直拉单晶硅 原辅材料的准备
单晶硅的制造工艺流程
单晶硅的制造工艺流程一、原料准备。
1.1 硅石选取。
咱单晶硅制造啊，首先得选好原料。
硅石那可是基础中的基础，就像盖房子的砖头一样重要。
咱得找那些纯度比较高的硅石，不能随便拉来一块就用。
这硅石就像是参加选美比赛的选手，得经过咱严格的筛选才行。
那些杂质多的硅石，就像混在好人堆里的坏蛋，得把它们剔除掉。
1.2 提纯到多晶硅。
有了好的硅石之后呢，就得把它变成多晶硅。
这一步就像是把铁矿石炼成铁一样，是个很关键的过程。
要通过各种化学方法，把硅石中的硅元素提炼出来，让它变得更纯。
这个过程可不容易，就像爬山一样，得一步一个脚印，每个环节都不能出错。
要是出了岔子，那后面的单晶硅质量可就没保障了。
二、单晶硅生长。
2.1 直拉法。
直拉法是制造单晶硅很常用的一种方法。
咱就想象一下，有一个熔炉，里面装着多晶硅原料，就像一口装满宝贝的大锅。
然后把籽晶放进去，这个籽晶就像是一颗种子，单晶硅就从这颗种子开始生长。
慢慢地把籽晶往上拉，就像钓鱼一样，多晶硅就会在籽晶的基础上不断生长，最后形成一根长长的单晶硅棒。
这过程中啊，温度、提拉速度等因素都得控制得恰到好处，就像厨师做菜时掌握火候一样，差一点都不行。
2.2 区熔法。
还有区熔法呢。
这个方法有点像接力比赛。
通过加热一小段多晶硅，让硅熔化后再结晶，然后一点一点地往前推进这个熔化结晶的过程，就像接力棒一棒一棒地传下去，最后形成单晶硅。
这个方法能制造出更高纯度的单晶硅，但是操作起来也更复杂，就像走钢丝一样，得小心翼翼的。
三、加工处理。
3.1 切割。
单晶硅棒有了之后，就得进行切割。
这就好比把一根大木头锯成小木板一样。
不过这切割可不像锯木头那么简单，要用专门的切割设备，像金刚线切割之类的。
切割的厚度、精度都有很高的要求，要是切得不好，那可就浪费了之前那么多的心血，就像把一块好玉给雕坏了一样，让人痛心疾首。
3.2 打磨抛光。
切割完了还不行，还得打磨抛光。
这就像是给单晶硅做美容一样，让它的表面变得光滑平整。
直拉单晶的原理和应用
直拉单晶的原理和应用原理直拉单晶是一种用于生产单晶材料的方法，其原理基于拉伸应力的作用。
通过将某种材料加热至熔点，然后在特定条件下迅速拉伸，使得材料变成单晶结构。
直拉单晶的原理涉及以下几个关键步骤：1.原料准备：选取高纯度的材料作为原料，经过精细处理，确保其纯度和均匀性。
2.熔融：将原料加热至熔点以上，通常使用电炉或激光加热来实现。
在熔融状态下，原料呈现液态。
3.拉伸：将熔融状态的材料进行迅速拉伸，通常在大气中进行。
拉伸的速度和方向对于最终单晶的品质有重要影响。
4.冷却固化：拉伸后的材料在冷却过程中逐渐固化，形成单晶结构。
直拉单晶的原理基于拉伸应力对材料结构的影响。
在迅速拉伸的过程中，由于拉伸力的作用，原料分子排列有序，形成了单晶结构。
通过控制拉伸的速度和方向，可以对单晶结构的形态和品质进行调控。
应用直拉单晶技术在材料科学和工业生产中有广泛的应用。
以下是一些典型的应用领域：1.光电子学：直拉单晶技术可以生产高品质的单晶材料，用于制造光电子器件，例如光电检测器、激光器等。
单晶结构能够提供更好的电子传导性能和光学性能，提高器件效率和稳定性。
2.半导体器件：直拉单晶技术被广泛应用于半导体器件的制造。
例如，用于制造晶体管和集成电路的硅单晶材料就是通过直拉单晶技术生产的。
单晶硅材料具有优良的电子传导性能和热传导性能，是半导体器件制造中不可或缺的材料。
3.航空航天：航空航天领域对材料的要求非常高，直拉单晶技术可以生产高强度、高温耐受性和抗腐蚀性的合金材料，用于制造航空发动机、航天器结构和燃气轮机等关键部件。
4.医学器械：直拉单晶技术可以生产生物惰性材料，用于制造医学器械。
例如，使用直拉单晶技术生产的钛合金材料被广泛应用于骨科植入物和人工关节等医疗器械中，具有良好的生物相容性和机械性能。
5.能源领域：直拉单晶技术可以生产用于能源转换和储存的材料。
例如，用于制造锂离子电池的正极材料和燃料电池的阴极材料就是通过直拉单晶技术生产的。
直拉单晶硅的制备-掺杂讲课讲稿
直拉单晶硅的制备-掺杂直拉单晶硅的制备硅、锗等单晶制备，就是要实现由多晶到单晶的转变，即原子由液相的随机排列直接转变为有序阵列；由不对称结构转变为对称结构。
但这种转变不是整体效应，而是通过固液界面的移动而逐渐完成的。
为实现上述转化过程，多晶硅就要经过由固态到熔融态，然后又由熔融态硅到固态晶体硅的转变。
这就是从熔体硅中生长单晶硅所遵循的途径。
从熔体中生长硅单晶的方法，目前应用最广泛的主要有两种：有坩埚直拉法和无坩埚悬浮区熔法。
在讨论这两种制备方法之前，还应讨论在制备单晶过程中必不可少的一些准备工序。
包括掺杂剂的选择、坩埚的选择、籽晶的制备等，分别介绍如下：一、掺杂在制备硅、锗单晶时，通常要加入一定数量杂质元素（即掺杂）。
加入的杂质元素决定了被掺杂半导体的导电类型、电阻率、少子寿命等电学性能。
掺杂元素的选择必须以掺杂过程方便为准，又能获得良好的电学性能和良好晶体完整性为前提。
1掺杂元素的选择（1）根据导电类型和电阻率的要求选择掺杂元素制备N型硅、锗单晶，必须选择Ⅴ族元素（如P、As、Sb、Bi）；制备P型硅、锗单晶必须选择Ⅲ族元素（如B、Al、Ga、In、Ti）。
杂质元素在硅、锗晶体中含量的多少决定了硅、锗单晶的电阻率。
电阻率不仅与杂质浓度有关，而且与载流子的迁移率有关。
当杂质浓度较大时，杂质对载流子的散射作用，可使载流子的迁移率大大降低，从而影响材料的导电能力。
考虑到以上因素，从理论上计算了电阻率与杂质浓度的关系曲线，如图9-5所示。
在生产工艺上按电阻率的高低分档。
掺杂有三档：轻掺杂（适用于大功率整流级单晶）、中掺杂（适用于晶体管级单晶）、重掺杂（适用于外延衬底级单晶）。
（2）根据杂质元素在硅、锗中溶解度选择掺杂元素各种杂质元素在硅、锗中溶解度相差颇大。
例如，采用大溶解度的杂质，可以达到重掺杂的目的，又不会使杂质元素在晶体中析出影响晶体性能。
下表列出了常用掺杂元素在硅、锗单晶生长时掺入量的极限，超过了极限量，单晶生长不能进行。
简述直拉法制备单晶硅棒的工艺流程
简述直拉法制备单晶硅棒的工艺流程下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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直拉法单晶硅 -回复
直拉法单晶硅-回复单晶硅是一种具有高纯度的硅晶体，具有优异的光电性能和热电性能，广泛应用于电子器件和太阳能电池等领域。
本文将以“直拉法单晶硅”为主题，详细介绍直拉法制备单晶硅的步骤和工艺。
一、什么是直拉法单晶硅？直拉法单晶硅是一种通过直接拉取的方法制备的高纯度硅晶体。
该方法通过溶解高纯度的多晶硅在熔融的硅熔体中，然后逐渐拉伸出一根单晶硅柱。
得到的单晶硅柱可以被切割成具有特定晶向的晶圆，用于制备半导体器件和太阳能电池等。
二、直拉法制备单晶硅的步骤：1. 原材料准备：选择高纯度的多晶硅作为原材料，通常其纯度需达到99.9999以上。
这种高纯度的多晶硅块通常是由卤化硅还原法制备而来。
2. 熔炼硅熔体：将高纯度多晶硅块放入石英玻璃坩埚中，然后将坩埚放入电阻加热炉中进行熔炼。
在特定的温度和保温时间下，多晶硅逐渐熔化成硅熔体。
3. 准备拉晶装置：将石英棒固定在拉晶装置上，调整装置的温度和拉伸速度等参数，使其适合拉晶过程。
4. 开始拉晶：将熔融的硅熔体与石英棒接触，通过向上拉伸石英棒，使熔体附着在棒的一端，并由此逐渐形成硅晶体。
拉晶过程中需要控制温度、拉伸速度以及拉伸方向等参数，以保证拉晶产生单晶硅。
5. 晶柱切割：拉晶结束后，得到的硅晶体为一根长柱状，可以根据具体需要切割成不同规格和方向的晶圆。
切割过程需要使用专业的切割设备和切割工艺，以获得所需的单晶硅片。
三、直拉法制备单晶硅的工艺特点：1. 高纯度：直拉法制备的单晶硅可以达到非常高的纯度要求，这对于一些对杂质含量极为敏感的电子器件非常重要。
2. 大尺寸：直拉法制备的单晶硅柱可以达到较大的尺寸，使得每次拉晶得到的单晶硅片面积更大，提高了生产效率。
3. 较低的缺陷密度：直拉法制备的单晶硅的晶界和缺陷密度较低，有利于提高电子器件的性能。
4. 可重复性好：直拉法制备单晶硅的过程相对稳定，能够实现较好的生产批量一致性和可重复性。
四、直拉法制备单晶硅的应用：1. 半导体器件：直拉法制备的单晶硅片广泛应用于集成电路、晶体管、场效应晶体管等半导体器件的制造。
直拉单晶硅
[100]晶棒的侧视图 俯视图
facet示意图
自然对流
一般的CZ系统里，热源是由坩
埚侧面的加热器所提供，这造成熔体
晶棒
的外侧温度比中心轴高，熔体底端的
温度比液面高。我们知道密度是随着
温度的升高而降低的，于是在底部的
熔体会藉着浮力往上流动，这种对流
自然对流、晶轴旋转和坩埚旋转三种方式相互作用对熔体 流动的影响。
表面张力引起的对流
由液体的温度梯度，所造成的
表面张力的差异，而引起的对流形
态，称为表面张力对流。其对流程
度大小可由Marangoni常数来判断
Ma Td ( d )
d
Vk dT
是表面张力的温度系数。自然
dT
自然对流与表面张力对流的相对大小，可由Bond常数来
直拉单晶硅
直拉单晶 硅片工艺 流程
直拉法，也叫切克劳斯基（Czochralsik）方法， 此法早在1917年由切克斯基建立的一种晶体生长方法， 后来经过很多人的改进，成为现在制备单晶硅的主要 方法。
用直拉法制备硅单晶时，把高纯多晶硅放入高纯
石英坩埚，在硅单晶炉内熔化；然后用一根固定在籽 晶轴上的籽晶插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后， 慢慢向上拉籽晶，晶体便在籽晶下端生长。
对于<111>方向而言，由于其为最紧密堆积， 所以并不需要长很细的晶颈但需要使用很快的拉 速。对于<100>而言，晶颈的直径越小，越容易消 除位错。但是当晶颈的直径过小时，晶颈可能无 法支撑晶棒本身重量而断裂。晶颈能支撑晶棒重 量的最小直径可由下式表示
d 1.608103 DL1/2
位错是可能在任何时候重新出现于晶棒内。因 为晶体硅具有很高的弹性应力，如果长晶过程造成 的热应力或机械应力小于本身的弹性应力，那么这 些应力可以在晶棒冷却过程中消失掉。但当热应力 或机械应力大于弹性应力时，位错就会形成以减小 应变。造成热应力或机械应力大于弹性应力最常见 的情况是，外来的颗粒如石英坩埚的碎片。
直拉单晶硅的制备掺杂
直拉单晶硅的制备硅、锗等单晶制备，就是要实现由多晶到单晶的转变，即原子由液相的随机排列直接转变为有序阵列；由不对称结构转变为对称结构。
但这种转变不是整体效应，而是通过固液界面的移动而逐渐完成的。
为实现上述转化过程，多晶硅就要经过由固态到熔融态，然后又由熔融态硅到固态晶体硅的转变。
这就是从熔体硅中生长单晶硅所遵循的途径。
从熔体中生长硅单晶的方法，目前应用最广泛的主要有两种：有坩埚直拉法和无坩埚悬浮区熔法。
在讨论这两种制备方法之前，还应讨论在制备单晶过程中必不可少的一些准备工序。
包括掺杂剂的选择、坩埚的选择、籽晶的制备等，分别介绍如下：一、掺杂在制备硅、锗单晶时，通常要加入一定数量杂质元素（即掺杂）。
加入的杂质元素决定了被掺杂半导体的导电类型、电阻率、少子寿命等电学性能。
掺杂元素的选择必须以掺杂过程方便为准，又能获得良好的电学性能和良好晶体完整性为前提。
1掺杂元素的选择（1）根据导电类型和电阻率的要求选择掺杂元素制备N型硅、锗单晶，必须选择Ⅴ族元素（如P、As、Sb、Bi）；制备P型硅、锗单晶必须选择Ⅲ族元素（如B、Al、Ga、In、Ti）。
杂质元素在硅、锗晶体中含量的多少决定了硅、锗单晶的电阻率。
电阻率不仅与杂质浓度有关，而且与载流子的迁移率有关。
当杂质浓度较大时，杂质对载流子的散射作用，可使载流子的迁移率大大降低，从而影响材料的导电能力。
考虑到以上因素，从理论上计算了电阻率与杂质浓度的关系曲线，如图9-5所示。
在生产工艺上按电阻率的高低分档。
掺杂有三档：轻掺杂（适用于大功率整流级单晶）、中掺杂（适用于晶体管级单晶）、重掺杂（适用于外延衬底级单晶）。
（2）根据杂质元素在硅、锗中溶解度选择掺杂元素各种杂质元素在硅、锗中溶解度相差颇大。
例如，采用大溶解度的杂质，可以达到重掺杂的目的，又不会使杂质元素在晶体中析出影响晶体性能。
下表列出了常用掺杂元素在硅、锗单晶生长时掺入量的极限，超过了极限量，单晶生长不能进行。
单晶硅设备工艺流程
单晶硅设备工艺流程
1.原料准备：单晶硅的主要原料是冶炼用石英砂，通常经过洗选、干
燥等处理，使得原料的杂质含量满足要求。
2.熔炼：将原料石英砂与还原剂等掺混后投入石墨电阻加热炉内进行
熔炼。
石墨电阻加热炉会使原料达到熔点，经过高温处理，熔融的石英砂
会逐渐凝固形成单晶硅。
3.拔取：在熔炼过程中会用到拔取技术。
拔取是通过将单晶硅的种子
晶体插入熔液中，然后逐渐向上拉取，使单晶硅沿着晶体方向生长。
4.矫整：拔取后的单晶硅棒需要进行矫整处理。
矫整是通过加热、旋
转和拉伸等过程，使单晶硅棒达到所需的直径和形状。
5.切割：矫整后的单晶硅棒会被切割成所需的长度，通常使用激光或
钻孔方式进行切割。
6.清洗和提纯：切割后的单晶硅棒需要进行清洗和提纯处理。
清洗是
为了去除表面的杂质和污染物，提纯是为了进一步提高单晶硅的纯度。
7.化学机械抛光：通过机械研磨和腐蚀的方式，对单晶硅棒进行抛光
处理。
抛光是为了获得更加光滑和平整的表面，以便后续工艺的进行。
8.晶片制备：将单晶硅棒切割成薄片，通常使用金刚石锯片进行切割。
切割后的单晶硅薄片可以用来制备太阳能电池、集成电路等。
9.检测和测试：对制备的单晶硅材料进行检测和测试，包括物理性能、光学性能等方面。
这是为了确保单晶硅材料达到所需的质量和性能要求。
以上是单晶硅设备工艺流程的主要步骤，每个步骤都需要精确控制各种工艺参数和设备条件，以确保最终制备的单晶硅材料具有高纯度和良好的性能。
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目前，使用瓶装氩气拉晶的已经很少了，
因为瓶装氩气纯度低，产气少，要经常更 换空瓶，前去充灌时，钢瓶运输量很大， 而且要增加净化器等，成本较高。使用液 态氩供气尽管一次性投资大，但是积累成 本低，使用方便，1m3的液氩可气化为 780m3的氩气，1m3液态氩重约1.4t.
一台5m3的液氩储罐。上不同型号的蒸发器，
例如，重掺单晶的籽晶就不能回头再拉制轻掺单
晶了。重掺籽晶最好另加标识，严防误用。
籽晶在使用前，应按 照籽晶在夹头上的固 定方式在籽晶上切出
小口，或者开出小槽，
以使用钼丝捆绑，或
用销钉将籽晶固定在 股权头上，最后进行腐蚀、清洗、烘干，装入盒
内待用。
钼
钼是一种熔点很高（2600 ℃ ） 贵重金属，
钼丝在直拉炉上有两个用处，一是捆绑籽
晶；二是捆绑石墨毡，大多使用直径
0.3~0.5mm的钼丝；钼丝具有一定的强度和 韧性；那种脆性大、容易断裂的钼丝质量 差，不能使用。
钼丝的外表有一层黑灰色的附着物，可用 纱布蘸NaOH熔液擦去，用清水洗净，最后 用纯水冲净，自然晾干使用。至于钼棒可 以用做重锤上的籽晶夹头，钼片可以用做
检测陪片、切片料头废片、研磨废片、抛光废片
切磨加工过程中的废片须先用碱液清洗除去油污。
上述各种料按P型1~5、5~10、>10Ω· cm，N型>10
Ω· cm，>30Ω· cm进行分档，电阻率分档分选后，
再作腐蚀清洁处理。
电路废片
外延片一般衬底材料是在重掺Sb重掺As等。
这种废片不能用来拉单晶，其他电路废片
每小时产气可从几十立方米到百立方米，适合
大规模生产。高纯氩气纯度，一般为5个“9”，
氧含量<2 ×10-6 （2ppm），碳含量<2 ×10-6
（2ppm），H2 <3 ×10-6 （3ppm），不用净化 可直接使用。输送管道内压力一般为 0.4~0.6MPa，即可保证稳定供气，但是在送入 单晶炉前最好串接一个煤气减压表，便于控制 进入炉内的压力及流量。
从储罐到单晶炉的整个管道及阀门、表头等不得
有漏气，管道为无缝不锈钢管，焊接可靠。
氩气输送示意图
碳头多晶
含碳多晶
须用硫酸，磷酸混合酸湿法除碳，分选检
查除碳质量，不干净的重新除碳处理。碳
处理干净后再进行清洁处理。
事故料、硅芯料、 检验料各种杂多晶料
先进行挑选，除去杂质，再用碱性清洗液
去油处理后腐蚀清洁处理。
直拉（单晶）头尾料，边皮料
这类原料技术指标要求：P型 ≥ 1.0 Ω· cm，
热屏，保温材料等。
氩气
氩气在直拉单晶硅工艺中，具有重要的作用，
一方面，它作为一种保护气氛包围在晶体和液 面周围，并不断带走硅溶液中的挥发物，以及 高温下其他部位的挥发物，由机械泵排出，保 护了单晶的正常生长；另一方面，它由上而下
形成均匀的导层流从晶体表面掠过，带走结晶
潜热，也有利于单晶生长。
籽晶在使用中，总是要和熔硅接触的，有一部分
要融入硅熔体，这就意味着籽晶中的杂质熔进了
硅液中，因此切割籽晶用的单晶电阻率最好高一
些，这样的新籽晶实用性强，无论拉制低电阻单
晶，还是高阻单晶，N型的，还是P型的，都可以
用。但是如果已经拉制过单晶的旧籽晶就不能随
便使用了，拉制过不同型号的旧籽晶也不要混用。
（3）洁净包装。多晶硅、掺杂剂、坩埚、籽晶、钼丝
等
（4）填好生产指令单，核对无误后，一并送达拉晶岗
位。
多晶硅
结晶致密，金属光泽好；端面颜色一致，没有
明显的温度圈或氧化夹层属合格品，否则必等
外品或事故料。
三级的多晶硅用于生产太阳能级单晶。
多晶硅目前大多是免洗料，若原来未清洗或由
于各种原因造成小潮的必须重新清洁处理。
N型 ≥ 10 Ω· cm。碳含量 ≤ 2 ppma。均可用
来生产太阳能级单晶。
直拉埚底料
先去除不带料石英片，进行P型－N型分选，
再按P型1~5、5~10、>10Ω· cm，N型>10
Ω· cm，>30Ω· cm进行分档，标注清楚，分
类用氢氟酸浸泡（1~5天）除去石英，再腐
蚀清洁处理。
其他杂料
直拉单晶硅工艺技术
主讲教师：裴迪 石油化工学院
1
原辅材料的准备
直拉单晶硅的原辅材料是指多晶料、石英
坩埚、掺杂剂、籽晶以及钼丝、氩气等。
这些材料除氩气外都要进行腐蚀、清洁处
理。其纯度，特性都有一定的要求，才能
适宜单晶生长。这个过程叫做原辅材料的
准备，简称备料。
工作规程：备料工作应由备料中心统一管理 （1）根据产品规格提前将原辅材料准备好； （2）准确称量多晶硅和掺杂剂；
可以用。电路废片打磨后应检测电阻率，
低的是外延衬底，电阻率高是CZ-PW；可
以用研磨、喷沙、清洗等方法除去电路层
后再清洁处理。
电池废片
酸洗除去表面银栅，再碱洗除去扩散层
（15μ）。
由于硅片较薄，一般先用碱液洗，再用HF
浸泡除氧化物，用HCl浸泡除金属杂质，纯 水冲洗、超声、浸泡水质>1MΩ· cm即可。
甩干后放入红外烘箱中烘干，注意不锈钢
烘盘应垫四氟塑料薄板，原料不能接触金
属物件。烘干温度100 ℃~180 ℃。烘干后，
塑料袋封装。若存放时间过长，须重新冲
洗烘干。
化学方程式见目前用得最多的有 [111]和[100]晶向，偶尔用到[110]晶向。 籽晶可以利用单晶硅定向切割而成，一般规格 为8mm ×8mm ×100mm，装料量较大时可选 用加强型籽晶，10mm ×10mm ×120mm或更 长大些。切割下来的籽晶除去黏胶，剔除边角 料，再次定向，选出偏离度<0.5 °的备用。