系统 砷化镓 LEC 单晶炉根据可以承受的压力分为常压单晶炉 1 OMPa 和高压单晶炉 IOMPa 在高压单晶炉坩埚中可以直接装入原材料镓 砷 氧化硼 密封炉体 抽 真空充气 0 5MPa 升温 450 550 C 恒温 lh 从观察窗口观察氧化硼完全熔化 覆盖 了镓和砷 炉体增压到 3 OMPa 以上 快速升温 当温度达到 800 1000 范围内某一 个温度值 炉体内压力大于 6 OMPa 固态砷变成液态砷与液态镓快速化合反应生成砷 化镓多晶 升温使合成的多晶熔化后 下降籽晶进行晶体生长 也可以装预先装合成 砷化镓多晶料进行单晶生长 由于常压单晶炉耐压较小 不可能采用高压原位合成工艺合成砷化镓多晶 可以 采用水平工艺合成的多晶料和其它工艺合成的多晶料 如图 2 8 所示常压单晶炉 首 先在 900 1000 真空条件下对氧化硼进行脱水 在氮化硼坩埚中装入镓 氧化硼 在 带机械手的安培瓶瓶中装入砷 密封炉体 炉体抽真空条件下 加热器升温到 600 700 C 移动砷的安培瓶接近坩埚上部 去除砷的氧化膜 然后炉体充气 0 15MPa 使砷瓶的端插入液封氧化硼下部镓液中 逐渐升温使安培瓶中砷变成蒸气与镓 反应生成砷化镓多晶 然后拔出装砷的安培瓶 熔化多晶下降籽晶进行晶体生长 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 19 图 2 8 砷化镓常压单晶炉示意图 为了提高砷化镓晶体长度和均匀性 采用多温区加热嚣取代单温区加热器 使热 场生长梯度区可调 以改善晶体生长的热场环境 减少位错 并增加轴 横 向磁场 同时采用一些精细工艺 如选取无位错优良籽晶 掺杂硬化 细径工艺 幔放肩 熔体 配比最佳化 全液封技术 放慢冷却过程以及最佳退火过程等等 可以获得完全低位 错 均匀性佳较长的 SI GaAs 晶体 图 2 9 为三段加热器 LEC 单晶炉示意图 上部加 热器的温度控制在 600 目的调节晶体生长界面的温度梯度 减少弥补晶体生长中后 期涌出氧化硼晶体房部和侧面热损失 中部主加热器的温度控制 1400 目的维持砷 化镓完全熔融态 结合上加热器 调节适当温度梯度的晶体生长界面 通过对主加热 降温实现晶体过冷生长 下部的加热器温度 1200 目的维持坩埚砷化镓熔体的熔融 态 防止由于主加热器的降温造成熔体的过冷结晶 采用此结构的单晶炉生长的 3 英 寸单晶 500mm 长 生长的 4 英寸单晶长度 480mm 生长的 6 英寸单晶长度 300mm 图 2 9 三段加热器 LEC 单晶炉示意图 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 20 第八章 蒸汽压控制法 蒸汽压控制切克劳斯基 VCZ 单晶生长方法 VCZ 工艺是 LEC 工艺的改进 一些晶体 生长可以选择较低的温度梯度 15 35K cm 生长 减少生长晶体内部的温度场非线性 因此减少了位错产生的几率 增加晶体轴向和径向位错分布的均匀性 采用 VCZ 工艺 生长的晶体具有低位错和的残留应力 如图 2 10 所示 在常规 LEC 单晶炉内增加保温内罩 一般采用石墨材料制作 在 坩埚轴和籽晶杆轴采用高温密封结构 密封口使用氧化硼或镓密封 也采用同态准密 封结构 与内保温罩相连的温度控制 590 C 630 可以获得晶体熔体 生长炉体内 可以采用 0 5MPa 的氩气或氮气 生长半绝缘砷化镓单晶 在氮化硼坩埚中装入预先合 成多晶 可以采用有氧化硼液封和无氧化硼液封晶体生长 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 21 图 2 10 VCZ 单晶炉示意图 结束语 单晶生长总体上有气态和液态生长方法两大类 液态生长方法又分为熔体生长方 法和溶液溶液生长方法 本文分别先介绍了单晶的生长原理 然后介绍了 7 种单晶的生 长方法 单晶的生长方法有很多 这里只是简单的介绍其中的 7 种 分别以不同的材料 为例来讲述各种不同方法所用的器件 生长所需环境等 直拉法 区熔法 水平法 垂直梯度凝固法 热交换法 液封法 蒸汽压控制法 是本文介绍的七种方法 都是通过参考文献查询到的 本人对方法的具体实施并不是很 有研究 也因为条件的限制 因此只是浅显的介绍 并不能完全了解其实际操作 仅此望 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 22 读者谅解 参考文献 1 中国硅材料产业现状分析 J 中国集成电路 2008 3 55 63 2 邓志杰 硅单晶材料发展动态 J 稀有金属 2000 24 5 369 372 3 Peter W Wolfgang K Solar grade silicon feedstock supply for PV industry J Solar Energy Materials and Solar Ceils 2002 72 1 4 11 26 4 周旗钢 300mm 硅片技术发展现状与趋势 J 电子工业专用设备 2005 10 1 6 5 魏奎先 戴永年 马文会 等 太阳能电池硅转换材料现状及发展趋势 J 轻金属 2006 2 华中科技大学文华学院毕业设计 论文 23 52 56 6 Ma X Yu X Fan R et al Formation of pnp bipolar structure by thermal donors in nitrogen containing p type Czochralski silicon wafers J Appl Phys Lett 2002 81 3 496 498 7 任丙彦 羊建坤 李彦林 200mm 太阳能用直拉单晶生长速率研究 J 半导体技术 2007 32 2 106 120 8 Benz K W Croll A Melt growth of semiconductor cyrstals in mocro gravity Conditions J Material Science Forum 1998 276 277 109 118 9 宇慧平 隋允康 安国平 不同磁场对大直径单晶硅生长中的动量与热量输运影响的数分析 J 人工晶体学报 2008 37 5 1073 1078 10 徐岳生 刘彩池 王海云 等 磁场直拉硅单晶生长 IJJ 材料科学 2005 34 5 48l 一 492 11 张泰生 马向阳 杨德仁 掺氮直拉单晶硅中氧沉淀的研究进展 J 材料导报 2006 20 9 5 9 12 符黎明 杨德仁 马向阳 等 直拉单晶硅中氧沉淀的高温消融和再生长 J 半导体学报 2007 28 1 52 55 13 Kissinger G Huber A Nakai K et al Investigation of Ostwald Ripening in NitrogenDoped Czochralski Silicon J Appl phys Lett 2005 87 10 14 李勇 钟尧 席珍强 等 太阳能电池用掺氮直拉单晶硅中氧沉淀行为的研究 J 半导体学 报 2006 24 5 676 682 15 杨树人 于宗昌 王兢 半导体材料 M 北京 科学出版社 2004 16 闫萍 张殿朝 陈立强 高阻真空区熔硅单晶的生长 J 半导体技术 2007 32 4 301 307