单晶硅的制备

1、单晶硅的制备单晶硅的主要用途单晶硅的主要用途单晶硅的性质单晶硅的性质单晶硅的生长原理单晶硅的生长原理单晶硅的制法单晶硅的制法 直拉法（直拉法技术改进）直拉法（直拉法技术改进）单晶硅的制备单晶硅的制备主要内容主要内容单晶硅的主要用途单晶硅的主要用途单晶硅的制备单晶硅的制备单晶硅的性质单晶硅的性质单晶硅的主要用途单晶硅的主要用途单晶硅的制备单晶硅的制备单晶硅的生长原理单晶硅的生长原理单晶硅的性质单晶硅的性质单晶硅的主要用途单晶硅的主要用途单晶硅的制备单晶硅的制备单晶硅的制法单晶硅的制法 单晶硅的生长原理单晶硅的生长原理单晶硅的性质单晶硅的性质单晶硅的主要用途单晶硅的主要用途单晶硅的制备单晶硅的制备

2、区溶法区溶法 单晶硅的制法单晶硅的制法 单晶硅的生长原理单晶硅的生长原理单晶硅的性质单晶硅的性质单晶硅的主要用途单晶硅的主要用途单晶硅的制备单晶硅的制备直拉法（直拉法技术改进）直拉法（直拉法技术改进）单晶硅的制法单晶硅的制法 单晶硅的生长原理单晶硅的生长原理单晶硅的性质单晶硅的性质单晶硅的主要用途单晶硅的主要用途单晶硅的制备单晶硅的制备直拉法（直拉法技术改进）直拉法（直拉法技术改进）单晶硅的制法单晶硅的制法 单晶硅的生长原理单晶硅的生长原理单晶硅的性质单晶硅的性质单晶硅的主要用途单晶硅的主要用途单晶硅的制备单晶硅的制备直拉法（直拉法技术改进）直拉法（直拉法技术改进）单晶硅的制法单晶硅的制法 单

3、晶硅的生长原理单晶硅的生长原理单晶硅的性质单晶硅的性质单晶硅的主要用途单晶硅的主要用途单晶硅的制备单晶硅的制备水平区熔法水平区熔法悬浮区熔法悬浮区熔法 外延法外延法单晶硅太阳能电池板单晶硅太阳能电池板太空中单晶硅的应太空中单晶硅的应用用处理器处理器AMD 其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。由于太阳能具有清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来，太阳能由于太阳能具有清洁、环保、方便等诸多优势，近三十年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得

4、了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。 太阳能电池的制作流程太阳能电池的制作流程 熔融的单质硅在凝固时硅原子以熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格金刚石晶格排列成许多晶核，排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成来便结晶成单晶硅单晶硅。 单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的随温度的升高而增加升高而增加，有显著的，有显著的半导电性半导电性。超纯的单晶硅是。超纯的单晶硅是本征

5、本征半导体。半导体。在超纯单晶硅中掺入微量的在超纯单晶硅中掺入微量的A族元素，如硼可提高其族元素，如硼可提高其导电的程度，而形成导电的程度，而形成p型硅半导体；如掺入微量的型硅半导体；如掺入微量的A族元素，族元素，如磷或砷也可提高导电程度，形成如磷或砷也可提高导电程度，形成n型硅半导体。型硅半导体。 单晶硅的性质单晶硅的性质晶体硅的金刚石结构晶体硅的金刚石结构 单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用无定形硅，然后用直拉法直拉法（Czochralski法）或悬浮区熔法悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。从熔体中生长出棒状单晶硅。单晶硅主要用于制作半导体元

6、件。单晶硅主要用于制作半导体元件。硅的纯化硅的纯化人工加热石英砂和碳人工加热石英砂和碳SiO2 + C Si + CO2冶金级硅（反应后蒸馏纯冶金级硅（反应后蒸馏纯化三氯硅烷）化三氯硅烷）Si + 3Hcl SiHcl3 +H2 MGS 98三氯硅烷还原成硅三氯硅烷还原成硅2SiHcl3 +2H2 2 Si + 6Hcl 电子级硅（电子级硅（EGSEGS） 直拉法（cz法）制备单晶硅 直拉法即直拉法即切克劳斯基切克劳斯基法（法（CzochralskiCzochralski简称简称CzCz法法) ) 它是通过电阻加热，它是通过电阻加热，将装在石英坩埚中的多将装在石英坩埚中的多晶硅熔化，并保持略高

7、晶硅熔化，并保持略高于硅熔点的温度，将籽于硅熔点的温度，将籽晶浸入熔体，然后以一晶浸入熔体，然后以一定速度向上提拉籽晶并定速度向上提拉籽晶并同时旋转引出晶体。同时旋转引出晶体。直拉单晶生成示意图直拉单晶生成示意图 （）加料：将多晶硅原料及杂质放入石英坩埚内，杂质的种类依电阻的或型而定。杂质种类有硼、磷、锑、砷，目前国内太阳能行业仅掺硼形成P型半导体。 （）熔化：加完多晶硅原料于石英埚内后，长晶炉必须关闭并抽成真空后充入高纯氩气使之维持一定压力范围内，然后打开加热电源，加热至熔化温度（）以上，将多晶硅原料熔化。 （）引晶生长：当硅熔体的温度稳定之后，将籽晶慢慢浸入硅熔体中引晶生长是将籽晶快速向上

8、提升，使长出的籽晶的直径缩小到一定大小（）由于位错线与生长轴成一个交角，只要缩颈够长，位错便能排出晶体表面，产生低位错的晶体。 （）放肩生长：长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径渐渐增大到所需的大小。 （）等径生长：长完细颈和肩部之后，借着拉速与温度的不断调整，可使晶棒直径维持在正负之间，这段直径固定的部分即称为等径部分。单晶硅片取自于等径部分。 （）尾部生长：在生长完等径部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么热应力将使得晶棒出现位错与滑移线。于是为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一尖点而与液面分开。这一过程称之为尾部生长。 (1)熔料熔料。将坩埚内多晶料全部熔

9、化；。将坩埚内多晶料全部熔化；(2)引晶引晶。将籽晶放下经烘烤后，使之接触熔体，籽晶向上提拉，控。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；制温度使熔体在籽晶上结晶；(3)缩颈缩颈。目的在于减少或消除位错，获得无位错单晶。目的在于减少或消除位错，获得无位错单晶。(4)放肩放肩。使单晶长大到所需要的直径尺寸。使单晶长大到所需要的直径尺寸。(5)等径等径。单晶保持圆柱形生长。单晶保持圆柱形生长。(6)收尾收尾。将单晶直径逐渐缩小，最后呈锥形，以避免位错反延伸。将单晶直径逐渐缩小，最后呈锥形，以避免位错反延伸。直拉法生长单晶硅的制备步骤直拉法生长单晶硅的制备步骤1电

10、极；电极；2硅熔体；硅熔体；3等径生长；等径生长；4观察孔；观察孔；5放肩；放肩；6缩颈；缩颈；7图像传感器；图像传感器；8卷轴旋转系统；卷轴旋转系统；9提拉绳；提拉绳；10真空泵；真空泵；11光学系统；光学系统；12石英坩埚；石英坩埚；13石墨支撑基座石墨支撑基座与旋转器；与旋转器；14石墨发热体；石墨发热体；15隔热层隔热层 长晶炉剖视图长晶炉剖视图石墨热场石墨热场石墨加热器石墨加热器直拉法的基本特点直拉法的基本特点直拉法几个基本问题直拉法几个基本问题 最大生长速度 熔体中的对流 生长界面形状（固液界面） 生长过程中各阶段生长条件的差异 最大生长速度 晶体生长最大速度与晶体中的晶体生长最大

11、速度与晶体中的纵向温度梯度纵向温度梯度、晶体的热导率晶体的热导率、晶体密度晶体密度等有关。提高晶体中的温等有关。提高晶体中的温度梯度，可以提高晶体生长速度；但温度梯度太大，度梯度，可以提高晶体生长速度；但温度梯度太大，将在晶体中产生较大的热应力，会导致位错等晶体将在晶体中产生较大的热应力，会导致位错等晶体缺陷的形成，甚至会使晶体产生裂纹。为了降低位缺陷的形成，甚至会使晶体产生裂纹。为了降低位错密度，晶体实际生长速度往往低于最大生长速度。错密度，晶体实际生长速度往往低于最大生长速度。 熔体中的对流 相互相反旋转的晶体（顺时针）和坩埚所产生的强制对相互相反旋转的晶体（顺时针）和坩埚所产生的强制对流

12、是由离心力和向心力、最终由熔体表面张力梯度所驱动的。流是由离心力和向心力、最终由熔体表面张力梯度所驱动的。所生长的晶体的直径越大（坩锅越大），对流就越强烈，会所生长的晶体的直径越大（坩锅越大），对流就越强烈，会造成熔体中温度波动和晶体局部回熔，从而导致晶体中的杂造成熔体中温度波动和晶体局部回熔，从而导致晶体中的杂质分布不均匀等。质分布不均匀等。 实际生产中，晶体的转动速度一般比坩锅快实际生产中，晶体的转动速度一般比坩锅快1-31-3倍，晶倍，晶体和坩锅彼此的相互反向运动导致熔体中心区与外围区发生体和坩锅彼此的相互反向运动导致熔体中心区与外围区发生相对运动，有利于在固液界面下方形成一个相对稳定的

13、区域，相对运动，有利于在固液界面下方形成一个相对稳定的区域，有利于晶体稳定生长。有利于晶体稳定生长。 生长界面形状（固液界面） 固液界面形状对单晶均匀性、完整性有重要影响，正常情况下，固液界面的宏观形状应该与热场所确定的熔体等温面相吻合。在引晶、放肩阶段，固液界面凸向熔体，单晶等径生长后，界面先变平后再凹向熔体。通过调整拉晶速度，晶体转动和坩埚转动速度就可以调整固液界面形状。 生长过程中各阶段生长条件的差异 直拉法的引晶阶段的熔体高度最高，裸露坩埚壁的高度最小，在晶体生长过程直到收尾阶段，裸露坩埚壁的高度不断增大，这样造成生长条件不断变化（熔体的对流、热传输、固液界面形状等），即整个晶锭从头到

14、尾经历不同的热历史：头部受热时间最长，头部受热时间最长，尾部最短，这样会造成晶体轴向、径向杂质分布不均尾部最短，这样会造成晶体轴向、径向杂质分布不均匀。匀。 磁控直拉技术 NdFeB永磁体结构示意图 液体覆盖直拉技术 对直拉法的一个重大改进，用此法可以制备多对直拉法的一个重大改进，用此法可以制备多种含有挥发性组元的化合物半导体单晶。种含有挥发性组元的化合物半导体单晶。 主要原理：用一种惰性液体（覆盖剂）覆盖被拉主要原理：用一种惰性液体（覆盖剂）覆盖被拉制材料的熔体，在晶体生长室内充入惰性气体，使制材料的熔体，在晶体生长室内充入惰性气体，使其压力大于熔体的分解压力，以抑制熔体中挥发性其压力大于熔

15、体的分解压力，以抑制熔体中挥发性组元的蒸发损失，这样就可按通常的直拉技术进行组元的蒸发损失，这样就可按通常的直拉技术进行单晶生长。单晶生长。 区熔法（区熔法（FZFZ）生长单晶硅）生长单晶硅区域熔炼是一个简单的物理过程，指根据液体混合物在冷凝结晶过程中组分重新分布（称为偏析）的原理，通过多次熔融和凝固，制备高纯度的（可达99.999 ）金属、半导体材料和有机化合物的一种提纯方法，属于热质传递过程。水平区熔法 水平区熔法主要用于材料的物理提纯，也用来生长单晶体，其装置图水平区熔法主要用于材料的物理提纯，也用来生长单晶体，其装置图如下图所示。水平区熔法是将材料置于水平舟内，通过加热器加热。先在如下

16、图所示。水平区熔法是将材料置于水平舟内，通过加热器加热。先在舟端放置籽晶，并使其与多晶材料间产生熔区，然后以一定的速度移动熔舟端放置籽晶，并使其与多晶材料间产生熔区，然后以一定的速度移动熔区，使熔区从一端移至另一端，使多晶材料变为单晶体。区，使熔区从一端移至另一端，使多晶材料变为单晶体。随着熔融区向前移动，杂质也随着移动，最后富集于棒的一端，予以切随着熔融区向前移动，杂质也随着移动，最后富集于棒的一端，予以切除除。 在悬浮区熔法中，使圆在悬浮区熔法中，使圆柱形硅棒固定于垂直方向，柱形硅棒固定于垂直方向，用高频感应线圈在氩气气用高频感应线圈在氩气气氛中加热，形成一氛中加热，形成一个尖端状的熔区，

17、然后该个尖端状的熔区，然后该熔区与特定晶向的籽晶接熔区与特定晶向的籽晶接触，这个过程就是引晶。触，这个过程就是引晶。这两个棒朝相反方向旋转。这两个棒朝相反方向旋转。然后将在多晶棒与籽晶间然后将在多晶棒与籽晶间只靠表面张力形成的熔区只靠表面张力形成的熔区沿棒长逐步向上移动，将沿棒长逐步向上移动，将其转换成单晶。其转换成单晶。缩颈工艺示意图在引晶的过程中，由于热冲击，会在新形成的单晶中产生位错。显然位错不加以排除，将会在继续生长的单晶中产生更多的错位，最后无法形成无位错单晶。为了消除位错，提出了一种缩颈工艺，即在形成一段籽晶之后，缩小晶体的直径23mm，继续生长20mm 左右，即可把位错完全排除到

18、籽晶的外表面接着再生长一段无位错的细晶后，放肩至目标尺寸进入等径生长1.1.不使用坩埚，单晶生长过程不会被坩埚材料污染不使用坩埚，单晶生长过程不会被坩埚材料污染2.2.由于杂质分凝和蒸发效应，可以生长出高电阻率由于杂质分凝和蒸发效应，可以生长出高电阻率 硅单晶。硅单晶。外延法生长单晶硅薄膜外延法生长单晶硅薄膜 外延是指在一定条件下，通过一定方法获得所需原子，并使这些外延是指在一定条件下，通过一定方法获得所需原子，并使这些原子有规则地排列在衬底上，通过排列时控制有关工艺条件，形成具原子有规则地排列在衬底上，通过排列时控制有关工艺条件，形成具有一定的导电类型、电阻率及厚度的新单晶层的过程。有一定的导电类型、电阻率及厚度的新单晶层的过程。 外延生长法能生长出和单晶衬底原子排列同样的单晶薄膜。在双外延生长法能生长出和单晶衬底原子排列同样的单晶薄膜。在双极型集成电路中，为了将衬底和器件区域隔离，即进行电绝缘，在极型集成电路中，为了将衬底和器件区域隔离，即进行电