硅晶体生长技术
硅晶体生长技术的研究及优化
硅晶体生长技术的研究及优化随着信息时代的发展，电子技术得到了迅猛的发展。
而硅材料作为半导体材料之一，因其良好的性能、工艺成熟等原因成为了电子工业中最常用的基础材料之一。
硅晶体生长技术的研究及优化对于提高硅材料的质量、提升硅片制备工艺和推进电子工业的发展具有重要意义。
一、硅晶体生长技术的发展历程及主要方法硅晶体生长技术是从20世纪初开始的。
早期的生长工艺主要是物理化学气相沉积（CVD）及其他化学气相沉积（MOCVD等）等技术，但这些方法的应用受到了一定的限制，如成本较高、材料质量无法保证、生长速率较慢等。
而对于硅晶体生长技术的研究及优化，使得这一技术的应用得到了很大的提升。
近年来，硅晶体生长技术得到了很大的发展。
如时光生长法、CZ（Czochralski）法、FZ（Float Zone）法等技术逐渐成熟，广泛应用于半导体领域。
其中，CZ法、FZ法则是目前应用广泛的两种硅晶体生长技术。
CZ法是一种单晶硅生产方法，是通过Czochralski晶体生长法生产的。
该方法将沿用最早的硅晶体生长方法，通过将熔体逐渐制冷至室温，长出单晶硅材料。
该方法可以使晶体直径较大，晶体品质较高，但晶体生长速度较慢，仅能生长数毫米/小时。
FZ法则是通过浮动区晶体生长法（Float Zone）生产的，该法原理是利用感应加热将硅棒或硅片加热至某一温度区间内，随后使用合适的磁场，以形成带电的哈斯电流，通过哈斯电流的电磁力和电阻排斥将半导体材料加热至熔点，形成了流动的硅材料。
FZ法的优点是生长速度较快，晶体品质较高，有较高的利用率以及较低的环境污染等比较显著的优势。
二、硅晶体生长技术的优化及应用随着硅晶体生长技术的不断升级，为了使晶体的品质更好、物理特性更稳定，优化与改进已成为重要的研究方向之一。
一些新的方法和技术被引入了这一领域，如超声波晶体生长技术、离子辅助晶体生长技术以及磁构取向生长技术等等。
其中，超声波晶体生长技术是针对硅晶体生产过程中微观级别存在的某些问题而被提出的一种方法。
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。
硅晶体的生长和有机硅材料的合成
硅晶体的生长和有机硅材料的合成硅晶体是一种重要的半导体材料，被广泛应用于电子信息领域。
其生长过程是通过在高温下，将硅材料中的原子沉积在硅晶体表面形成新的硅原子晶格，从而使硅晶体逐渐增大，最终成为完整晶体。
硅晶体的生长可以通过多种方式实现，下面将详细介绍其主要生长方法。
1. Czochralski生长法Czochralski法是目前最常见的硅晶体生长方法之一，其基本原理是通过向熔融的硅中引入晶种，在恒温下缓慢提拉晶体，使硅原子逐层沉积在晶体表面上，从而逐渐形成大晶体。
这种方法的特点是生长速度较慢，晶体质量高，且可以实现高纯度晶体生长。
2. 气相传输法气相传输法是一种通过气相化学反应生长硅晶体的方法，它的基本原理是将硅源与气体反应，形成沉积在表面的硅化物，然后通过高温还原反应，使硅沉积在晶体表面逐渐生长出硅晶体。
这种方法的优点在于可以在相对较低的温度下生长硅晶体，生长速度快，但需要使用特殊的气相前体的纯净度也比较高。
3. 溶液法溶液法是通过将硅源加入到溶液中，使其反应和沉积在晶体表面生长硅晶体的方法。
与其他方法相比，它的优点在于生长温度低，生长速度快，同时可以实现多个晶体同时生长。
但是，由于溶液法的特殊性质，晶体的纯度低，且容易受污染和杂质的影响。
有机硅材料的合成有机硅材料是一种具有广泛应用的材料，可以用于制造光学和电子器件，制造高级硅橡胶和硅弹性体。
有机硅材料的合成过程是将有机物和硅材料反应，将它们化学反应生成的有机硅材料。
下面将从三个方面介绍有机硅材料的合成方法。
1. 直接缩聚法直接缩聚法是将硅化合物与有机物直接反应，通过碳硅键将其相互连接，从而形成有机硅材料的方法。
它的优点是原料简单，反应易于控制。
但是直接缩聚法的反应过程中生成的有机硅材料的分布较广，难以控制，产生的三维结构较难确定。
2. 缩聚反应法缩聚反应法是将硅氢烷和有机乙烯类物质反应，在催化剂的作用下发生化学反应，产生产物中含有硅—碳键的有机硅化合物。
chap.6 硅的晶体生长
2019/12/2
由自发晶核形成的晶体，一般成为多晶体，极难形成单 晶体。 因此，在拉单晶时，不希望产生自发晶核，要求：人为 加入一个籽晶，同时严格控制熔体中的温度梯度和结晶 界面的“过冷度”，使结晶界面附近以外的熔体处在高 于熔点的过热状态。从而使熔体仅沿籽晶一个晶核结晶， 长大成为单晶体。
95炉技术规格： 拉制晶棒直径 6"、8"或非标 最大装料量： 135kg 适用热场规格： 20"；22" 适用石英坩埚规格： 20"；22" 最大长晶长度： 2010mm 籽晶轴行程： 3200mm 籽晶提升速度（低）： 0~10mm/min 籽晶提升速度（高）： 800mm/min 籽晶旋转速度： 0~40rpm 坩埚升降速度（低）： 0.000~0.500mm/min 坩埚升降速度（高）： 100mm/min 坩埚轴最大承重： <230kg 坩埚转速： 0~20rpm 坩埚升降轴行程： >380mm 设备最大高度： 7300mm 冷却水流量: 280-320L/min 冷却水温度: 最宜15-30度（合适30以下不结冰） 极限真空度: <3mT 真空漏率: <0.4mT/min 籽晶绳材质: 钨质 中炉筒内径: 950mm
6章 硅的晶体生长
2013.04
2019/12/2
1 引言 2 直拉法(CZ法)制备单晶硅 3 MCZ工艺 4 悬浮区熔法(FZ法)制备单晶硅工艺 5多晶硅铸锭制备技术 6 掺杂工艺
2019/12/2
1引言
•单 晶 硅 的 制 备 按 晶 体 生 长 方 法 的 不 同 ， 分 为 直 拉 法 (CZ:Czochralski) 、悬浮区熔法(FZ:Float Zone）和外延法。 直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。 半导体工业上大约超过75％的单晶硅锭是由CZ法制备的， 1952年Teal和Buehler首次报道了CZ法制备硅单晶，Dash首 次介绍了无位错单晶硅锭的生长技术。
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。
半导体第三讲下单晶硅生长技术课件
•2024/1/15
•半导体第三讲下单晶硅生长技术
ß 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。
ß 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。
显增大。研究还发现, 氧沉淀消融处理后，
后续退火的温度越高, 氧沉淀的再生长越快。
•2024/1/15
•半导体第三讲下单晶硅生长技术
ß 对1000 ℃、1100℃退火后的掺氮直拉硅中 氧沉淀的尺寸分布进行的研究表明，随着 退火时间的延长，小尺寸的氧沉淀逐渐减 少，而大尺寸的氧沉淀逐渐增多。氮浓度 越高或退火温度越高, 氧沉淀的熟化过程进 行得越快。
ß 因此适当控制氧析出物的含量对制备性能 优良的单晶硅材料有重大意义
•2024/1/15
•半导体第三讲下单晶硅生长技术
ß
研究发现，快速热处理( R T P)是一种
快速消融氧沉淀的有效方式, 比常规炉退火
消融氧沉淀更加显著。硅片经R TP 消融处
理后, 在氧沉淀再生长退火过程中，硅的体
微缺陷(BMD)密度显著增加, BMD的尺寸明
•2024/1/15
•半导体第三讲下单晶硅生长技术
ß 通过一定的工艺, 在硅片体内形成高密度的 氧沉淀, 而在硅片表面形成一定深度的无缺 陷洁净区，该区域将用于制造器件, 这就是 “内吸杂”工艺。
ß 如果氧浓度太低, 就没有 “内吸杂”作用, 反之如果氧浓度太高, 会使晶片在高温制程 中产生挠曲。
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%。
熔体中的晶体生长技术(提拉法)
提拉法也被用于制备化合物半导体材料 ，如GaAs、InP等，通过控制熔体中的 成分和晶体生长条件，可以制备出高质 量、性能优异的化合物半导体材料。
在功能陶瓷材料制备中的应用
功能陶瓷材料在电子、能源、环保等领域具有广泛应用，如压电陶瓷、热敏陶瓷 等。
提拉法也被用于制备功能陶瓷材料，通过控制熔体中的成分和晶体生长条件，可 以制备出具有优异性能的功能陶瓷材料，提高其应用性能。
在其他领域的应用实例
提拉法还被应用于制备其他材料，如金属单晶、宝石等。
通过提拉法可以制备出高质量、性能优异的晶体材料，满足不同领域的需求。
05 提拉法的挑战与未来发展
面临的挑战
晶体质量与纯度控制
提拉法在生长过程中难以完全消除杂质和缺陷，影响晶体质量。
生长速度与尺寸限制
提拉法生长速度较慢，且难以生长大尺寸晶体。
成本与效率
提拉法需要高纯度原料和精密设备，导致成本较高，效率较低。
未来发展方向与趋势
新型晶体生长技术
研究和发展新型晶体生长技术，以提高晶体质量和纯度，降低成 本和能耗。
优点 可生长大尺寸单晶体 晶体质量高，缺陷少
提拉法的优缺点
• 可通过优化生长条件获得高纯度晶体
提拉法的优缺点
缺点
对温度控制要求严格，操 作难度较大
对设备要求高，成本较高
对于某些材料，提拉法可 能不是最佳的晶体生长技 术
02 提拉法的基本流程
熔体制备
原料选择
根据所需生长的晶体种 类，选择合适的原料， 确保纯度高、杂质少。
配料与混合
将原料按照一定的比例混 合，并进行充分的搅拌， 以保证原料的均匀性。