直拉单晶硅工艺技术
直拉单晶硅工艺技术黄有志
直拉单晶硅工艺技术黄有志直拉单晶硅工艺技术是制备单晶硅材料的一种重要方法。
该技术的发展，对于现代半导体产业的推动和发展具有重要意义。
黄有志博士是在该领域取得突破性进展的科学家之一。
以下是对其工艺技术的一些介绍。
直拉单晶硅工艺技术是制备高纯度、高晶质结构的单晶硅材料的关键技术之一。
它是将多晶硅材料通过高温熔融状态下拉制而成的。
在这个过程中，使用的原料是通常用石英砂进行还原制备的多晶硅材料，通过特定的工艺参数控制，使其在高温下逐渐冷却凝固，形成单晶硅材料。
直拉单晶硅工艺技术具有高效、高质量的特点。
首先，该工艺技术能够有效地提高单晶硅材料的纯度。
在熔融状态下，通过控制氧气处理时间和掺杂剂的加入，可以有效地去除杂质。
其次，该工艺技术能够制备出高质量的单晶硅材料。
通过控制拉伸速度和温度梯度，可以减少晶体结构的缺陷，提高晶体的完整性和结晶度。
最后，该工艺技术还具有高效率的特点。
相比于其他制备单晶硅材料的方法，直拉工艺技术可以大规模生产，并且成本低廉，适用于工业化生产。
黄有志博士在直拉单晶硅工艺技术的研究领域做出了突出的贡献。
他主要关注在工艺参数的优化和工艺过程的监控控制方面。
通过对熔融硅的温度、拉伸速度、氧气处理时间等参数的研究，他成功地优化了工艺参数，提高了单晶硅材料的质量和产量。
同时，他还研发了一套先进的监控系统，可以实时监测熔融硅的温度和拉伸速度等参数，确保工艺过程的稳定性和可控性。
黄有志博士的工艺技术在半导体产业中得到了广泛的应用。
单晶硅材料是半导体器件制备中不可或缺的基础材料，而直拉单晶硅工艺技术能够高效、高质量地制备出该材料，为半导体器件的生产提供了重要保障。
目前，黄有志博士的工艺技术已广泛应用于半导体材料制备企业中，并且取得了良好的经济效益和应用效果。
总之，直拉单晶硅工艺技术是制备高纯度、高质量的单晶硅材料的关键技术之一。
黄有志博士在该领域的研究和创新，为该技术的发展和应用做出了重要贡献。
他的工艺技术在半导体产业中得到了广泛应用，为半导体器件的制备提供了重要支持。
单晶小知识直拉法
固液界面形状对单晶均匀性、完整性有重要影响，正常情况下，固液界面的宏观形状应该与热场所确定的熔体等温面相吻合。在引晶、放肩阶段，固液界面凸向熔体，单晶等径生长后，界面先变平后再凹向熔体。通过调整拉晶速度，晶体转动和坩埚转动速度就可以调整固液界面形状。
生长过程中各阶段生长条件的差异
3，磁控直拉技术与直拉法相比所具有的优点在于：
减少了熔体中的温度波度。一般直拉法中固液界面附近熔体中的温度波动达10 C以上，而施加0.2 T的磁场，其温度波动小于1℃。这样可明显提高晶体中杂质分布的均匀性，晶体的径向电阻分布均匀性也可以得到提高；
降低了单晶中的缺陷密度；
减少了杂质的进入，提高了晶体的纯度。这是由于在磁场作用下，熔融硅与坩锅的作用减弱，使坩锅中的杂质较少进入熔体和晶体。将磁场强度与晶体转动、坩锅转动等工艺参数结合起来，可有效控制晶体中氧浓度的变化；
1，在直拉法中，氧含量及其分布是非常重要而又难于控制的参数，主要是熔体中的热对流加剧了熔融硅与石英坩锅的作用，即坩锅中的O2,、B、Al等杂质易于进入熔体和晶体。热对流还会引起熔体中的温度波动，导致晶体中形成杂质条纹和旋涡缺陷。
2，半导体熔体都是良导体，对熔体施加磁场，熔体会受到与其运动方向相反的洛伦兹力作用，可以阻碍熔体中的对流，这相当于增大了熔体中的粘滞性。在生产中通常采用水平磁场、垂直磁场等技术。
直拉法的引晶阶段的熔体高度最高，裸露坩埚壁的高度最小，在晶体生长过程直到收尾阶段，裸露坩埚壁的高度不断增大，这样造成生长条件不断变化（熔体的对流、热传输、固液界面形状等），即整个晶锭从头到尾经历不同的热历史：头部受热时间最长，尾部最短，这样会造成晶体轴向、径向杂质分布不均匀。
直拉法－技术改进
一，磁控直拉技术
直拉单晶硅
方式称为“自然对流”。自然对流的
程度大小可由格拉斯霍夫常数来判定：
熔体
Gr agT d 3
Vk 2
对于硅而言，α=1.43×10-4℃-1，vk=3 ×10-3cm2/sec，
因此，Gr=1.56 ×104△Td3。此外，Gr的临界值为105，
而根据估计实际的Gr值高达108。除非靠其它的对流方式
籽晶
单晶硅棒
石英坩埚 水冷炉壁 绝热石墨 加热器 石墨坩埚 石墨底盘 石墨轴承 电极
在熔体结晶过程中， 温度下降时，将产生由液态 转变成固态的相变化。为什 么温度下降，会导致相变化 的产生呢？这个问题的答案 可由热力学观点来解释。
一个平衡系统将有最低的自由能，假如一个系统的自由能 G高于最低值，它将设法降低G（即△G < 0）以达到平衡 状态。因此我们可以将△G < 0视为结晶的驱动力。
判断 Bo Ra d 2g
Ma
所以在表面上较大的长晶系统
主要受自然对流控制。而表面张力对流在低重力状态（例
如太空中）及小的长晶系统，才会凸现其重要性。
思考题
1、直拉单晶炉由几大部分组成？ 2、什么叫直拉单晶炉的热场 ？ 3、直拉单晶炉的合理热场条件是什么？ 4、直拉单晶硅的工艺步骤？ 5、直拉单晶硅通常选择那些晶体生长方向，为什么？ 6、直拉单晶硅中如何实现无位错生长？ 7、直拉单晶硅中熔体的对流分哪几种情况，分别用什么 常数来判断其对流的程度？
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
区熔单晶硅和直拉单晶硅
区熔单晶硅和直拉单晶硅区熔单晶硅和直拉单晶硅是两种常用的单晶硅生产工艺。
单晶硅是一种高纯度的硅材料，广泛应用于半导体行业。
在制备单晶硅时，区熔和直拉是两种常见的工艺路线。
本文将对这两种工艺进行比较和介绍。
一、区熔单晶硅区熔单晶硅是一种传统的生产工艺，也是最早被应用的工艺之一。
它的主要步骤包括：选材、熔炼、晶化、切割和修整等。
1. 选材：区熔单晶硅的选材是非常关键的一步。
选材要求硅原料的纯度高，杂质含量低，以确保生产出的单晶硅具有良好的电学性能。
2. 熔炼：在区熔工艺中，硅原料被放入石英坩埚中，在高温下进行熔炼。
通过控制熔炼条件和熔炼时间，使硅原料逐渐熔化并形成单晶硅。
3. 晶化：熔融的硅原料在逐渐冷却的过程中，通过特定的方法来形成单晶硅。
晶化过程需要严格控制温度和冷却速率，以保证单晶硅的晶体结构完整性和纯度。
4. 切割：晶化后的硅块需要经过切割处理，使其成为适合半导体器件制造的单晶硅片。
切割时要保证切割面的光洁度和平整度，以提高单晶硅片的质量。
5. 修整：切割后的单晶硅片需要进行修整处理，以去除切割过程中产生的缺陷和杂质。
修整过程通常包括化学腐蚀、机械研磨和抛光等步骤。
区熔单晶硅工艺的优点是工艺成熟、可控性好，生产成本相对较低。
但是，由于区熔工艺存在晶体生长速度慢、晶体纯度不易控制等问题，生产出的单晶硅片质量相对较差。
二、直拉单晶硅直拉单晶硅是一种相对较新的生产工艺，也是目前主流的单晶硅生产工艺之一。
它的主要步骤包括：选材、熔炼、晶化、拉丝和修整等。
1. 选材：直拉单晶硅的选材要求与区熔工艺相似，同样需要高纯度的硅原料。
选材的关键是减少杂质的含量，以确保生产出高质量的单晶硅。
2. 熔炼：直拉工艺中的熔炼过程与区熔工艺类似，硅原料被放入石英坩埚中，在高温下进行熔炼。
熔炼后的硅液通过特定的方法形成一根硅棒。
3. 晶化：在直拉工艺中，硅棒从熔液中被拉出，并在拉伸过程中逐渐冷却和凝固。
通过控制拉伸速度和温度等参数，使硅棒逐渐凝固并形成单晶硅。
直拉单晶硅工艺技术PPT课件
这种周期性规律是晶体结构中最基本的特征。有固定熔点， 各向异性。
Intensity/a.u.
◆ :CuAlO2 ▲:CuO ◆ 1200℃
◆ ▲
◆ ▲◆
1190℃
◆
◆ ▲
◆ ▲◆
1180℃
◆
◆ ▲
◆ ▲◆
1170℃
◆
◆ ▲
◆ ▲◆
1160℃
◆
◆◆ ▲ ▲◆
◆ 1150℃ ◆ ▲◆ ▲◆
20 30 40
◆◆◆
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50 60 70 80
2()
图1.5 食盐的空间点阵结构图
图1.6 不同烧结温度下通过陶瓷 的XRD图谱
紫锂辉石(Kunzite)
常林钻石 重158.786克拉 图1.7 常见的晶体
1.12晶体的几种晶面
同一个格点可以形成方向不同的晶列，每一个晶列定义了 一个方向，称为晶向。
图1.13 立方晶系中的几个晶面及晶向
1.5晶体的熔化和凝固
晶体的分类： 1.离子晶体 2.分子晶体 3.原子晶体 4.金属晶体
图1.14晶体加热或冷却的理想曲线
1.6结晶过程的宏观特征
1.15冷却曲线
1.7晶核的形成
熔体里存在晶胚，晶胚长到一定的尺寸时，形成晶核。 过冷度越大，临界半径越小。非自发成核要容易多了。
1.8二维晶核的形成
一定数量的液体原子同时落在平滑界面上的临近位置，形 成一个具有单原子厚度并有一定宽度的平面原子集团。
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。
《直拉单晶硅生长工艺流程和注意事项》
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直拉硅单晶工艺简介
异常处理
主要内容
1.等径过程中晶棒掉入石英埚 2.晶体扭曲处理 3.运行中出现“打火” 4.液晃 5.晶晃 6.漏料 7.断电处理 8.断水处理 9.整个炉区断水断电处理 10.注意事项
异常处理
掉棒
产生原因 一、籽晶断
二、籽晶绳
1、籽晶熔接 2、籽晶氧化 3、籽晶夹具 1、处理方法：1、零时指挥小组（以值班主任为主）先查 看是否停水。
2、联系配电房停电情况，同时联系纯水站 供水是否正常。
3、冷却水和备用水也无法迅速提供，则通 知各操作工停炉。将晶棒脱离液面，迅 速撤离现场。
集中长停电备用水供
现象： 处理方法：
集中长停电长停水
处理方法：1、零时指挥小组（以值班主任为主）先查 看是否停水。
直拉硅单晶工艺简介
停炉&冷却
• 晶体收尾结束时，使晶体上升或下降坩埚将晶体脱离液面2-3cm。 • 将晶体生长控制系统改为手动状态。 • 关闭晶升、晶转、埚转；关闭加热电源。
直拉硅单晶工艺简介
取晶棒
• 打开进气氩气阀门将炉内压力回充到常压。 • 按控制面板上晶升快速上升键，使晶体上升至副室适当距离关闭
5、待液面结晶30分钟后，将坩埚升至最高位。
单炉整体断电UPS不供电
现象：1、操作柜与电源柜没电。
插线板接入220V市电 将操作柜的电源插头拔出 操作柜插头插入线板
应急里的按钮进行操作
屏幕显示正常， 但只可以操作氩气 屏幕显示“手动紧急备份” 同时报警
处理方法：1、操作应急处的晶升，埚降。使晶棒脱离。 2、关闭界面上氩气。保压。 3、通知当班电工检修，若是总开关跳闸通知配电房 人员送闸，恢复供电。操作工恢复单晶炉的正常 操作。 4、无法短时间(30分钟）恢复供电，通知操作工停炉。
直拉单晶硅工艺技术
1.9晶体的长大
图1.16固液界面模型.
1.10生长界面结构模型
图1.17原子在光滑界面上所有可能的生长位置
1.19凸界面生长模型
1.20其他几种界面模型
第2章直拉单晶炉
图2.1汉虹CZ-2008型直拉单晶炉部件图
图2.2单晶炉的组成部分
图2.3单晶生长的地方
图2.4直拉单晶炉
图2.5籽晶旋转提升机构示意图
2016
讲师：吕传茂 系别：光伏材料
绪论
图1.1单晶硅的应用领域
几种单晶硅的制备方法
直拉法又称为切克劳斯基法，简称CZ法。CZ法的特点是在一 个直筒型的热系统汇总，用石墨电阻加热，将装在高纯度石英 坩埚中的多晶体熔化，然后将籽晶插入熔体表面进行熔接，同 时转动籽晶，再反转坩埚，籽晶缓慢向上提升，经过引晶、放 大、转肩、等径生长、收尾等过程。
图1.2 直拉法装置示意图
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，晶向与籽晶的相同。区熔生长技术的基本特点是样品的熔化 部分是完全由固体部分支撑的，不需要坩埚。
图1.3 区熔法装置示意图
气相生长法，一般可用升华、化学气相输运等过程来生长 晶体。 外延法，它是指在一块单晶片上再生长一层单晶薄层,这 个薄层在结构上要与原来的晶体(称为基片)相匹配。外延 可分为同质外延和异质外延。像半导体材料的硅片再外延 一层硅是属同质外延；如果在白宝石基片上外延硅，那就 是异质外延了。
图2.6隔离阀
图2.7副炉室升降机构把手
图2.8旋转出的副炉室
图2.9坩埚驱动装置
图2.10真空系统及氩气充气系统
图2.11水冷系统
直拉单晶硅工艺流程
直拉单晶硅工艺流程1. 原料准备直拉单晶硅工艺的第一步是原料准备。
通常使用的原料是高纯度的二氧化硅粉末。
这些二氧化硅粉末需要经过精细的加工和净化，以确保最终制备出的单晶硅质量优良。
2. 熔炼接下来是熔炼过程。
将经过净化的二氧化硅粉末与掺杂剂（通常是磷或硼）混合，然后放入石英坩埚中，在高温高压的环境下进行熔炼。
熔炼过程中，二氧化硅和掺杂剂会发生化学反应，形成多晶硅。
3. 晶棒拉制在熔炼完成后，需要进行晶棒拉制。
这一步是直拉单晶硅工艺的核心步骤。
首先，将熔融的多晶硅放入拉棒机中，然后慢慢地将晶棒拉出。
在拉制的过程中，需要控制温度和拉速，以确保晶棒的质量和直径的均匀性。
4. 晶棒切割拉制完成后，晶棒需要进行切割。
通常使用线锯或者线切割机对晶棒进行切割，将其切成薄片，即所谓的晶圆。
晶圆的直径和厚度可以根据具体的需要进行调整。
5. 晶圆抛光切割完成后，晶圆表面会有一定的粗糙度，需要进行抛光。
晶圆抛光是为了去除表面的缺陷和提高表面的光洁度，以便后续的加工和制备。
6. 接触式氧化晶圆抛光完成后，需要进行接触式氧化。
这一步是为了在晶圆表面形成一层氧化层，以改善晶圆的电学性能和机械性能。
7. 晶圆清洗最后，晶圆需要进行清洗。
清洗过程中，会使用一系列的溶剂和超声波设备，将晶圆表面的杂质和污垢清洗干净，以确保晶圆的纯净度和光洁度。
通过以上步骤，直拉单晶硅工艺就完成了。
最终得到的单晶硅晶圆可以用于制备太阳能电池、集成电路和光电器件等各种应用。
直拉单晶硅工艺流程虽然复杂，但可以制备出质量优良的单晶硅，为半导体产业的发展提供了重要的支持。
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直拉单晶硅工艺技术
直拉单晶硅工艺技术是一种生产单晶硅材料的工艺方法，它能够高效地制备高纯度、高质量的单晶硅。
在电子、光伏等领域有着广泛的应用。
下面我将介绍一下直拉单晶硅工艺技术的基本原理和步骤。
直拉单晶硅工艺技术基本原理是利用熔融态下的硅液形成的“剪切层”和拉伸过程中形成的“湍流鞍点”来减小晶体发生成核的机会，实现快速生长大尺寸单晶硅。
直拉单晶硅工艺技术的步骤如下：
1、硅原料准备：选择高纯度的硅原料，通常采用电石炉法或氯气法制备。
2、硅液制备：将硅原料放入特殊的熔化炉中，在高温下将硅原料熔化成液态硅。
3、净化处理：通过添加掺杂剂和进行化学处理等方式，对硅液进行净化，去除杂质和不纯物质。
4、晶体成核：将净化后的硅液脱氧，并添加少量的晶种，形成晶体的初步成核。
5、晶体生长：将晶种固定在拉伸机上，通过控制温度和拉拔速度，使晶体逐渐生长。
6、晶体拉伸：在晶体生长过程中，通过拉伸机的拉拔和旋转，将晶体朝着一个方向上不断拉长，直到达到目标长度。
7、光洁处理：将拉伸后的晶体进行光洁处理，使其表面变得
光滑。
8、切割整理：将拉伸后的晶体切割成适当大小的小晶体，用
于制造半导体晶体管等器件。
直拉单晶硅工艺技术的优点在于能够生长大尺寸的单晶硅，提高了生产效率和晶体质量。
同时，它还具有晶体控制性好、成本低等特点，为单晶硅领域的发展提供了重要的技术支持。
然而，直拉单晶硅工艺技术也存在一些问题。
首先，大尺寸单晶的生产周期较长，需要耗费大量的能源和物资。
其次，工艺要求严格，操作技术要求高，一旦出现操作失误，就会导致晶体质量下降。
总而言之，直拉单晶硅工艺技术是一种优质、高效的制备单晶硅材料的方法。
通过不断的技术创新和工艺改进，相信直拉单晶硅工艺技术能够继续优化，提高生产效率和质量，为电子、光伏等领域的应用提供更好的支持。