單晶硅生產工藝淺析

泰偉業

摘 要：該文對單晶硅的主要技術參數、生產工藝進行了綜述。單晶硅在下游IC產業中的利用率逐年增加，而電子產業對硅片的依賴程度亦逐年加深，單晶硅生產要求不斷提升，因此熱場設計要求更加嚴格。設計優良的熱場能夠使爐內的溫度分布達到最優化，所以在CZ長晶爐中會逐步地將特殊熱場元件應用其中，以促進單晶硅生長技術的發展。重點對直拉法進行了分析，從工藝原理、配料基本原則及氧濃度的控制方面進行了探討。

關鍵詞：單晶硅 技術參數 直拉法 氧濃度

中圖分類號：TN304 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（a）-0102-02

目前，電子信息技術以及太陽能光伏發電技術高速發展，而作為此類技術的基礎材料——硅，無疑發揮著重要作用。從某種意義上分析，硅影響著未來科技的發展。作為功能性材料，Si具各項異性，所以將Si應用于半導體材料需要將其制成硅單晶，并進一步將其加工，經過拋光、清洗之后制成硅片，再進行處理后將Si應用于電子器件的制造中，目前所生產的電子元件中 89%以上均使用硅單晶。

1 硅單晶的主要技術參數

1.1 導電類型

導電類型由摻入的施主或受主雜質決定。P型單晶為超純單晶硅中摻入ⅢA族元素形成，多摻雜硼元素；N型單晶為超純單晶硅中摻入ⅤA族元素形成，多摻雜磷元素；外延片襯底用N型單晶摻雜銻元素或砷元素。

1.2 電阻率與均勻度

在拉制單晶時摻入一定量雜質以控制單晶的電阻率。由于雜質分布不均勻，電阻率也不均勻，電阻率均勻度包括縱向電阻率均勻度、斷面電阻率均勻度和微區電阻率均勻度，均勻度直接影響器件參數的一致性和成品率。

1.3 非平衡載流子壽命

在光照或電注入條件下產生的附加電子和空穴瞬即復合而消失，它們平均存在的時間稱為非平衡載流子的壽命。非平衡載流子壽命同器件放大倍數、反向電流和開關特性等均有關系。壽命值又間接地反映硅單晶的純度，重金屬雜質會大大降低壽命值。

1.4 晶體缺陷

生產電子器件用的硅單晶除對位錯密度有一定限制外，不允許有小角度晶界、位錯排、星形結構等缺陷存在。位錯密度小于某一限度值的單晶稱為無位錯單晶。對于硅單晶而言，位錯密度小于500 個/cm2時稱為無位錯硅單晶，無位錯硅單晶占產量的大多數。在無位錯硅單晶中還存在雜質原子、空位團、自間隙原子團、氧碳或其他雜質的沉淀物等微缺陷。熱加工過程中，硅單晶微缺陷間的相互作用及變化直接影響集成電路的成敗。

1.5 氧濃度

氧在晶體中的分布是頭部高、尾部低。硅中的氧既有益又有害，其在硅中行為比較復雜，具體如下：（1）其在硅晶格中處于間隙位置，對位錯起著一定的阻止作用，可以增加機械強度；（2）單晶硅中的原生氧濃度在一定程度上影響熱施主的形成；（3）可以在晶體熱處理的過程中形成氧沉淀，進而吸附晶體中的雜質；（4）在晶體生長冷卻過程中形成微缺陷；（5）形成O-B復合體。

2 硅單晶制備工藝

2.1 技術原理

單晶硅在生長過程中，隨著熔場溫度的變化而發生相變，當熔場溫度降低時，其呈現結晶的趨勢，由液態向固態轉變。發生在等溫等壓條件下的相變化，不同相之間的相對穩定性可由吉布斯自由能判定，吉布斯自由能的變化即為結晶驅動力。

在溫度達到平衡的熔化溫度Tm時，固液兩相的自由能是相等的，即△G=0，因此，

其中，△H 即為結晶潛熱，將式（4）代入式（2）可得：

由于△S是一個負值常數，由式（5）可以得出：△T即（過冷度）為結晶的唯一驅動力。

2.2 生產工藝

2.2.1 直拉法

直拉法又稱Cz法，其過程相對較為簡單，它的生長是把硅熔融在石英坩堝中利用旋轉籽晶對單晶硅逐漸提拉制備出來，該種方法生產成本相對較低，且能夠大量生產。因此該項技術在國內太陽能單晶硅片的生產中廣泛推廣開來，目前，直徑300 mm的硅單晶已商品化，直徑450 mm的硅單晶也已試制成功。該工藝目前使用的技術工藝核心為熱場構造及控制氧濃度等。

（1）配料的基本原則。①對于P型原料，應使所配比原料中的硼原子總濃度與目標電阻率所對應的硼原子濃度相等；②對于N型原料，應使所配比原料中的磷原子總濃度與目標電阻率所對應的磷原子濃度相等。

（2）控制氧濃度。在單晶硅生長時，石英坩堝會熔解，這是單晶硅中氧雜質的主要來源，它在硅中的行為很復雜，而氧在硅晶格間隙濃度超過一定范圍，就會產生過量氧沉淀，該種缺陷會影響單晶硅質量、性能。若不對氧沉淀進行控制，應用該種硅片加工集成電路，將會產生極大的危害。因此在單晶硅生長過程中，需利用一定工藝，使硅片內部氧沉淀密度增高，但在硅片表面一定深度則為無氧沉淀的潔凈區，從而對氧析出物進行控制，制備出高性能單晶硅材料。

2.2.2 區熔法

區熔法，又稱Fz法，即懸浮區熔法。此種工藝技術始于1953年，Keck和Golay兩人首次將此種工藝應用于生產單晶硅上。

區熔法生產單晶硅不使用坩堝，而是將硅棒局部利用線圈進行熔化，在熔區處設置磁托，因而熔區可以始終處在懸浮狀態，將熔硅利用旋轉籽晶進行拉制，在熔區下方制備單晶硅。該種方法優勢在于，熔區為懸浮態，因而在生長過程中單晶硅不會同任何物質接觸，并且蒸發效應以及雜質分凝效應較為顯著，因此具有較高的純度，其單晶硅制品性能相對較好。但由于工藝復雜，對設備以及技術要求較為嚴格，因此生產成本相對較高，主要被用于制作高反壓元件上，如可控硅、整流器、探測器件等，其產品多應用于太空以及軍工領域。

2.2.3 磁拉法

隨著材料技術的發展，直拉單晶硅的生產規模得到進一步擴大，由于大直徑直拉單晶硅的應用越來越廣泛，因而在生產中投料量不斷增加。但在單晶硅的生產中，晶體質量會受到大熔體的影響，甚至單晶生長會受到嚴重影響，這是由于熱對流對晶體結構的影響所致。

磁拉法，又稱MCz法，是在傳統的Cz法上外加一磁場，以抑制晶體生成中熔硅的對流。目前利用磁場抑制熱對流效果甚為顯著，通過磁場的加裝，長晶系統中的生長單晶會受到一定強度磁感線的影響，影響單晶生長的一切對流都會因洛倫茲力的存在而受到干擾，從而被有效抑制。理論上，磁場可以選擇橫型磁場法、縱型磁場法、勾型磁場（會切磁場）法，實踐證明，勾型磁場（會切磁場）效果最佳，可以有效抑制硅單晶氧濃度。

2.2.4 CCz法

CCz法，即連續加料法。CCz法主要在原料的補充及設備方面進行改善，原理上和Cz法沒有本質區別。

CCz法的優點：（1）由于維持著固定的溶液量，石英坩堝內的熔硅無需太多，熔液的對流相對比較穩定，有利于晶體的生長；（2）由于維持著固定的溶液量，石英坩堝與熔硅液的界面的面積與熔液的自由面的面積之比可維持一定，使晶體中氧的軸向分布較為均勻；（3）因為不斷補充新原料及摻雜物，晶體的軸向電阻率的變化也會比較緩慢。

綜上所述，以上各種生產工藝各有千秋，實踐證明，不同生產企業會根據自己的實際情況選擇適合自己的工藝或者采用各工藝的靚點編制自己獨有的一套工藝制度。

參考文獻

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