單晶硅生長技術的發展分析

程愉悻

摘 要：文章主要針對當前單晶硅生長技術進行了分析綜述。并針對磁場直拉、改良熱場、磁場直拉以及真空高阻、氧濃度控制等技術展開了研究。

關鍵詞：直拉法；懸浮區熔法；單晶硅；生長

前言

目前電子信息技術以及光伏技術飛速發展，而作為此類技術的基礎材料，硅發揮了重要作用。從某些角度分析，硅（Si）影響了未來科技的發展，是高薪技術進步的基礎，因此國家想要發展自身在能源領域以及高新技術領域實力，必須將Si作為戰略資源。作為功能性材料，Si具有各項異性，所以將Si應用于半導體材料需要將其制成硅單晶，并進一步將其加工成為拋光片。這樣才能將Si應用于CI器件的制造中，目前所生產的電子元件中89%以上的均使用硅單晶。

單晶硅的生產需要以半導體單晶硅切割過程中產生的頭尾料、單晶硅碎片以及邊皮料作為原料。而生產所用技術目前主要有兩種，一種為直拉法，一種則是懸浮區熔法。制備單晶硅過程中，依照實際的需要還需要添加必要元素，從而增大、減小材料電阻率，摻雜元素主要為第Ⅲ主族元素以及第Ⅴ主族元素。完成單晶硅材料的制備后，還需要依照半導體材料的需要進行深加工，深加工程序主要包括切片、打磨以及腐蝕和拋光。而隨著單晶硅的生產技術、加工技術的發展，目前的單晶硅逐步向著300mm以上大直徑材料發展，且缺陷含量以及雜志含量更低，材料分布更加均勻，且生產成本不斷降低、效率更高。

1 技術原理

在生長過程中，單晶硅狀態會隨著熔場溫度的改變而發生相變化，熔場溫度降低，則其由液態變為固態。對于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△G可以視為結晶驅動力。

△G=△H-△S （1）

在平衡的熔化溫度Tm。時，固液兩相的。自由能是相等的，即。△G。=0，因此

△G=△H-Tm×S=0 （2）

所以，△S=△H/Tm （3）

其中，△H即為結晶潛熱。

將式（3）代入式（1）可得

△G=■=■=△S△T （4）

由式（4）可以看出，由于△S是一個負值常數，所以△T即（過冷度）可被視為結晶的唯一驅動力。

以典型的CZ長晶法為例，加熱器的作用在于提供系統熱量，以使熔硅維持在高于熔點的溫度。如果在液面浸入一晶種，在晶種。與熔硅達到熱平衡時，液面會靠著表面張力的支撐吸附在晶種下方。若此時將晶種往上提升，這些被吸附的液體也會跟著晶種往上運動，而形成過冷狀態。這節過冷的液體由于過冷度產生的驅動力而結晶，并隨著晶種方向長成單晶棒在凝固結晶過程中，所釋放出的潛熱是一個間接的熱量來源，潛熱將借著傳導作用而沿著晶棒傳輸。同時，晶棒表面也會借著熱輻射與熱對流將熱量散失到外圍，另外熔場表面也會將熱量散失掉，于是，在一個固定的條件下，進人系統的熱能將等于系統輸出的熱能。

2 生長方法

2.1 直拉（CZ）法

CZ是單晶硅生長中直拉法的簡稱，其過程相對較為簡單，通過從熔硅中利用旋轉籽晶對單晶硅進行提拉制備，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貴推廣開來，直拉法目前使用的技術工藝核心有磁場直拉法、熱場構造以及控制氧濃度等。

2.1.1 熱場構造分析。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逐年加深，因而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佳化，所以在CZ長晶爐中會逐步的將特殊熱場元件應用其中，以促進單晶硅生長技術的發展。

技術人員研究了？準200mm太陽能用直拉單井生長。通過諸多的拉晶實驗（如圖1，復合式導流系統、熱屏雙加熱改造直拉爐熱系統），結果表明，拉晶速率提升了50%。同時針對單晶爐熱場以及氬氣流場采用有限元法進行試驗，試驗結果可以看出，通過上述改造，氬氣流場得到了明顯的改善，晶體縱向溫度梯度在界面附近有明顯增加，且熔體縱向溫度梯度有明顯減少。而研究表明，增加加熱屏后直拉爐平均拉速提升的主要原因有兩點。首先直拉爐中晶體所受熱量輻射受到熱屏阻止有所減弱，且固液面熱輻射也有所減小。其次，氬氣流也會受到熱屏的影響，能夠得到良好的導流。

2.1.2 磁場直拉法（MCZ）。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。而目前最有效的方式便是利用磁場抑制熱對流。通過磁場的加裝，長晶系統中的生長單晶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被洛倫茲力影響，而有效被抑制。通過實踐總結出，想要有效抑制硅單晶氧濃度，則磁場應當選擇Cusp磁場。

2.1.3 控制氧濃度。在單晶硅生長時，石英坩堝會溶解，因而單晶硅中會混雜如一部分氧，而這些氧在硅晶格間隙濃度超過一定范圍，就會產生氧沉淀，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，利用一定工藝，令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 區熔（FZ）法。將硅棒局部利用線圈進行熔化的方式便是區熔法，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，其產品多應用于太空以及軍工領域。

3 結束語

文章主要論述了單晶硅的生長技術，通過不斷的實踐總結出，對熱場構造進行改進以及將磁場引進熔硅所在空間能夠有效節能，且有利于生產大直徑單晶硅。在硅晶體生長過程中加入氮能夠加速形成原生氧沉淀，并且對熱工藝加工中氧沉淀的增加有利，而加入氮能夠令氧沉淀更加穩定。這兩方面的優勢使得摻氮工藝在直拉硅生產中得到推廣，并且摻氮能夠有效降低熱預算，即便硅片氧濃度初始值很低，其內吸雜能力仍舊很強，所以得到了充分的肯定。

參考文獻

[1]魏奎先，戴永年，馬文會，等.太陽能電池硅轉換材料現狀及發展趨勢[J].輕金屬，2006，2：52-56.

[2]宇慧平，隋允康，安國平.不同磁場對大直徑單晶硅生長中的動量與熱量輸運影響的數值分折[J].人工晶體學報，2008（5）：1073-1078.