【半导体单晶炉 精】半导体第三讲-下-单晶硅生长技术
单晶硅的生产工艺
单晶硅的生产工艺
单晶硅是一种高纯度的硅材料，广泛应用于太阳能电池、集成电路、半导体等领域。
它的制备过程主要包括三个步骤：原料准备、单晶生长和晶圆加工。
首先，原料准备是制备单晶硅的关键步骤。
通常使用的原料是金属硅，它的纯度需要达到99.9999%以上。
原料经过高温预处理，去除其中的杂质和气体。
然后将原料放入熔炉中，加热至高温，使其熔化成液态硅。
接下来是单晶生长阶段。
在熔融硅中加入少量的掺杂剂，以改变硅的性质。
然后，在特定的条件下，将种子晶体（通常是硅材料的小晶片）以特定的角度浸入熔融硅中。
通过缓慢提升或旋转种子晶体，可以在其上生长出一片完整的单晶硅。
在整个生长过程中，需要精确控制温度、气氛和流速等参数，以保证单晶的质量和形状。
最后是晶圆加工过程。
将生长好的单晶硅锯成薄片，通常称为晶圆。
晶圆表面会有一层氧化膜，需要通过化学腐蚀或机械抛光等方法去除。
然后，在晶圆表面通过光刻和腐蚀等工艺制作电路图案。
最后，进行离散元件的切割、测试和包装等步骤，得到最终的单晶硅产品。
总的来说，单晶硅的生产工艺是一个复杂而精细的过程。
在每个步骤中，需要严格控制工艺参数，以确保单晶硅的质量和性能。
随着技术的进步，单晶硅的生产工艺不断完善，产量和质量也在不断提高，为相关行业的发展提供了重要的支持。
半导体制造工艺之晶体的生长概述
半导体制造工艺之晶体的生长概述晶体生长是半导体制造中至关重要的一步，它决定了半导体材料的质量和性能。
本文将概述半导体晶体的生长工艺，包括单晶生长、多晶生长和薄膜生长。
首先，单晶生长是制备高纯度单晶材料最常用的方法之一、单晶生长过程包括溶液法、气相法和陶瓷法等。
其中，溶液法是最早发展起来的单晶生长方法之一、在溶液法中，首先制备出含有半导体材料的溶液，然后通过控制溶液中的温度、浓度和溶液与环境接触的界面等条件来实现晶体的生长。
气相法利用气体中的半导体材料蒸汽沉积在基片上，并在其上形成单晶。
陶瓷法是将半导体材料粉末压制成形状可控的块状，并在高温下进行烧结，从而实现晶体的生长。
其次，多晶生长是制备大尺寸半导体材料的一种方法。
它通过在固态下将多个晶核生长成晶粒，形成多晶的材料。
多晶生长一般分为凝固法和熔融法。
凝固法中，通过一定条件下的凝固过程将原料直接转变为多晶体。
凝固法的一个典型例子是铸造法，即将熔化的半导体材料注入到石膏型中，随后通过凝固过程获得多晶体。
熔融法中，通过将原料加热至熔点，然后冷却成形，实现多晶体的生长。
最后，薄膜生长是一种制备半导体薄膜的方法。
薄膜生长涉及多种技术，包括物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD）、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）、分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE）等。
在物理气相沉积中，通过将半导体材料直接蒸发或溅射到基片上来形成薄膜。
在化学气相沉积中，通过化学反应使气体中的原子或分子转变为沉积在基片上的固态材料。
分子束外延是利用高纯度蒸发源，在真空环境下瞄准并发射精细束流的精确方法，将气体分子形成薄膜。
以上是半导体制造工艺中晶体生长的概述。
不同的晶体生长方法适用于不同的材料和应用，选择合适的生长方法对于获得高质量的晶体是至关重要的。
随着技术的发展，对晶体生长方法的研究也在不断进步，为半导体工业带来了更高效、更精确的制造工艺。
单晶硅生长技术及氧缺陷控制方法
单晶硅生长技术及氧缺陷控制方法摘要：目前电子信息技术以及光伏技术飞速发展，而作为此类技术的基础材料，硅发挥了重要作用。
从某些角度分析，硅（Si）影响了未来科技的发展，是高薪技术进步的基础，因此国家想要发展自身在能源领域以及高新技术领域实力，必须将Si作为战略资源。
作为功能性材料，Si具有各项异性，所以将Si应用于半导体材料需要将其制成硅单晶，并进一步将其加工成为抛光片。
这样才能将Si应用于CI器件的制造中，目前所生产的电子元件中89%以上的均使用硅单晶。
关键词：单晶硅；生长技术；氧缺陷单晶硅的生产需要以半导体单晶硅切割过程中产生的头尾料、单晶硅碎片以及边皮料作为原料。
而生产所用技术目前主要有两种，一种为直拉法，一种则是悬浮区熔法。
制备单晶硅过程中，依照实际的需要还需要添加必要元素，从而增大、减小材料电阻率，掺杂元素主要为第Ⅲ主族元素以及第Ⅴ主族元素。
完成单晶硅材料的制备后，还需要依照半导体材料的需要进行深加工，深加工程序主要包括切片、打磨以及腐蚀和抛光。
而随着单晶硅的生产技术、加工技术的发展，目前的单晶硅逐步向着300mm以上大直径材料发展，且缺陷含量以及杂志含量更低，材料分布更加均匀，且生产成本不断降低、效率更高。
1 单晶硅的概念半导体材料的电学性质和其他物理性质对晶格缺陷以及所含杂质的种类和数量非常敏感。
制作各种半导体器件，尤其是集成电路和大规模集成电路的制作更需要均匀性好的大直径完善单晶。
目前不仅能制造无位错的完善单晶，而且还可以将位错密度控制在一定范围内[1]。
无位错单晶的直径已达到200mm规格化。
2 单晶硅的生长方法2.1 直拉（CZ）法CZ是单晶硅生长中直拉法的简称，其过程相对较为简单，通过从熔硅中利用旋转籽晶对单晶硅进行提拉制备，该种方法生产成本相对较低，且能够大量生产。
因此该项技术在国内太阳能单晶硅片的生产中广泛贵推广开来，直拉法目前使用的技术工艺核心有磁场直拉法、热场构造以及控制氧浓度等。
半导体第三讲-下-单晶硅生长技术
单晶硅主要生长方法
直拉法生长单晶硅容易控制，产能 比区熔高，会引入杂质，应用于半 导体集成电路、二极管、外延片衬 底20、20/1太1/5阳能电池。
区熔法可生长出纯度高均匀性好的 单晶硅，应用于高电压大功率器件 上，如可控硅、可关断晶闸管。
2020/11/5
单晶硅简介
单晶硅属于立方晶系，金刚石结构，是一种性能优良 的半导体材料。
自上世纪 40 年代起开始使用多晶硅至今，硅材料的生 长技术已趋于完善，并广泛的应用于红外光谱频率光 学元件、红外及 射线探测器、集成电路、太阳能电池 等。
此外，硅没有毒性，且它的原材料石英(SiO2)构成了 大约60%的地壳成分，其原料供给可得到充分保障。
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。
2020/11/5
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、勾形磁场作用下熔 体内的传输特性进行比较后发现，随着勾 形磁场强度的增加，熔体内子午面上的流 动减弱，并且紊流强度也相应降低。
区熔硅的常规掺杂方法有硅芯掺杂、表面涂敷 掺杂、气相掺杂等，以气相掺杂最为常用。
2020/11/5
晶体缺陷 区熔硅中的晶体缺陷有位错和漩涡缺陷。
中子嬗变晶体还有辐照缺陷，在纯氢或氩 一氢混合气氛中区熔时，常引起氢致缺陷。
2020/11/5
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,与在氢气气氛下生长 硅单晶相比,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, 而当晶 体生长速度较高时, 尽管可以消除漩涡, 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,比在氢气气氛下生 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。
单晶的生长方法
单晶的生长方法
哇塞，单晶那可是超厉害的玩意儿！你知道单晶咋长出来不？嘿嘿，其实有不少方法呢！比如说提拉法，就像从魔法锅里慢慢拉出宝贝一样。
先准备好原料，把它们加热到合适的温度，然后用一个籽晶慢慢往上提拉，就像钓鱼一样，小心翼翼地把单晶从熔体里拉出来。
这过程可得注意温度控制好哇，要是温度不对，那可就完蛋啦！得时刻盯着，就像看着宝贝一样，不能有一点马虎。
还有区熔法，就像切蛋糕一样，把材料分成一块一块的，然后用一个热源慢慢地移动，让单晶在这个过程中长出来。
这也得注意操作规范呀，不然一不小心就搞砸了。
那单晶生长过程安全不？稳定不？当然得重视啦！这就跟盖房子一样，要是不牢固，那不得塌了嘛！在生长单晶的时候，得保证设备都正常运行，不能出啥故障。
要是突然停电了或者设备坏了，那可就悲剧了。
单晶都能用在啥地方呢？那可多了去了！电子领域，那可是少不了单晶。
就像手机、电脑这些高科技产品，很多都要用单晶材料。
还有太阳能电池，单晶在里面也发挥着重要作用呢！这优势可明显啦，性能好哇，比其他材料更可靠。
比如说在半导体行业，单晶的应用那可太广泛了。
有一次，一家公司用提拉法长出了高质量的单晶，用在芯片制造上，效果那叫一个棒！性能提升了好多呢。
单晶的生长方法虽然有挑战，但只要认真对待，注意细节，就能长出超棒的单晶。
这可是很有意义的事情呢！咱得加油哇，让单晶为我们的生活带来更多的惊喜。
硅基半导体的制备技术
硅基半导体的制备技术硅基半导体是一种重要的材料，在电子行业中有广泛的应用。
它具有优良的电子特性和稳定性，因此被广泛用于集成电路、太阳能电池等领域。
本文将介绍硅基半导体的制备技术，包括单晶硅的生长、掺杂和薄膜沉积等关键步骤。
一、单晶硅的生长单晶硅是硅基半导体的基础材料，其生长过程需要高纯度的硅原料和精密的控制条件。
目前常用的单晶硅生长方法有Czochralski法和区域熔融法。
Czochralski法是一种常用的单晶硅生长方法。
首先，将高纯度的硅原料放入石英坩埚中，加热至高温熔化。
然后，在熔融硅液表面缓慢地降下单晶硅种子，通过旋转坩埚和提升种子的方式，使硅液逐渐凝固形成单晶硅棒。
这种方法生长的单晶硅具有较高的纯度和晶格完整性。
区域熔融法是另一种常用的单晶硅生长方法。
它通过在硅片表面形成一个局部区域的熔融，然后使熔融区域逐渐扩大，最终形成单晶硅。
这种方法可以在硅片上生长大面积的单晶硅，适用于大规模生产。
二、掺杂掺杂是指向单晶硅中引入杂质，改变其电子特性的过程。
常用的掺杂方法有扩散法和离子注入法。
扩散法是一种将杂质从气相或液相扩散到单晶硅中的方法。
首先，在单晶硅表面形成一层薄膜，然后将硅片放入高温炉中，在一定的温度和时间条件下，使杂质从薄膜扩散到单晶硅中。
这种方法可以实现对单晶硅的局部掺杂，用于制备各种器件。
离子注入法是一种将杂质离子注入到单晶硅中的方法。
通过加速器将杂质离子加速到一定能量，然后注入到单晶硅中。
这种方法可以实现对单晶硅的全面掺杂，用于制备集成电路等器件。
三、薄膜沉积薄膜沉积是指在硅基半导体表面沉积一层薄膜，用于改变其表面性质或制备特定的器件结构。
常用的薄膜沉积方法有化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）。
化学气相沉积是一种将气体中的化学物质在硅基半导体表面发生化学反应，形成薄膜的方法。
通过控制反应条件和气体流量，可以得到不同性质的薄膜，如氧化硅、氮化硅等。
物理气相沉积是一种将固体材料在真空环境下蒸发或溅射到硅基半导体表面形成薄膜的方法。
半导体级硅单晶生长技术综述
半导体级硅单晶生长技术综述摘要半导体级硅单晶是制造集成电路和太阳能电池等微电子器件的关键材料，其质量和晶体结构对器件性能至关重要。
本文综述了半导体级硅单晶生长技术的发展历程、主要的生长方法及其特点，并对其在半导体工业中的应用前景进行了展望。
1. 引言半导体级硅单晶是由高纯度的硅熔体通过特定的方法生长而成的单晶硅材料。
它具有高度晶体结构完整性、低缺陷密度和高纯度等优良性能，是制造集成电路和光电器件所必需的材料之一。
随着电子信息技术和新能源技术的不断发展，对半导体级硅单晶的需求也日益增加。
2. 生长方法半导体级硅单晶的生长方法主要包括区熔法、悬浮液法和熔于翻转法等。
其中，区熔法是最常用的生长方法之一。
它利用熔融硅的高温特性，在蔓延区和保护区之间形成温度梯度，在过热熔体和下冷Si晶体界面处生成硅原子，从而实现硅单晶的生长。
悬浮液法则是通过在熔融硅中悬浮微小的硅颗粒，在悬浮液不断向下运动的过程中，沉积和排斥硅原子，从而实现单晶硅的生长。
熔于翻转法是最新发展的生长方法之一，它采用高性能矽翻转碗作为生长室，在高真空和气氛下进行生长，可以实现较大直径和高质量的硅单晶生长。
3. 生长过程及参数控制半导体级硅单晶的生长过程包括熔体制备、生长引上、生长室制备和晶体生长等多个步骤。
其中熔体制备是制备高纯度硅熔体的关键环节，包括硅原料的净化、熔炼和纯化等。
生长引上是将熔体引入生长室的过程，需要严格控制引上速度和温度梯度，以保证晶体的品质和形状。
生长室制备则是建立一个适合生长的高真空或气氛环境的关键步骤。
晶体生长是整个过程中最重要的步骤，包括晶面生长、补充剂的掺入和晶体拖曳等。
控制生长过程中的参数对于确保晶体质量具有重要意义。
其中温度控制是最关键的参数之一，需要保持适当的生长温度来实现晶体的生长。
此外，压力、气氛、温度梯度等参数的控制也对晶体的质量和晶格缺陷的形成具有重要影响。
4. 主要应用领域半导体级硅单晶生长技术在半导体工业中具有广泛应用。
单晶硅生长原理及工艺
单晶硅生长原理及工艺摘要：介绍了直拉法生长单晶硅的基本原理及工艺条件。
通过控制不同的工艺参数（晶体转速：2.5、10、20rpm；坩埚转速： 1.25、5、10），成功生长出了三根150×1000mm 优质单晶硅棒。
分别对这三种单晶硅样品进行了电阻率、氧含量、碳含量、少子寿命测试，结果表明，当晶体转速为10rpm，坩埚转速为5rpm，所生长出的单晶硅质量最佳。
最后分析了氧杂质和碳杂质的引入机制及减少杂质的措施。
关键词：单晶硅；直拉法生长；性能测试；氧杂质；碳杂质中图分类号：O782 文献标识码：A 文章编号：1672 －9870（2009）04 －0569 －05收稿日期：2009 07 25基金项目：中国兵器科学研究院资助项目（42001070404）作者简介：刘立新（1962 ），男，助理研究员，E-mail：lxliu2007@。
刘立新1，罗平1，李春1，林海1，张学建1，2，张莹1（1.长春理工大学材料科学与工程学院，长春130022；2.吉林建筑工程学院，长春130021）Growth Principle and Technique of Single Crystal SiliconLIU Lixin1，LUO Ping1，LI Chun1，LIN Hai1，ZHANG Xuejian1，2，ZHANG Ying1（1.Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2. Jilin Architectural and civil Engineering institute，Changchun 130021）Abstract：This paper introduces the basic principle and process conditions of single crystal silicon growth by Cz method.Through controlling different process parameters (crystal rotation speed: 2.5，10，20rpm; crucible rotation speed: -1.25，-5，-10)，three high quality single crystal silicon rods with the size of 150×1000mm were grown successfully. Performancemeasurements of three single crystal silicon samples were performed including resistivity，oxygen and carbon content，minority carrier lifetime，respectively. The results show that as-grown single crystal silicon has the optimal qualitywhen crystal rotation speed is 10rpm，and crucible rotation speed is -5rpm. Finally，the introducing mechanism of oxygenand carbon impurities，and the way to reduce the impurities were discussed.Key words：single crystal silicon；growth by Cz method；performance measurements；oxygen impurities；carbon impurities单晶硅属于立方晶系，金刚石结构，是一种性能优良的半导体材料。
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应用简介
2020/10/28
2020/10/28
单晶硅生长的原材料:多晶硅原料的制备 技术
• 地球上Si材料的含量丰富，它以硅砂的Sia:状态存在于 地球表面。从硅砂中融熔还原形成低纯度的Si是制造高 纯度Si的第一步。将Si仇与焦炭、煤及木屑等混合，置 于石墨电弧炉中在1 SDO℃一2 000℃下加热，将氧化物 分解还原，可以获得纯度为98%的多晶硅。接下来需将这 种多晶硅经一系列的化学过程逐步纯化，其工艺及化学 反应式分别如下:
2020/10/28
温度-距离曲线（晶体）
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 越高。
2020/10/28
与敞开系统相 比，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℃。
温度-距离曲线（熔体）
磁场直拉法
• 今年来，随着生产规模的扩大，直拉单晶硅正向大直径发展，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 至会破坏单晶生长。
2020/10/28热屏后平均拉速明显提高的原因主要有两个： 一方面，热屏阻止加热器的热量向晶体辐射，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，增加了炉内气氛流的的不稳定性，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。
• 目前，抑制热对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。
• 单晶棒:据估计，CZ法长晶法约占整个Si单晶市场的82%， 其余采用悬浮区熔法制备。
单晶硅主要生长方法
直拉法生长单晶硅容易控制，产能 比区熔高，会引入杂质，应用于半 导体集成电路、二极管、外延片衬 底202、0/10太/28 阳能电池。
区熔法可生长出纯度高均匀性好的 单晶硅，应用于高电压大功率器件 上，如可控硅、可关断晶闸管。
2020/10/28
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 热场元件正逐渐被使用在先进的CZ长晶炉内。
2020/10/28
先进的热场构造
任丙彦等对200mm太阳能用直拉单 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 拉炉的热系统进行不同热系统下的拉晶 试验，结果发现平均拉速可从0.6mm/min 提高到0.9mm/min，提升了50%。
2020/10/28
工艺及化学反应式分别如下
• 1.盐酸化处理
将冶金级Si置于流床反应器中，通人盐酸形成 SiHCI
2.蒸馏提纯
置于蒸馏塔中，通过蒸馏的方法去除其他的反应杂质
• 3.分解析出多晶硅
将上面已纯化的SiHCl}置于化学气相沉积反应炉中与氢 气，发生还原反应，使得单质Si在炉内高纯度细长硅棒 表面析出，再将此析出物击碎即成块状多晶硅
• Si单晶的生长是将Si原料在1420℃以上的温度下融化， 再小心的控制液态一固态凝固过程，以长出直径4英寸、 5英寸、6英寸或8英寸的单一结晶体。
• 目前常用的晶体生长技术有:①提拉法，也称CZ法是将Si 原料在石英塔中加热融化，再将籽晶种入液面，通过旋 转和上拉长出单品棒②悬浮区熔法(floating zone technique),即将一多晶硅棒通过环带状加热器使多晶硅 棒产生局部融化现象，再控制凝固过程而生成
2020/10/28
2020/10/28
直拉法单晶硅生长原理示意图
直拉法单晶硅生长设备
整个生长系统主要包括：
晶体旋转提拉系统 加热系统 坩埚旋转提拉系统 控制系统等
。
2020/10/28
1 －晶体上升旋转机构； 2 －吊线； 3 －隔离阀； 4 －籽晶夹头； 5 －籽晶； 6 －石英坩埚； 7 －石 墨坩埚； 8 －加热器； 9 －绝缘材料； 10－真空泵； 11 －坩埚上升旋转机构； 12 －控制系统； 13 － 直径控制传感器； 14 －氩气； 15 －硅熔体
单晶硅生长技术现状
2020/10/28
单晶硅简介
• 硅(Si)材料是信息技术、电子技术和光伏技术最 重要的基础材料。 • 从某种意义上讲, 硅是影响国家未来在高新技术 和能源领域实力的战略资源。 • 作为一种功能材料, 其性能应该是各向异性的, 因 此半导体硅大都应该制备成硅单晶, 并加工成抛 光片, 方可制造IC器件, 超过98%的电子元件都是 使用硅单晶
2020/10/28
直拉法生长单晶硅设备实物图与示意图
直拉法单晶硅生长工艺
• 直拉法生长单晶硅的制备步骤一般包括： （1）多晶硅的装料和熔化 （2）引晶 （3）缩颈 （4）放肩 （5）等颈 （6）收尾
2020/10/28
2020/10/28
直拉法生长单晶硅工艺流程图
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 • 对单晶硅中氧浓度的控制
直拉法生长硅单晶
• 基本原理：原料装在一个坩埚中，坩埚上方有一可旋转和升降的 籽晶杆，杆的下端有一夹头，其上捆上一根籽晶。原料被加热器 熔化后，将籽晶插入熔体之中，控制合适的温度，使之达到过饱 和温度，边旋转边提拉，即可获得所需单晶。因此，单晶硅生长 的驱动力为硅熔体的过饱和。根据生长晶体不同的要求，加热方 式可用高频或中频感应加热或电阻加热。
2020/10/28
单晶硅简介
单晶硅属于立方晶系，金刚石结构，是一种性能 优良的半导体材料。 自上世纪 40 年代起开始使用多晶硅至今，硅材料 的生长技术已趋于完善，并广泛的应用于红外光谱 频率光学元件、红外及 射线探测器、集成电路、太 阳能电池等。 此外，硅没有毒性，且它的原材料石英(SiO2)构成 了大约60%的地壳成分，其原料供给可得到充分保 障。 硅材料的优点及用途决定了它是目前最重要、产 量最大、发展最快、用途最广泛的一种半导体材料。