直拉單晶硅生長和工藝研究

張怡

摘 要：在信息化時代的今天，信息工業的堅強后盾就是高速發展的電子工業，而半導體硅材料又為電子工業提供了堅實的技術和物質基礎。電子工業的逐步提高對硅材料質量和數量的要求，促使硅材料工業為滿足這種需求而快速發展。 20世紀中葉晶體管、集成電路（IC）、半導體激光器的問世，導致了電子技術、光電子技術的革命，產生了半導體微電子學和半導體光電子學，使得計算機、通訊技術等發生了根本改變，有力地推動了當代信息（IT）產業的發展。這些重大變革都是以半導體硅材料的技術突破為基礎。目前，單晶硅電池效率已達24.7%，多晶硅電池效率突破19.8%。

關鍵詞：半導體硅材料；單晶硅生長和工藝；研究

一、直拉單晶硅生長工藝

晶體的生長。從溶液中生長晶體的歷史悠久，應用也很廣泛。這種方法的基本原理是將原料（溶質）溶解在溶劑中，采取適當的措施造成溶液的過飽和狀態，使晶體在其中生長。溶液法具有以下優點：

（1）晶體可在遠低于其熔點的溫度下生長；（2）降低粘度。有些晶體在熔化狀態時粘度很大，冷卻時不能形成晶體而成為玻璃體，溶液法采用低粘度的溶劑則可避免這一問題；（3）容易長成大塊的、均勻性良好的晶體，并且有較完整的外形；（4）在多數情況下，可直接觀察晶體生長過程，便于對晶體生長動力學的研究。

從溶液中生長晶體時，最重要的問題是溶解度，它是眾多的生長參數中最基本的數據。溶解度可以用在一定條件（溫度、壓力等）下飽和溶液的濃度來表示，與溶質固相處于平衡狀態的溶液則稱為該溶質的飽和溶液。但實際上，溶液所包含的溶質的量比在同一條件下、飽和溶液中所含的溶質的量要多，這樣的溶液稱為過飽和溶液。溶液都有不同程度的過飽和現象。對于某一特定的溶劑，人們測出它的溶解度與溫度之間的關系，并將它們的關系繪制成曲線，得到溶解度曲線，對于從溶液中培養晶體，溶解度曲線的測定是非常重要的。它是選擇生長方法和生長溫度的重要依據。溶解度溫度系數指在一定壓力下物質在溶劑中溶解的變化量（W）與溫度變化量（T）之比，K=W/T。了解從溶液中結晶的規律之后，人們設計了各種從溶液中培養晶體的方法。

焰熔法是利用可燃氣體燃燒產生高溫，粉狀原料隨氣體進入生長爐，在下落過程中被火焰所熔融，熔物落在結晶桿上（可裝上籽晶）逐漸長成晶體。焰熔法是工業上大規模生產紅寶石的主要方法，其工藝過程主要包括原料提純、粉料制備和晶體生長三個過程。

發生開裂，要避免大角度晶界的產生，應創造良好的引晶條件和選用優質籽晶。用這種方法生長晶體，形狀由導模頂端形狀決定，因此，只要改變導模的形狀，就可以得到所需要的異形晶體，要生長出各種形狀的晶體，關鍵之一就是導模的設計。

垂直區熔法也稱懸浮區熔法。懸浮區熔法不需要坩堝，是一種無坩堝生長法。它的優點是可以避免坩堝的影響，并起提純作用；它的缺點是位錯密度較高。

二、磁場對直拉單晶的質量影響

磁場對直拉單晶的影響研究現狀。使用磁場拉制硅單晶的方法是在常規的CZ法工藝中附加一個穩定的磁場，稱之為MCZ法。磁場用于抑制晶體生長中的流動以減少條紋的方法是在二十世紀六十年代提出的，然而這一發現卻未能引起人們的重視。七十年代末，人們發現磁場對硅單晶生長中氧濃度影響很大。

由于熔硅有大的電導率，磁場能控制熔體運動，因此發展了一種加磁場的直拉法，即MCZ法。它的主要優點是：（1）能做到雜質的微觀控制，特別是實現氧的可控性；（2）降低了熔體的坩堝污染，提高了純度；（3）增加了邊界層厚度，因而增加了雜質的有效分凝系數，改善雜質分布的宏觀和微觀均勻性。因此MCZ法能生產大直徑的單晶硅，其氧含量低且可控。

Suzuki等最先提出了橫向磁場下的單晶硅生長。他們利用傳統加熱器，在400mT磁場下生長出無位錯單晶體，熔體中溫度振蕩從2℃降到小于0.2℃，氧的濃度有所降低。Hoshi[10]等研究較大坩堝中晶體生長，發現橫向磁場可以減少晶體中氧含量、且分布很均勻。Hoshi[10]和Suzuki[12]試驗表明，當橫向磁場為0.15T時就足以抑制住裝在直徑25cm坩堝中的熔體對流，而且磁場強度與堝轉、晶轉之間的平衡對雜質的分配有明顯的影響。Thomas[6]等人研究認為，在橫向磁場（TMCZ）中，磁場強度增加時，晶體中的氧濃度單調下降；氧含量與晶轉的關系不大，但它可由坩堝轉速來控制。在0.15T條件下，隨坩堝轉速增加，氧濃度從很低值到中等值范圍內很快增加。在TMCZ中，由于和磁場線平行的徑向流是允許的，可防止出現較高的徑向溫度梯度。

三、結論與展望

結論。通過前人的探索和驗證，得到的了一系列完整的單晶硅生長方法。從上邊的對比中可以得出：在現在的直拉單晶硅生長理論探索和工藝研究中，磁場直拉法（MCZ）的理論探索和工藝研究已經遠遠的走在了其他的生長方法前列。

參考文獻：

[1] 徐岳生.直拉硅單晶生長的現狀與發展[J].河北工業大學學報.2004

[2] 張果虎，吳志強，方峰300～硅單晶的生長技術〔J].半導體學報，2001