高阻真空区熔硅单晶的生长
区熔硅单晶掺杂技术概述
区熔硅单晶掺杂技术概述首先是原料准备。
区熔硅单晶的原料主要是高纯度的硅和掺杂元素。
硅是半导体行业最常用的材料之一，通常采用高纯度的硅片、硅粉或硅氧烷等作为硅的起始材料。
而掺杂元素则根据需要选择不同的元素，例如磷、硼、锑、砷等，它们可以改变硅的导电性能。
接下来是单晶生长。
单晶生长是制备硅单晶材料的关键步骤，常用的方法有Czochralski法和区熔法。
Czochralski法通过将原料硅加热融化后，通过一根旋转的晶体棒连续吸附硅溶液中的硅原子来形成单晶。
而区熔法则是将原料硅和掺杂元素放置于特定的区域，利用单晶生长过程中温度梯度的原理，使掺杂元素在硅单晶生长过程中被吸附到晶体中，从而形成掺杂晶体。
然后是掺杂。
掺杂是指向硅单晶中引入所需的外来杂质。
掺杂可以通过不同的方法进行，常用的方法包括扩散法和离子注入法。
扩散法是将掺杂元素与硅单晶接触，并通过高温退火使其扩散到硅晶体内部。
离子注入法则是将所需掺杂元素的离子注入到硅单晶中，通过退火使其结合到晶体中。
掺杂后的硅单晶需要经过退火处理，以消除掺杂过程中引入的缺陷。
退火可以通过高温热处理或激光退火等方法进行。
退火过程中，掺杂元素会重新分布，形成所需的电学性能。
接下来是切割和制备器件。
经过掺杂和退火处理的硅单晶通常需要切割成合适的尺寸，然后进行器件制备。
切割可以使用金刚石锯片或激光切割等方法进行。
器件制备包括清洗、光刻、沉积、刻蚀和封装等步骤，通过这些步骤可以制备出各种半导体器件，例如晶体管、二极管、太阳能电池等。
总之，区熔硅单晶掺杂技术是制备半导体材料和器件中不可或缺的关键技术。
它通过向硅单晶中引入外来杂质，改变材料的电学性能，实现各种半导体器件的制备。
随着科技的发展，该技术不断创新，为半导体行业的发展提供了坚实的基础。
半导体材料课件熔体晶体生长 硅、锗单晶生长
≈ θm
1− hr 2 / 2ra
⎜⎛1 ⎝
−
1 2
hra
⎟⎞ ⎠
⎡ exp⎢−
⎢⎣
⎜⎜⎝⎛
2h ra
⎟⎟⎠⎞1/
2
z
⎤ ⎥ ⎥⎦
吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
3-2 熔体的晶体生长
晶体中温度梯度沿轴向z和沿径向r的分量为
( ) ∂θ
∂z
≈
−θm
⎜⎜⎝⎛
2h ra
⎟⎟⎠⎞1/
2
1− hr 2 / 2ra
⎝ dZ ⎠L
Runyan对一个硅单晶生长系统进行了估算：
fmax=2.96cm/min。
实际测得 fmax=2.53 cm/min。
理论与实验值大体是相符的。 QF = fAdH~ = QC - QL
③ 生长速度f 一定时，A=（QC-QL）/fdH
QC→大 或 QL →小, A →大 (非稳定生长→建立新 的稳态 )
相对温度θ(r.φ.z)=T(r.φ.z)-T0；
T0：环境温度，T：体系温度。
晶体中热场是圆柱对称，与圆周角
φ无关；θ只是半径r和高度z的函
数，热传导方程为
∂ 2θ
∂r 2
+1 r
∂θ
∂r
+
∂ 2θ
∂z 2
=0
吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
l
3-2 熔体的晶体生长
三个边界条件：
l
⑴ 固-液界面上，界面温度为熔点Tm，
3-2 熔体的晶体生长
AK
L
⎜⎛ ⎝
dT dZ
⎟⎞ ⎠L
+
fAd
H~
=
单晶硅的生长方法
单晶硅的生长方法1. 直拉法呀，就像我们小时候搭积木一样，一点点把单晶硅拉起来。
你看，在一个高温的坩埚里，把多晶硅熔化，然后用一根细细的籽晶去慢慢往上提拉，哇，单晶硅就这么神奇地生长出来啦！就像盖高楼一样，一层一层的。
2. 区熔法呢，这可有意思了，就好比是在一个局部区域进行一场特殊的“培育”。
把一根多晶硅棒固定，然后用一个加热环在上面移动，加热的地方就熔化啦，慢慢移动过去，单晶硅不就长出来了嘛！是不是很神奇呀！3. 外延生长法，哎呀呀，就好像给单晶硅穿上一件新衣服一样。
在一个已经有单晶硅的衬底上，让气态的反应物沉积上去，形成新的单晶硅层，这就像给它装饰打扮一番呢！4. 气相沉积法，就如同是在空中“变魔术”，让那些气体中的硅原子乖乖地聚集在一起变成单晶硅。
比如把含硅的气体通入反应室，它们就会乖乖地在合适的地方沉积下来成为单晶硅啦，多奇妙呀！5. 分子束外延法，这可是个精细活儿呀，就像一个细心的工匠在雕琢一件艺术品。
通过精确控制分子束的流量和方向，让单晶硅完美地生长出来，厉害吧！6. 固相晶体生长法，这就像是在一个安静的角落默默努力的小伙伴。
在固体状态下，通过一些特殊的条件，让单晶硅悄悄地生长，给人一种很踏实的感觉呢！7. 助熔剂法，好比是有了一个好帮手一样。
加入助熔剂来帮助单晶硅生长，就像有人在旁边助力，让单晶硅长得更好更快呢！8. 水热法，哇哦，就如同在一个温暖的水中“孕育”着单晶硅。
在特定的温度和压力下，让单晶硅在水中生长，是不是很特别呀！9. 熔盐法，这就好像是在一个充满魔法的盐世界里让单晶硅现身。
利用熔盐作为介质，单晶硅就神奇地冒出来啦，真的好有趣呀！10. 等离子体增强化学气相沉积法，就像有一股神奇的力量在推动着单晶硅生长。
利用等离子体来增强反应，让单晶硅快快长大，太有意思啦！我觉得呀，这些单晶硅的生长方法都好神奇，各有各的独特之处，都为我们的科技发展做出了重要贡献呢！。
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。
区熔硅单晶生长过程建模综述
区熔硅单晶生长过程建模综述云娜;庞炳远【摘要】针对区熔法高阻硅单晶的生长过程描述和基本特征,以晶体生长基本原理为基础,从生长机理与模型建立热传导模型(晶体内的热量传输模型和固液界面处的热量传输模型)、热对流模型(晶体表面与氩气之间的对流传热模型和熔体内的对流传热模型)热辐射模型等方面进行了阐述,并针对高品质区熔硅单晶生长提出了相应的研究思路和方法.【期刊名称】《电子工业专用设备》【年(卷),期】2018(000)003【总页数】4页(P7-9,31)【关键词】区熔法;硅单晶;过程建模【作者】云娜;庞炳远【作者单位】中国电子科技集团公司第四十六研究所,天津 300220;中国电子科技集团公司第四十六研究所,天津 300220【正文语种】中文【中图分类】TN304.053区熔法又称FZ法，即悬浮区熔法。
区熔法是利用热能在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接单晶籽晶，调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过整根棒料，生长成一根单晶。
区熔硅单晶可应用于IGBT、MEMS、高效图像传感器和高效太阳能制造等领域。
随着器件技术的快速发展，大尺寸、高品质的区熔硅单晶成为技术发展的新要求。
为降低器件的成本，区熔硅单晶的尺寸要求更大，从而使得其生长设备区熔硅单晶炉的尺寸增大，具有多流场、多相变的硅单晶生长环境空间也随之增大，建立生长模型变得更加困难。
随着器件性能的不断提高，对区熔硅单晶的杂质及缺陷分布、电物理参数等都提出了更加严苛的要求，使得实现这些目标的控制方法变得越发困难。
本文从生长机理与模型建立两方面对区熔硅单晶生长过程进行了综述，并提出了相应的研究思路和方法。
1 区熔硅单晶生长过程描述和基本特征区熔硅单晶是在高温(1 412℃)、惰性气体(Ar)环境中将高纯度多晶硅原料熔化，再经过引晶、缩颈、放肩、等径、收尾等生产工艺过程，将多晶硅生长成为具有一定原子排列周期并可延续的单晶体，其生长过程如图1所示。
图1 区熔法硅单晶生长过程区熔法是在高温、氩气气氛和热场、电磁场及流场等多场相互作用的环境中，在硅熔体的固液界面中产生一定过冷度，使结晶的硅原子沿籽晶方向形成具有确定原子排序的单晶体。
区熔法生长单晶
区熔法生长单晶区熔法生长单晶是一种常用的单晶生长方法，主要应用于半导体材料与光电器件的生产制造中。
下面对区熔法生长单晶的过程和特点进行介绍。
一、准备工作在进行区熔法生长单晶之前，需要对材料进行加工和精细处理。
通常情况下，采用高纯度材料，同时需要对原料进行化学反应或物理淀积。
材料加工完毕后，需要进行预热处理，以消除内部应力并使晶体材料达到最佳结晶状态。
二、区熔炉的搭建区熔炉是进行区熔法生长单晶不可缺少的设备，通常由两个石英坩埚组成，内部放置材料。
其中一个坩埚内加热电流，达到融化材料的目的，另一个坩埚则保持常温，起到控制融化区域的作用。
此外，区熔炉内置有温度计和电子控制器，用于确保温度稳定并控制材料的融化过程。
三、区熔法生长单晶的过程1. 慢速降温: 将石英坩埚内的材料加热至高温状态，然后慢慢降温，达到凝固晶体熔体的状态。
这时可以看到石英坩埚中部的熔体区域，其形态呈现出“臭皮囊”状。
2. 发生反应: 当熔体区域达到臭皮囊状时，需要注入气体以促进组分反应。
在坩埚中注入氧气，并使用抽真空的方法，将熔体区域和固体材料区域之间形成巨大的温度梯度，促使进行物种转移的发生反应。
同时通过恒定的气流混合，确保反应的可靠性和稳定性。
3. 单晶生长: 当反应条件得到满足后，即可开始进行单晶生长，此时将上一个坩埚中的熔体区域向下移动，使其覆盖到下一个坩埚中的固体材料上面，并保持温度恒定，促进单晶的纯度和长大。
如此重复进行，在相应的时间内制作出所需要的单晶。
四、区熔法生长单晶的特点1. 单晶品质高：区熔法生长单晶方法可以获得高品质的单晶体，具有优良的物理性质和化学性质，具有良好的应用前景。
2. 适用范围广：区熔法生长单晶方法不仅适用于半导体行业，也适用于其他光学及电子器件的制造。
3. 技术难度高：区熔法生长单晶方法对于设备与技术要求较高，工艺难度大。
总之，区熔法生长单晶是一种先进的单晶生长方法，具有广泛的应用前景。
但是，随着技术的不断提高，还有很多问题需要解决，例如获得高质量的单晶和提高单晶的产量等。
4英寸〈100〉区熔硅单晶生长研究
０
引 言
由于 电 力 电子 产业 的蓬 勃 发 展 ， 类 新 型 电 力 电子 器件 对 各
氛 ， 气 流 量 设 定 为 １ ／ ｎ， 氩 气 中 充 入 比 例 为 ０５％ 的 氩 ７ Ｌｍｊ 在 ． 高 纯氨 气 。 时 ， 同 当籽 晶熔 接 多晶 时 ， 氢 气 中 掺杂 一 定 流 量 的 在 高 纯磷 烷 ， 随 着 单 晶 的 等径 生长 逐 渐 减 少 磷 烷 的 流 量 ， 区 并 使 熔 硅 单 晶 进 行 气相 掺 杂 生 长 。 在 单 晶 生 长 的 引 晶 一放 肩 一收
的 各 类 电 力 电子 器 件 正 在 向 高 电压 、 功 率 方 向 发 展 ， 就 对 大 这
硅 单 晶 的质 量 提 出 了越 来 越 高 的 要 求 ， 了 要 求硅 单 晶 具有 纯 除
度 高及 电阻 率 径 向均 匀性 好 等 特 点外 ， 要 求其 具 有 较 高机 械 更
径 向 电 阻率 不 均 匀 性 不 大于 １ ％ 。 ５
随着 所 生 长硅 单 晶 直 径 的 增 大 ， 态熔 硅 也 会 增 加 ， 于 液 对
区熔 生 长 工 艺 ， 晶 生 长 的熔 区稳 定 性 相 当重 要。 熔 硅表 面 各 单
点有 受力 平 衡 方程 ：
Ｆ 张 ＋ Ｆ 磋 ＋ Ｆ 离 ＋ Ｆ 静 ＋ Ｆ 附 ＝０
肩 一等 径 过 程 中 采 用 变 速 生 长 的 方 式 ， 长 过 程 中 下 轴 转 速 设 生 定为（ ４～６） ｍ ， 晶 等 径 生 长 速 度 设 定 为 （ ２～３４） ｍ／ ｉ。 单 ３． ． ｍ ｍ ｎ
大 直径 区熔 硅 单 晶 有着 旺 盛 的 需 求 。 旦前 ， 区熔 硅 单 晶 制作 用
真空高阻区熔Si单晶中的微缺陷及其少子寿命
晶体边缘
FZP2B2 3215 真空
318
111～114 1 300～1 600 有蚀坑
有漩涡及
FZP2B3 3110 真空
318
116～211 1 500～1 700 小蚀坑
FZP2B4 3210 真空
410
110～116 1 100～1 500 无漩涡
图 1 中的照片为 200 倍金相电子显微镜下观察 到的缺陷情况 。由图 1 (a) 、 (b) 可以看出 , 在以 318 mm/ min生长速率生长的单晶中除有典型的微观 呈三角形的漩涡缺陷外 , 还分布着一些更小尺寸的 缺陷 。图 1 (a) 为样品 FZP2B3 中的缺陷分布 , 该 图中的小蚀坑在微观上与三角形微缺陷的分布规律 一致 , 在宏观上则呈漩涡形 、雾状分布 ; 图 1 ( b) 为样品 FZP2B2 的缺陷分布 , 该样品只在晶体边缘 分布着蚀坑 , 且越靠近边缘蚀坑的密度就越大 , 缺 陷的尺寸也要比图 1 (a) 中蚀坑的大 。当晶体生 长速率更低 (310 mm/ min) 时 , 生长的单晶 (单晶 号 FZP2B1) 缺陷分布如图 1 (c) , 此时晶体中只有 三角形的漩涡缺陷; 当晶体生长速率提升至
对微缺陷的显示是用 sirtl 化学腐蚀法 。sirtl 腐 蚀液的配制方法是 : 将50 g的 CrO3 加去离子水稀释 至100 ml , 形成铬酸溶液 。以 V (铬酸溶液) ∶V (氢氟酸 42 %) = 1∶1 的比例进行配制 , 室温下腐 蚀时间为10 min 。微缺陷的观察分析采用 BH22 型 金相电子显微镜 。少子寿命检测 : 国产 LT21 型高 频光电导少数载流子寿命测试仪 。 112 实验
若真空下采用偏心加热线圈生长单晶 , 则实现 无漩涡缺陷单晶生长的临界拉晶速率略有提高 , 此 时412 mm/ min的拉晶速率可确保单晶的无漩涡生
真空区熔硅单晶生长技术研究
2010年第2期TIANJIN SCIENCE&TECHNOLOGY创新技术0引言高质量的高纯硅单晶是制作各种辐射探测器和光电探测器的重要材料。
高阻真空区熔硅单晶是研制某些高灵敏度探测器的必选材料。
由于晶体生长条件的改变，在真空中生长区熔硅单晶要比在氩气气氛下生长单晶困难许多，单晶在生长过程中极易断棱，直径也很难做大。
目前这种材料在国内只有少量样品提供，器件厂家不得不依靠进口来满足需要，价格十分昂贵。
1实验条件单晶炉，L4375-ZE型区熔单晶炉；多晶，Φ（32±1）mm；热场，Φ内32鸭嘴式平板偏心线圈，Φ内28鸭嘴式平板同心线圈；籽晶，5mm×5mm×60mm的正〈111〉晶向、正<111>偏3°晶向；保护气氛，真空度不低于1×10-2Pa。
2实验分析我们在多炉次真空单晶的研制过程中发现，在单晶的放肩阶段（尤其是单晶的转肩阶段）非常容易出现断棱（单晶发生晶变）的情况。
由于不同气氛下保护的区熔单晶生长特点不同，我们分析产生此种问题的原因，一是由于生长环境改变，熔区受力发生变化，导致了熔区的稳定性下降；二是熔区的散热模式发生改变，影响了单晶生长的主要动力，即结晶驱动力。
因此，如何获得一个稳定的熔区，并提高单晶的结晶驱动力，成为我们研究的重点。
2.1如何获得稳定的熔区区熔硅单晶生长过程中，同时作用在熔区的力至少有10种，在这些力中，稳定熔区的力主要是熔体的表面张力F1，加热线圈提供的磁托浮力F2，造成熔区不稳定的力主要是熔硅的重力F3，旋转离心力F4。
F 1=2aR，F2=2πRμI1I2d，F3=ρhg，F4=mV2Ra为熔硅的表面张力系数，R为熔区半径，μ为硅的磁导系数，I1为加热线圈的施感电流，I2为熔区的感生电流，d为加热线圈与熔区的耦合距离，ρ为熔硅密度，h为熔区长度，g为重力加速度，m为熔区的质量，V为熔区的转速。
欲使熔区达到稳定，熔区的受力情况必须满足：F1+F2＞F3+F4当晶体生长直径R确定后，由上述公式可以看出，稳定熔区必须减小d、h、m和V，增大a、I1、I2。
φ105mm区熔硅单晶的生长工艺研究
关键词 ： Ｚ硅 单 晶；加热线 圈 ； Ｆ 夹持 装置 ；生长工艺
中 图分 类 号 ： Ｎ ０ ．５ Ｔ ３ ０３ ４ 文 献标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：２ ８ ０６ ２０ ）６—０ １ —０ ０ ５ —７ ７ （０ ２ ０ ５３ ４
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５４ ｌ
表 １ ￣ １５咖 Ｐ０ 区熔单 晶用多晶材料 电参数
稀
有
金
属
２卷 ６
Ｔａ ｌ Ｅｌ ｃ ｒｃ ｌｓ ｅ ｉ ｃ ｔ ｎ ｆｐ ｌｃ ｙ ｔ ｌ ｎ ａ ｅ ｉ ｌｕ ｅ ｎ ｌ ５ 咖 ｂｅ １ ｅ ｔｉ ａ ｐ ｃ ｆ ａ ｉ ｓ ｏ ｏ ｙ ｒ ｓａ ｌ ｅ ｍ ｔ ｒａ ｓ ｄ ｉ Ｏ ｉ ｏ ｉ
式 中： ａ为熔 硅 的表 面 张 力 系 数 ； 为 硅 的 磁 导 系 数 ；， 为 加 热 线 圈 的 施 感 电 流 ；， 为 熔 区 的感 生 ｌ ２
－ 收稿 日期 ： ０２ ０ Ｏ ； ２０ — ４一 ｌ 修订 日期 ： ０２ ８ ６ ２０ 一ｏ — ５
作者简介 ：郭立洲 （９ ８一） １６ ．男 ．河南辉县人 ．工学学 士，工程师 ；研究方 向 ： 半导 体材料和器件
在 以生 产 ８ ｍ 区熔 硅 单 晶 为 主 的 Ｆ 一４ １ ０ｍ Ｚ１— 设 备 上生 产 １５ｍｍ 的单 晶 ，根 据 以上 晶 体 的生 ０ 长原 理 必须 处 理好 以下 几个 关键 问题 ： ２ １ 多 晶原 材 料 的选 择 ． 对 多 晶原 材 料 的选 择
稳 定 地 悬 浮在 硅棒 上 ，必须 满 足下 式 ：
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４ ７ ， ９ ， ４ ， ０ ， ３ ， １ ．０ ４ ０ ５ ０ ６ ０ ５ ０ ６ ０ ． ． ． ． ．
３ １ ， ５ ， １ ４ ３ ， ８ ．０ ３ ０ ４ ０， ５ ４ ５ ． ． ． ．
１ ０ １ ０
Ｖ Ｐ５ Ｆ－
３９ ．５
１０ － ０ ５ ０ １ ０ ９
３ ２ 半导体技术第 ｝ 卷第 ４ ０ ２ 期
２０ ０７年 ４月
Ｔ｝ ！ ｅ ｝ ｃ ｋ ｔ
３ 讨论
３１ 影响掺杂效果的主要因素 ． 区熔掺杂时，实际掺人剂量与计算值间存在一 定的差距 ，这是由于掺杂效果受到掺杂工艺过程中
Ｇ ｏ ｔ ｏ Ｆ －ｉ ｓ ｌ ｈ ｇ Ｒ ｓｔ ｉ ｉ Ｖ ｃｕ ｒｗｈ ＺＳ Ｃ ｙｔ ｗｔ Ｈ ｈ ｉｉｔ ｎ ｕ ｍ ｆ ｒ ａ ｉ ｉ ｅ ｓｖｙ ａ
Ｙ Ｎ ｇ Ｈ Ｎ ｇ ｎ， Ａ Ｇ ａ－ ａ Ａ Ｐ ，Ｃ Ｅ Ｌ ｉ ｇ Ｚ Ｎ Ｄ ｎｃ ｏ ｉ ｎ ｉａ － Ｈ ｉ ｈ
面开始发生反转时逐渐降低下轴移动速度 ，到收肩
晶硅进４ ５ 一 次的真空区熔提纯， 使多晶为 Ｐ 型导
电、电阻率（．一 ．） ４ ｍ １ ２５ ｘ ｆ ｃ ． ５ １ ｌ ０ － 多晶提纯时熔区移动速率为 １ ／ ｉ左右， ｍ ｍｎ ｍ 提纯的同时调整多晶直径为３ － ｍ ． ０ ｍ ３ ５ ２２２ 多晶掺杂 ．． （）掺杂剂量的确定。通过掺杂试验来获得掺 １ 杂时所需要的掺杂剂量， 具体方法为：同等质量规 格的多晶经过两次提纯后检测其轴向电阻率，查电 阻率与载流子浓度的关系曲线可以知道该多晶所对 应的载流子浓度，与目 标电阻率的相对比并结合多 晶的质量计算出所需掺人的剂量，并以此为最初的 依据进行区熔掺杂。 区熔掺杂过程完成后， 检测多晶的轴向电阻率， 查电阻率与载流子浓度的关系曲线得到所对应的载流 子浓度，与掺杂前多晶的初始载流子浓度对比，即可 知道实际的掺人剂量， 再与理论计算的剂量相比较， 就可以得到掺杂工艺中所需要的掺杂因子 Ｋ 则 ，
Ｂ 际 Ｋ Ｃ） Ｃ＋ ｐ Ｖ晶 实＝ （ 多 （ １ ） 式中： 实 为实际操作中需要掺的硼原子数量； Ｂ际
Ｃ为 。 掺杂目 标电阻 率对应的多晶中Ｐ 型载流子浓
度；Ｃ 为掺杂前多晶电阻率对应的 ｎ 。 载流子浓度；
表 １ 电阻率的对比
检测样品类别 掺杂前 掺杂后 真空单晶 电阻率／（ １３３ｃ ） ｘ １ ｍ ０ ＂
（）掺杂方法。由于掺杂剂量很小，为控制掺 ２ 杂的均匀性 ，采用了在多晶表面逐点滴涂掺杂溶 液， 然后在 ０１ Ｍ ａ ． Ｐ 压力的氢气气氛下对多晶进 ２
行区 熔的掺杂方式率为 １ ｒ ｉ ８ ｎ ／ 。为使滴涂在 ｍ 硅棒表面的溶剂能迅速挥发，在溶液滴涂前需先烘 烤硅棒至其表面温度达到５ ０℃左右。 ２２３ 真空单晶的生长 ．． （）线圈表面的处理。将用于真空单晶生长的 １ 线圈进行预处理，使其表面牢固包裹一层硅。 （）单晶生长。生长单晶时的炉膛内真空度需 ２ 达到＿１ １－Ｐ，籽晶晶向＜ １＞， ＜ ｘ ０２ａ １１ 单晶直径控 制在３ 一 ５ ，单晶生长的速度为 ４ ／ ｉ． ０ ３ｍ ｍ ｍ ｍｎ ｍ 在单晶生长的引晶一放肩一收肩一等径过程中 采用变速生长方式：引晶至放肩的初期采用３５ ． ４５ ／ ｉ的下轴移动速度，晶体生长至生长界 ． ｍ ｍｎ ｍ
３０ ０ ４０ ７ ４０ ２ ３７ ９ ５８ ２
２０ ３
１． ２ ０、１ ． ９７ １． ６ ３￣２ ． ００ ３ １￣４ ９ ． ． １． ７ １￣２ ． ０５
３７ ５ ３２ １ ２４ ６
３０ ７
无
无 无 无
ＶＦ － Ｐ３
ＶＦ － Ｐ４
３ ． － ． １０ ２ ５ ３ ３． ０ ３￣３ ． １７ ３． ０ ７￣３ ． ２２
１３ Ｃ ． ０ ｆ． ｌＭ
和 ｘ Ｃ一 ５ ６ 。 １ ｍ， ０ １
２２ 试验 ．
２２１ 多晶提纯 ．．
研制电阻率（一 ） ３ ｍ的硅单晶，需先 ３ ５ ｘ ０ ｃ １ ＂ ０
对多晶硅进行两次真空区熔提纯 ，使其电阻率达到
ｎ １ １ ｌ ｍ以上， 型 ｘ 扩ｆ ｃ ． 然后再进行微量的硼掺杂； 研制电阻率（一 ） ４ ｍ的硅单晶， １ ２ ｘ ［ ｃ １ ２ ０ － 需要对多
ｘ 。ｃ， ｐｙｌｎ ｌｂｄ ｅｗｈ ｎ Ｔ ｃｓｌ ｅｒ 一５ ，＜１＞ １ ・ ｔ ｏｓｃ ｓｕ ｅ ｄ ｂｏ． ｈ ｒｔ ｄｍｔ ｉ３ ３ ｍ ０ ｍ ｈ ｌｉｏ ｈ ｄ ｏ ｉ ｏ ３ ｅ ｉ ｏ ｐ ｔ ｒ ｅ ａ ｉ ｅ ｓ ｙ ａ ０ ｍ １ １
ｏｅｔｅ． ｈ ｍｎｒ ｃ ｒｒ ｉｅ ｈ ｃ ｓｌ ｏｌｓ １ ０ ａｄ ｒｉｎ ｄｌ ａｏ ａｄ ｒｎ ｔ Ｔｅ ｏｔ ａｉ ｌ ｔ ｏｔ ｒｔ ｉｎｔ ｔ ｎ ｐ ｎ ｔ ｅ ｏ ｏ ｔｎ ｉ ａｄ ｉ ｉ ｒｅ ｉ ｍ ｆ ｙ ａ ｓ ｅ ｈ ５ ｓ ｈ ｓ ｉ ｃｉ ｎ ｙ ｆ ｅ ｅ ｓ ａ ０ ｅ ｓ
向＜ １＞ 检测无位 １ 。经 １ 错及旋涡 缺陷， 单晶的少 数载流子寿 命达到１ ０ 上。 ５ ｐ以 ０ ｓ
关键词： 硅单晶；真空区熔；高电阻率；区熔掺杂 中图分类号： Ｎ０． Ｔ３４０３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ３ ５Ｘ ０７ ０－ １ ３ ５ ０ － ３ （ ０） ３ － ０３ ２ ４００
（ｈ ４｀ ｅａｈ ｉｔ ＥＣ ｉｊ ３０２， ｎ） Ｔ ６ Ｒｓｒ Ｉｔ ｅ Ｔ ，Ｔ ｎｎ ２０ Ｃｉ ｅ ＇ ｃ ｎ ｔ ，Ｃ ｘ ｅ ｓｕ ａｉ ０ ｈａ
Ａｓａ ： ｐｃｓ ｉ ｒｉｖ Ｓ ｆａｚ ｅ ｉｌ ｒｔ ｉｖ ｕｍ ｉ ｎ Ｔｅ ｅ ｆ ｈｈ ｓ ｉ Ｆ－ （ｏ－ｎ Ｓ ｓｇ ｃｓｌ ａ ｕ ｃ ｄｉ ｗｓ ｂｒ ｔ ｈ ｒ ｓ ｏ ｇ ｅ ｔ ｔ Ｚ ｉ ｔｏ ｉ ｎｅ ａ ｎ ｔｃ ｏ ｒ ｓ ｉｙ ｌ ） ｙ ｃ ｏｔ ａ ｎ ｏ
・ ． ｐｅ ｕｆｇ ｅ ｓｉｎ ｉｈｈｒ ｕ ｗｓ ｅｆ ｃｓｌ ｒｉｖｙ ５ ｃ Ｉｓｔｏｐｒｎｏｔ ｐｙｌｏ ｒ ｎ ｅｖ ｕｍ ｎ ｄｄ ｒｔ ｗｈ ｓ ｉ （一 ） ｍ ｎ ｆ ｉ ｆ ｏ ｉ ｏ ｉ ｉ ｈ ｌ ｃ ｄ ｉ ａ ｇ ｃ ａ ｅ ｏ ｙ ａ ｉ ｅ ｔｔ ３ ｅ ｒ ｔ ｓｉ
ｓｉ ｄｆ ｔ ｈ ｃ ｓ ｌ ｗｒ ｅ ｃｉ ｔ ｒ ｔ ． ｌ ｎ ｙ ａ ｅ ｅ Ｋ ｙ ｒｓ ｉ ｔ ； ｉ ｖｃｕ ｈ ｈ ｉｉｔ； －ｏｉ ｅ ｗ ｄ ：Ｓ ｃ ｓｌ Ｆ ｎ ｕｍ； ｒ ｓｖｙ Ｆ ｄｐ ｇ ｏ ｙ ｒ ａ Ｚ ａ ｉ ｅ ｔｉ Ｚ ｎ ｇ ｓ
１ 引言
高质量的高纯硅单晶是制做各种辐射探测器和 光电探测器的重要材料。在真空环境下提纯并生长 硅单晶可以使材料达到并保持更高的纯度，因而高 阻真空区熔硅单晶是研制某些高灵敏度探测器的必 选材料，主要有 电阻率 （ ３一５ ｘ ５＂ｍ和 ） ０ １ ｃ １ ３
ｔ ｔ分 ｖ －
高阻真空区熔硅单晶的生长
闰萍，陈立强，张殿朝
（ 中国电子科技集团公司 第四十六研究所，天津 ３０２） ０２０
摘要： 介绍了高阻真空区熔硅单晶的研制工艺， 研制出了导电类型为ｐ 型，电阻率（ － ） ３ ５ｘ １ ５ｃ ０ １ １ ２ ｘ ０５ｃ ３ ｍ及（－ ） １ １ ｍ两种规格的真空区熔硅单晶， ＂ ４＂ 其中电队率（－ ） １ ５ ｃ ３ ５ ｘ０ １ ｍ规格单 ３＂ 晶的研制除需要进行真空区熔提纯外， 还要进行微量的ｐ 型区熔掺杂。单晶直径３ － ｍ ，晶 ０ ｍ ３ ５
３． ３￣４． ７
少子寿命／
Ｊ Ａ Ｂ
直径／ ｍ ｍ
２． ９ ５￣３ ． ０４
３． ０ ０￣３ ． １２
单晶长度／ 有效长度／
ｍ ｍ 门ｉ ｍ
漩涡情况
无
１ ０ １ ０
１ ０
Ｐ Ｐ Ｐ Ｐ Ｐ
１０ ３ ０￣１ ０ ６０ １０ ７ ０－２ ０ １０ １０ ８ ０－ ０ ２ ０ ３ １０ ６ ０￣ １ ０ ８０
ｉ ｄ ｅ． － ｅ ｕｉ Ｓｃｓｌ ｅ ｇｗ ｗｈ ｔｔｏ ３ ５ｘ０。ｃ ｏ１ ２ｘ １ ｎ ｕｄ Ｐｙ ｃｄ ｔ ｉ ａ ｗ ｎ ｒｉｖ 一 ） １ ・ ｒ 一 ） ４ ｔ ｃ ｏ ｒ ｔ ｏ ｃ ｅ ｒｔ ｒ ｒ ｉ ｅ ｓｉ ｆ ｐ ｎ ｖ ｙ ｓ ｏ ｔ ｓｉ （ ｅ ｙ ３ ｍ （ １５ ０
掺杂剂：电阻率不小于 １ ＭＩ ５ ＂ Ｃｃ ｍ的高纯去离
助ｒ ２０ ｉ ０７ ｌ
Ｔ ｈ ｌｙ ． Ｎ ． ０ ｅ ｎｏ Ｖ ３ ｏ ３ １ ｃ ｏｇ ｏ ２ ４ ｌ
子水配制的珑０ 水溶液， ３ 原子浓度分别为 １ １ ｘ １６ ０
Ｖ晶 多 为多晶的体积。
研制电阻率（ 一 ） ０ ｃ ３ ５ ｘ ０－ｍ的真空区熔单 １ ３ 晶， 掺杂后多晶的轴向电阻率应控制为（ 一 ） ４ ６ｘ
导电类型 ｝ 晶体有效长度／ ｍ ｍ
３５０ ２９０ ２３０
表 ２ 真空单晶生长结果
单晶编号
ＶＦ － Ｐ１ ＶＦ ２ Ｐ－
下轴转速／ 导电类型 （ｍ 一 ｍ ＂ ’ （＂ ｉ一） ｍ ） ｒｍｎ ’ ｉ ｎ
生长速度／
３９ ．０ ４０ ．０ ４０ ．０
４． ５ ０
电阻率／ （ １ Ｓ ｃ） ｘ ３ ｍ ０ ＂ ３
２ 试验及结果
２１ 试验条件 单晶生长设备： ４ ５ Ｅ １ ７ Ｚ 型区熔硅单晶炉。真空 ３－
（一 ） ４ ｍ两种规格， １ ２ｘ ５ｃ １ １ ０ ＂ 可分别用于研制雪崩
光电二极管和Ｐ 管型的光电探测器件。由于晶体 Ｉ Ｎ
生长条件的改变，在真空中生长区熔硅单晶要比在 氢气气氛下生长单晶困难许多， 单晶在生长过程中 极易断棱，直径也很难做大。目前这种材料在国内 只有少量样品提供， 器件厂家不得不依靠进口 来满 足其需要，价格十分昂贵。